Продукты на основе сульфата кальция - RU2651673C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к продуктам на основе сульфата кальция с улучшенной устойчивостью к высоким температурам и, в частности, к продуктам на основе сульфата кальция с пониженной усадкой при высоких температурах.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Продукты на основе сульфата кальция широко используют в строительстве зданий, например для создания внутренних перегородок (при использовании сухой листовой штукатурки, также известной как сухая штукатурка, гипсовая плита или гипсокартонный лист) и потолочных покрытий или для обшивки вентиляционных каналов и трубопроводов (например, вентиляционных коробов) в зданиях.

Продукты на основе сульфата кальция, такие как листовая сухая штукатурка, как правило, получают сушкой водной суспензии гемигидрата сульфата кальция (CaSO₄⋅1/2H₂O), также известного как полуводный гипс или штукатурка, между двумя оклеечными листами или сетки из стекловолокна. Во время сушки суспензии полуводный гипс гидратируется, формируется твердая, жесткая сердцевина из гипса (дигидрат сульфата кальция - (CaSO₄⋅2H₂O)), размещенная между оклеечными листами/полотнами сетки.

В случае, когда листовая сухая штукатурка или потолочная плитка подвергаются воздействию высоких температур, таких как возникающие в здании во время пожара или испытываемые листовой сухой штукатуркой, используемой для обшивки вентиляционных каналов и трубопроводов, несущих текучие среды с высокой температурой, кристаллизация воды, содержащейся в гипсе, приводит к образованию безводного сульфата кальция. Первоначальное преимущество состоит в том, что теплообмен листовой сухой штукатурки/потолочной плитки низкий, что помогает, таким образом, удерживать тепло, исходящее от вентиляционных каналов и трубопроводов или возникающее в здании во время пожара. Однако при температурах около 400-450°C изначально полученная безводная фаза AIII (также известная как γ-CaSO₄ или «растворимый» ангидрид) переходит в All фазу (или «нерастворимый» ангидрид), и это изменение фазы в результате приводит к усадке листовой сухой штукатурки/плитки, то есть приводит к потере стабильности пространственных параметров. Эта усадка (которая может составлять 2% длины или ширины листовой сухой штукатурки/плитки, или около 6% объема листовой сухой штукатурки) часто приводит к отрыву листовой сухой штукатурки от поддерживающих их структур. Очевидно, что это нежелательно. Это может привести к воздействию высоких температур на вентиляционные каналы и трубопроводы. Дополнительно в ситуации, когда листовую сухую штукатурку используют для внутренних перегородок и происходит пожар, усадка может привести к возникновению зазоров, что подвергнет граничащую комнату воздействию источника тепла/огня. Также зазоры приводят к доступу кислорода к источнику огня, подпитывая, таким образом, огонь, и нивелируя этим эффект от любых противопожарных дверей.

При более высоких температурах (превышающих 600°C) нерастворимый ангидрид спекается в агломераты, что в результате приводит к большой усадке листовой сухой штукатурки в объеме. В результате это приводит к чрезмерной усадке, что в конечном итоге приводит к обрушению внутренних стен/плиток/обшивки вентиляционных каналов и трубопроводов, поскольку они больше не удерживаются поддерживающими их структурами.

Прилагались усилия по улучшению термоустойчивости продуктов на основе сульфата кальция, таких как листовая сухая штукатурка, в попытках снижения усадки. Из EP 0258064, например, известно применение микрокремнезема в качестве добавки в гипсовую сердцевину листовой сухой штукатурки для снижения усадки.

Однако эти добавки оказывают эффект только при температуре более чем 600°C, то есть обшивочный элемент не устойчив к усадке при более низких температурах, и линейная усадка при температуре 1000°C составляет более чем 10%.

Из WO 99/08979 и WO 00/06518 известно добавление триметафосфата натрия (STMP), гексаметафосфата натрия (SHMP) или полифосфата аммония (APP) в сердцевину листовой сухой штукатурки из сульфата кальция для улучшения прочности, устойчивости к провисанию и усадке во время сушки. Не указывается, что добавки оказывают влияние на усадку при воздействии высоких температур. Было установлено, что ионы триметафосфата и APP увеличивают скорость гидратации полуводного гипса, снижая, таким образом, время затвердевания сердцевины листовой сухой штукатурки. В WO 2012/069826 описывается применение добавок фосфата алюминия и аммония для усиления огнестойкости продуктов на основе сульфата кальция. Было установлено, что полифосфат аммония (APP) уменьшает время гидратации полуводного гипса и ускоряет время затвердевания.

Продукты на основе сульфата кальция также используют для литых изделий из металла. Формы из сульфата кальция нагревают до температуры 700-900°C перед заполнением их расплавленным металлом. Важно контролировать усадку, вызываемую высокой температурой таких форм на основе сульфата кальция для обеспечения отсутствия протечек из форм и для обеспечения отсутствия деформации литых изделий из металла.

Предпочтительной целью настоящего изобретения является обеспечение продукта на основе кальция с улучшенной устойчивостью к высоким температурам, обладающего пониженной усадкой после воздействия тепла, например, при контакте с вентиляционными каналами и трубопроводами во время пожара или во время литья изделий из металла. Такой продукт с улучшенной устойчивостью к высоким температурам может иметь конкретное применение в качестве листовой сухой штукатурки или панелей для создания внутренних перегородок в зданиях, потолочной плитки, листовой сухой штукатурки или панелей для обшивки вентиляционных каналов и трубопроводов/трубопроводов для удаления дыма, материалов для заполнения швов при соединение встык листовой сухой штукатурки/панелей/плиток или для форм, используемых при металлическом литье.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Соответственно в первом аспекте настоящее изобретение относится к продукту на основе сульфата кальция, содержащему гипс и устойчивые к усадке добавки, где устойчивая к усадке добавка представляет полифосфат меламина или пирофосфат меламина.

Полифосфат меламина представляет C₃H₆N₆·(H₃PO₄)n, где n составляет более 2. Пирофосфат меламина представляет C₃Η₆Ν₆⋅(Η₃ΡO₄)n, где n равно двум. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что введение полифосфата меламина (MPP) или пирофосфата меламина в продукты на основе сульфата кальция, например, снижает усадку гипсовой сердцевины листовой сухой штукатурки при воздействии на изделие из листовой сухой штукатурки высокой температуры. В отличие от микрокремнезема, который эффективен только при температуре выше 600°C, MPP/пирофосфат меламина эффективен уже при температуре около 350°C, когда он испытывает эндотермическое разложение (с выходом фосфорной кислоты) и, следовательно, действует как поглотитель тепла. Также действие MPP приводит к повышению температуры, при которой происходит переход от растворимого к нерастворимому безводному сульфату кальция, что позволяет продукту, таким образом, противостоять усадке, вызванной изменением фазы, при более высоких температурах (около 800°C).

Используемый в описании настоящего изобретения «продукт на основе сульфата кальция» включает в объем понятия листовую сухую штукатурку (с оклеечными листами или без) (с или без усиления волокнистыми материалами), плитки (например, потолочная плитка), панели для обшивки вентиляционных каналов и трубопроводов, материалы для заполнения швов (например, для соединения встык граничащих панелей листовой сухой штукатурки/плиток и тому подобное) и формы для металлического литья.

Продукт на основе сульфата кальция может представлять композитный продукт, например, он может представлять листовую сухую штукатурку с матрицей из гипсовой сердцевины (содержащую устойчивую к усадке штукатурку), расположенную между двумя оклеечными листами (например, оклеечными листами из бумаги или сетками из стекловолокна).

Используемый в описании настоящего изобретения термин «полуводный гипс» относится преимущественно к полугидрату сульфата кальция (CaSO₄⋅2H₂O).

В предпочтительных вариантах воплощения настоящего изобретения MPP используют в качестве устойчивой к усадке добавки. В отличие от APP, который продемонстрировал ускорение отверждения гемигидрата (полуводный гипс) в дигидрат (гипс) гипса, было обнаружено, что MPP не вызывает какого-либо ускорения. Ускорение отверждения нежелательно, поскольку это ограничивает возможный уровень добавления и снижает уровень контроля на предприятии за процессом получения. В действительности было обнаружено, что MPP вызывает небольшое замедление отверждения. Предпочтительно устойчивую к усадке добавку MPP/ пирофосфат меламина вводят в количестве от 0,1 до 20 масс.%, предпочтительно от 1 до 10 масс.%, более предпочтительно от 1 до 5 масс.% и наиболее предпочтительно от 2 до 5 масс.%.

Предпочтительно продукт на основе сульфата кальция не содержит какого-либо стекловолокна. Как правило, стекловолокно используют для формирования механической сетки в гипсе, что способствует сохранению структурной целостности продукта после воздействия на него тепла. Однако авторы настоящего изобретения считают, введение MPP/пирофосфата меламина позволяет снизить усадку за счет такого количества, которое позволяет сохранять структурную целостность без использования стекловолокна.

Продукт на основе сульфата кальция может содержать такие добавки, как ускорители отверждения для нивелирования небольшого замедления отверждения, наблюдаемого при использовании MPP. Ускорители отверждения могут, например, представлять свежеизмельченный гипс с добавлением сахара или поверхностно-активного вещества. Такие ускорители отверждения могут включать Ground Mineral NANSA (GMN), термоустойчивый ускоритель отверждения (HRA) и прошедший помол в шаровой мельнице ускоритель отверждения (BMA). В качестве альтернативы ускоритель отверждения может представлять химическую добавку, такую как сульфат алюминия, сульфат цинка или сульфат калия. В определенных случаях может быть использована смесь ускорителей отверждения, например, GMN в комбинации с сульфатным ускорителем отверждения. В качестве дополнительной альтернативы для ускорения отверждения суспензии может быть использован ультразвук, как описано, например, в US 2010/0136259.

Во втором аспекте настоящее изобретение относится к способу получения продукта на основе сульфата кальция сушкой водной суспензии, содержащей полуводный гипс и устойчивую к усадке добавку, где устойчивая к усадке добавка представляет полифосфат меламина или пирофосфат меламина.

Используемый в описании настоящего изобретения термин «продукт на основе сульфата кальция» включает в объем понятия листовую сухую штукатурку (с оклеечными листами или без) (с или без усиления волокнистыми материалами), плитки (например, потолочная плитка), панели для обшивки вентиляционных каналов и трубопроводов, материалы для заполнения швов (например, для соединения встык граничащих панелей листовой сухой штукатурки/плиток и тому подобное) и формы для металлического литья.

Продукт на основе сульфата кальция может представлять композитный продукт, например он может представлять листовую сухую штукатурку с матрицей из гипсовой сердцевины (содержащую устойчивую к усадке штукатурку), расположенную между двумя оклеечными листами (например, оклеечными листами из бумаги или сетками из стекловолокна).

Используемый в описании настоящего изобретения термин «полуводный гипс» относится преимущественно к полугидрату сульфата кальция (CaSO₄⋅1/2H₂O), но также может включать любое другое соединение сульфата кальция с более низким содержанием связанной воды, чем дигидрат сульфата кальция (например, безводный сульфат кальция).

Предпочтительно устойчивую к усадке добавку MPP/пирофосфат меламина, вводят в суспензию в количестве от 0,1 до 20 масс.%, предпочтительно от 1 до 10 масс.%, более предпочтительно от 1 до 5 масс.% и наиболее предпочтительно от 2 до 5 масс.%.

Предпочтительной устойчивой к усадке добавкой является MPP. Было обнаружено, что в отличие от APP он не вызывает какого-либо ускорения отверждения полуводного гипса.

Предпочтительно продукт на основе сульфата кальция не содержит стекловолокно. Как правило, стекловолокно используют для формирования механической сетки в гипсе, что способствует сохранению структурной целостности продукта после воздействия на него тепла. Однако авторы настоящего изобретения считают, что введение MPP/пирофосфата меламина позволяет снизить усадку, вызванную высокой температурой, до такой степени, что более нет необходимости в использовании стекловолокна. Следовательно, предпочтительно способ включает сушку водной суспензии, содержащей гипс и MPP/пирофосфат меламина при отсутствии неорганических (стекло) волокон.

Способ может включать добавление сетки из стекловолокна в суспензию перед сушкой. Как правило, суспензию сушат в форме. Сетка может быть добавлена наложением ее на поверхность после добавления некоторой части или всей суспензии в форму или может быть уложена на дно формы перед введением суспензии. В случае, когда сетку укладывают в основание пустой формы или накладывают на поверхность суспензии, заполнившей форму, сетка останется на поверхности гипсовой сердцевины. Если ее вводят в форму в случае, когда введена только некоторая часть суспензии, то она будет встроена в гипсовую сердцевину.

Продукт на основе сульфата кальция может содержать добавки, такие как ускорители отверждения. Ускорители отверждения могут, например, представлять свежеизмельченный гипс с добавлением сахара или поверхностно-активного вещества. Такие ускорители отверждения могут включать Ground Mineral NANSA (GMN), термоустойчивый ускоритель отверждения (HRA) и прошедший помол в шаровой мельнице ускоритель отверждения (BMA). В качестве альтернативы ускоритель отверждения может представлять химическую добавку, такую как сульфат алюминия, сульфат цинка или сульфат калия. В определенных случаях может быть использована смесь ускорителей отверждения, например GMN в комбинации с сульфатным ускорителем отверждения. В этих вариантах воплощения настоящего изобретения способ включает сушку водной суспензии, содержащей гипс, MPP/пирофосфат меламина и ускоритель отверждения, необязательно между двумя оклеечными листами, как указано выше. Также вместе с ускорителем отверждения может быть введена сетка из стекловолокна (как указано выше).

В третьем аспекте настоящее изобретение относится к применению полифосфата меламина/пирофосфата меламина в качестве добавки в гипсовую матрицу для снижения усадки продукта на основе сульфата кальция во время воздействия на него тепла. Предпочтительно используемый в качестве добавки для снижения усадки MPP/пирофосфат меламина в композите листовой сухой штукатурки с гипсовой сердцевиной (содержащей MPP/пирофосфат меламина), расположенной между двумя оклеечными листами (например, листами оклеечной бумаги или сетками из стекловолокна).

Предпочтительно количество MPP/пирофосфат меламина, используемого для снижения усадки, в продукте составляет от 0,1 до 20 масс.%, предпочтительно от 1 до 10 масс.%, более предпочтительно от 1 до 5 масс.% и наиболее предпочтительно от 2 до 5 масс.%.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фигуре 1 приведен график усадки площади контрольного образца и MPP образца после нагревания до температуры 1000°C и последующего охлаждения;

На Фигуре 2 приведен график линейной усадки контрольного образца и MPP образца во время нагревания до температуры 1000°C; и

На Фигуре 3 приведен график линейной усадки контрольного образца, MPP образца и образца пирофосфата меламина во время нагревания до температуры 1000°C.

ПРИМЕРЫ

Следующие Примеры приведены только для иллюстрации.

Контрольный образец 1

1500 г штукатурки смешали с 0,1 масс.% (относительно массы штукатурки) измельченного гипса в качестве ускорителя отверждения (GMN - Ground mineral NANSA) и ввели в 1350 г воды с температурой 40°C. Провели перемешивание в течение 10 секунд в большом блендере Уоринга (Waring), полученную в результате суспензию залили в медные формы 100×50×11 мм и 200×200×12,5 мм для отверждения. Менее чем через 10 минут приложили большой палец. При приложении большого пальца надавливали его концом, находящимся на отверждаемом гипсе. Зафиксировали время, когда после приложения достаточного усилия к отвержденному гипсу больше не возникал отпечаток. После выдержки образцы гидратировали в течение часа, затем их переместили в печь с температурой 40°C и оставили там для сушки в течение ночи (по меньшей мере 12 часов).

Контрольный образец 2

1500 г штукатурки смешали с 0,1 масс.% измельченным ускорителем твердения гипса. В 1350 г воды с температурой 40°C диспергировали в течение 10 секунд 0,5 масс.% (от массы штукатурки) (то есть 7,5г) стекловолокна Johns Manville и затем добавили сухую смесь. Провели перемешивание в течение 10 секунд в большом блендере Уоринга (Waring), полученную в результате суспензию залили в медные формы 100×50×11 мм и 200×200×12,5 мм для отверждения. Менее чем через 10 минут приложили большой палец. После выдержки образцы гидратировали в течение часа, затем их переместили в печь с температурой 40°C и оставили там для сушки в течение ночи (по меньшей мере 12 часов).

Образец MPP 1

1500 г штукатурки смешали с 0,3 масс.% (от массы штукатурки) измельченным ускорителем твердения гипса. В 1350 г воды с температурой 40°C диспергировали в течение 10 секунд 2,5 масс.% (от массы штукатурки) MPP и затем добавили сухую смесь. Провели перемешивание в течение 10 секунд в большом блендере Уоринга (Waring), полученную в результате суспензию залили в медные формы 100×50×11 мм и 200×200×12,5 мм для отверждения. Менее чем через 10 минут приложили большой палец. После выдержки образцы гидратировали в течение часа, затем их переместили в печь с температурой 40°C и оставили там для сушки в течение ночи (по меньшей мере 12 часов).

Образец MPP 2

1500 г штукатурки смешали с 0,3 масс.% (от массы штукатурки) измельченным ускорителем твердения гипса. В 1350 г воды с температурой 40°C диспергировали в течение 10 секунд 0,5 % (от массы штукатурки) стекловолокна Johns Manville, 2,5 масс.% MPP (от массы штукатурки) и затем добавили сухую смесь. Провели перемешивание в течение 10 секунд в большом блендере Уоринга (Waring), полученную в результате суспензию залили в медные формы 100×50×11 мм и 200×200×12,5 мм для отверждения. Менее чем через 10 минут приложили большой палец. После выдержки образцы гидратировали в течение часа, затем их переместили в печь с температурой 40°C и оставили там для сушки в течение ночи (по меньшей мере 12 часов).

Образец MPP 3

1500 г штукатурки смешали с 0,5 масс.% (от массы штукатурки) измельченным ускорителем твердения гипса. В 1350 г воды с температурой 40°C диспергировали в течение 10 секунд 5 масс.% MPP (от массы штукатурки) и затем добавили сухую смесь. Провели перемешивание в течение 10 секунд в большом блендере Уоринга (Waring), полученную в результате суспензию залили в медные формы 100×50×11 мм и 200×200×12,5 мм для отверждения. Менее чем через 10 минут приложили большой палец. После выдержки образцы гидратировали в течение часа, затем их переместили в печь с температурой 40°C и оставили там для сушки в течение ночи (по меньшей мере 12 часов).

Образец MPP 4

1500 г штукатурки DSG смешали с 0,5 масс.% (от массы штукатурки) измельченным ускорителем твердения гипса. В 1350 г воды с температурой 40°C диспергировали в течение 10 секунд 0,5% (от массы штукатурки) стекловолокна Johns Manville и 5 масс.% MPP (от массы штукатурки) и затем добавили сухую смесь. Провели перемешивание в течение 10 секунд в большом блендере Уоринга (Waring), полученную в результате суспензию залили в медные формы 100×50×11 мм и 200×200×12,5 мм для отверждения. Менее чем через 10 минут приложили большой палец. После выдержки образцы гидратировали в течение часа, затем их переместили в печь с температурой 40°C и оставили там для сушки в течение ночи (по меньшей мере 12 часов).

Образец 1 пирофосфата меламина

2,5 масс.% пирофосфата меламина (от массы штукатурки) диспергировали в 140 мл водопроводной воды в течение 5 минут при использовании миксера с высоким сдвиговым усилием Ultra-Turrax и затем добавили 200 г штукатурки. Смесь перемешивали вручную в течение 1 минуты, полученную в результате суспензию отлили в гипсовые цилиндры диаметром 12,5 мм. Их переместили в печь с температурой 40°C и оставили там для сушки в течение ночи (по меньшей мере 12 часов).

Для сравнения с этим пирофосфатом меламина получили гипсовые цилиндры a) как указано выше, но без пирофосфата меламина, b) как указано выше, но с 2,5 масс.% MPP вместо пирофосфата меламина и c) как указано выше, но без пирофосфата меламина и 2,0 масс.% (от массы штукатурки) микрокремнезема. Результаты сравнения рассмотрены ниже и приведены на Фигуре 3.

Усадка площади

Для каждого из образцов 100×50×11 мм зафиксировали начальные измерения (длина и ширина) и затем образцы нагрели до температуры около 1000°C в течение более 120 минут (при скорости 20°C/минуту вплоть до около 200°C и далее при постоянно и медленно снижающейся скорости. После охлаждения провели повторное измерение образцов. Усадку площади рассчитали как разницу между начальной площадью образца и подвергшегося тепловому воздействию образца, приведено на Фигуре 1.

Видно, что все образцы, содержащие MPP, показали значительное снижение усадки площади по сравнению с контрольными образцами, не содержащими MPP. Снижение усадки достигается при таком минимальном содержании MPP как 2,5 масс.%. Более того, удвоение количества MPP до 5 масс.% не показало значительного дополнительного снижения усадки площади.

Образцы исследовали на наличие трещин, результаты приведены в Таблице 2 ниже.

Линейная усадка

Измерили линейную усадку образцов 200×200×12,5 мм при использовании керамического стержня, прикрепленного к измерительному преобразователю линейных перемещений. Образцы поддерживали другим керамическим стержнем и нагрели их в печи до температуры 1000°C при начальной скорости около 44°C/минуту вплоть до температуры около 600°C и затем при постоянно и медленно снижающейся скорости (в соответствии с ISO 834), результаты приведены на Фигуре 2.

Видно, что линейная усадка при температуре 1000°C снизилась до около 5% для всех образцов, содержащих MPP. Самое большое снижение линейной усадки наблюдалось у образцов, содержащих 5% MPP. На Фигуре 3 приведены результаты линейной усадки для пирофосфата меламина. Видно, что снижение усадки сравнимо с таковым, полученным при использовании MPP, то есть усадка около 10% сравнима с около 19% у Контрольного образца (без пирофосфата меламина).

Реферат

Настоящее изобретение относится к продуктам на основе сульфата кальция с улучшенной устойчивостью к высоким температурам, например продуктам типа гипсовой листовой сухой штукатурки, и в частности, к продуктам с пониженной усадкой при высоких температурах. Настоящее изобретение относится к продукту на основе сульфата кальция, содержащему гипс и устойчивую к усадке добавку. Устойчивая к усадке добавка представляет полифосфат меламина или пирофосфат меламина. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 ил.

Формула