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1、第十三章石膏板添加料1. 介绍石膏板的基本原料是石膏、水和护面纸。包括各种其他材料;有些是为了降低制造成本，有些是为了提高或保持板材的质量，还有一些是为特殊类型的板材赋予特殊的附加质量。石膏板的主要材料成本为（随市场的价格变动而有差异）：护面纸51%石膏 36%淀粉 4%其它 9%可用于石膏板厂浆体的添加剂包括:- 促凝剂 缓凝剂 淀粉 玻璃纤维 纸浆 木质素磺酸盐 泡沫 硅油 瓜儿豆胶 乳化石蜡 硅粉2. 脱水, 瓦解和水合 生产石膏和石膏板的过程围绕着一个简单的可逆化学反应:CaSO4.2H2O CaSO4.H2O + 1H2O二水硫酸钙 半水硫酸钙 + 水石膏 熟石膏粉 + 水2.1 脱
2、水石膏转化成熟石膏粉的过程是一个脱水过程，称为煅烧，在其他部分也有介绍，但是在这个阶段也要对脱水过程的效果有所了解。除了伴随脱水而来的化学变化，还有物理变化，这些变化对我们的脱水过程的后期有着深远的影响。这些物理变化是由于结合水体积的损失而引起的收缩。石膏的重量约为21%，体积约为50%。在石膏结构中，水分子与硫酸钙分子以平面的形式交替。在半水合物脱水过程中，占据水平面的四分之三的水分流失，石膏颗粒无法改变尺寸以适应体积损失，导致硫酸钙平面出现裂缝。硫酸钙平面的表面进一步出现裂缝(类似于干燥泥浆中出现的六角形裂缝)。这些裂缝的数量、大小和方向与煅烧过程中存在的温度和压力条件有关，具有明显的“指
3、纹”形状，即温度和压力是影响裂缝类型的主要因素。裂纹模式对煅烧问题的诊断有一定的指导意义，但其主要作用是由于石膏颗粒在掺混过程中出现崩解现象，其对水需求量和水化速度的影响。此外，还有一些次要因素会影响裂纹模式发展的性质。这些包括: 石膏纯度 研磨 (粒径分布) 能源的输入 煅烧炉的类型 (类型, 大小, 产量) 可溶性盐类前4个次要因素会影响脱水速率，因此，当主要温度和压力因素定义的裂纹模式形成时，随着脱水速率的变化，裂纹模式可以从数量增加或减少的位点开始。这反过来又会导致或多或少的裂缝，干扰裂缝系统等。可溶性盐也会影响脱水速度，但是以更基本的方式。在许多天然石膏中发现的某些盐类，如氯化物，可
4、以改变原煅烧条件(特别是在分批煅烧过程中，大于0.007%的氯离子水平可以显著降低煅烧温度)。这些盐还会导致煅烧炉内的湿度升高，甚至会在煅烧石膏颗粒表面形成非常短暂的水分膜。这可以在不同程度上导致裂缝的“愈合”。2.2 瓦解当石膏加入水中，当水进入主要裂缝，如沿着原来的水平面，石膏颗粒会立即破裂。随着混合能量的增加，或混合时间的延长，崩解过程继续进行，半水合物颗粒沿着越来越细的裂缝分裂，通过崩解过程在浆体中产生越来越细的颗粒。熟石膏粉崩解的可能性越大，其需水量(需水量)就越高。这是因为随着颗粒的变小，比表面积增大，需要更多的水来充分润滑表面。石膏在新鲜时最容易崩解。当暴露在大气水蒸气中时，裂隙
5、系统开始“愈合”，裂解势和需水量都在逐渐减少。这个过程被称为“老化”。虽然老化过程降低了石膏的需水量(从而降低了干燥成本)，但也会导致石膏凝结时间的改变和强度发展的减少。随着石膏老化，最初的凝结时间延长，然后缩短。2.3 水合2.3.1 水合过程半水石膏在100摄氏度以下的溶解度远大于石膏，在50摄氏度以下的溶解度(即板材厂浆体的正常温度)，这种差异更加明显。这意味着水在溶液中所含半水合物的重量要大于石膏。熟石膏与水混合时，半水合物迅速溶解，形成石膏过饱和的饱和溶液。然后石膏开始沉积，从成核点开始生长，成核点可能是细小的石膏颗粒或作为种子的杂质。石膏晶体以铅笔形棱柱状生长，比宽度或深度长15倍
6、。当石膏结晶时，除非石膏颗粒溶解掉更多的半水合物，否则浆体对半水合物的饱和程度就会降低。因此，更多的半水合物溶解成石膏沉积，因此结晶过程一直持续到石膏完全水化，即直到所有的半水合物都转化成石膏晶体.2.3.2 影响水合率的因素水化反应的速度受到许多因素的影响，包括:- 温度 水化速率随着温度的升高而下降，当温度超过60摄氏度时水化速率就会停止，因此在进入干燥器之前没有完成的水化将会有效地丧失。温度也会影响晶体的大小和形状。 总的比表面积 比表面积越大，半水合物表面的溶解度越快。 水量 水用量越低，半水合物在溶液中的含量就越低，但这通常不是一个实际的考虑因素，因为板材制造中使用的水量相对较高。
7、可溶性盐 许多盐能影响半水合物或石膏的溶解度，并能改变水化速度。盐也会影响晶体的大小和形状(参见后面关于硫酸钾作为促进剂的讨论)。 晶种数量 晶种数量越多，石膏从溶液中析出的速度就越快，因此水化的速度也就越快。2.3.3 水合的影响虽然水化过程正在发生，一些影响是明显的: 浆体变硬，然后逐渐变硬，形成一个固定的质量。 温度的升高 固定质量的膨胀2.3.3.1 凝结时间石膏晶体从晶种点向四面八方生长，形成“球体”(像卷起的刺猬)，逐渐开始相互接触。随着这个过程的继续，水化质量从流动的泥浆变成逐渐硬化的固体。整块实心(如板芯)由针状晶体联锁而成. 在随后的干燥过程中，剩余的饱和石膏溶液将其石膏放置
8、在这些交叉点，并将结构“粘接”在一起，形成一个非常坚固的干燥体。在水化过程的不同阶段，可以对硬度进行任意定义。这可以通过维卡仪设备精确地完成，以确定初始和最终的凝结时间。另一种不太精确的测量，因人而异，是每个人都熟悉的拇指法或成型带定位。在拇指法或维卡仪的终凝时间，水化过程仅完成40% - 60%。 前面描述的影响水化速率的因素也会影响凝结时间。除这些因素外，熟石膏粉存放时间也会影响凝结时间，尤其是在高湿度条件下。在老化过程中，石膏凝固时间先延长后缩短。熟石膏的最终强度主要由添加的再水化石膏含量决定： 纯度 石膏最初有多少 煅烧效率 在低效煅烧过程中，石膏损失了多少 石膏芯密度 在板芯中加入了
9、多少石膏 水合效率 在这个过程中，由于水化作用不充分，石膏损失了 多少许多次要因素可以显著影响强度和凝结时间:- 自由水 水很容易从大气中吸收，只要有1%的游离水分，干石膏的强度就会降低60% 水合速度 水合作用越快，强度越大，虽然这种作用很小。老化的、因而崩解可能性较低的石膏粉显示出这种效果;它们的总水合时间慢，尽管凝结时间快。 水合作用的特性 大多数水合作用是通过前面描述的结晶过程进行的，但也有一些水合作用可以通过“拓扑结构”反应进行。在这里，半水合物颗粒不会进入溶液，而是重新吸收水分，在原地转化为石膏。这通常影响大颗粒石膏在老化的石膏粉。 晶体尺寸和形状 一般来说，晶体越小、越像针，其强
10、度就越大。这是因为存在的晶体越多，晶体接触点的数量就越大，因此强度也就越大。然而，有可能有太多的晶体太小，导致强度下降，这将在后面描述(见种子促凝剂)。最佳晶体形状约为15:1，最佳长度约为15微米。 石膏浆温度 一般来说，降低料浆温度可以得到更小的晶体和更大的强度。 可溶性盐 这可能导致石膏晶体形状和大小的变化。那些可用于石膏板制造的促凝剂会造成强度损失，我们将在后面介绍(见盐促凝剂)。2.3.3.2 温度上升当煅烧(脱水)过程中能量被吸收时，在水化过程中能量被释放，使水化体在凝固过程中温度升高。这种放热反应称为温升设置temperature rise set (TRS)。该反应可用于跟踪水
11、化过程，其方式与硬化速率相同，并且浆体温度随时间的变化由嵌在浆体样品中的热电偶监控，热电偶保存在热绝缘盒中(如聚苯乙烯)。但是，应当指出，温度的上升是重新水化过程的结果，而不是凝固过程的结果。将半水合物再水合回到石膏中而不形成一套是可能的(见第3.3节)。2.3.3.3 膨胀在煅烧过程中，石膏颗粒随着结晶水从硫酸钙层间析出而收缩。水合作用伴随着体积增加或“凝结膨胀”，导致成型带上的板材宽度和长度“增大”。随着凝结膨胀的进行，凝结的石膏块在其表面形成一个吸力，因为空气被吸入，以弥补体积的增加。在制板过程中，这种吸力对湿式粘结剂的发展起着重要作用。3. 促凝剂在石膏工业中，有必要通过适当使用可溶性
12、盐或种子促进剂来控制水化速率和/或石膏晶体生长速率来控制产品的凝结时间。该蛋白质缓凝剂，角蛋白，被纳入底层石膏粉和石灰活化酒石酸和石膏种子促凝剂的组合，以提供逐渐凝固的特点，在石膏结束时。 石膏板行业最常见的促进剂形式是种子促进剂，它为石膏晶体的生长提供成核位点，促进所需的快速浆体凝结和水化特性。理想的石膏板工厂促凝剂需要石膏、水等助剂在搅拌机中充分混合，板材在凝结带上正确成型后才能发挥作用。然后它会迅速形成许多针状石膏晶体。地面石膏与新暴露的表面是一个非常强大的促凝剂和更强大的是更精细的地面。它的效力随着年龄的增长和新暴露石膏表面的愈合而减弱。3.1 早期促凝剂最早的板材工厂使用新鲜的石膏作
13、为促凝剂，并从那里发展到使用“地面固定块”。后一种促凝剂是由石膏/水泥浆块铸造而成，通常约为600毫米300毫米100毫米。一旦它们凝固，就会在专门的干燥室中干燥，并储存到需要的时候。当设备需要石膏块时，将石膏块放置在倾斜的床上，使石膏块压在变速砂轮上，变速砂轮逐渐磨碎新鲜石膏表面，并将石膏块分配到板材设备搅拌机中。事实证明，这种促凝剂的效力非常不稳定，部分原因是人们倾向于在石块完全干燥之前使用它们。湿石膏会使砂轮失效，减少产生的促凝剂数量，并导致热的积累，从而导致部分煅烧和失效。另一种早期的促凝剂叫做微絮凝剂，它是由石膏和水在研磨机上混合而成。石膏和水被连续地喂入一个小管磨的一端，当水合作用
14、发生时，石膏晶体被磨成一种非常细磨的石膏浆。然后将这些浆料直接送入板材厂的搅拌机。整个过程极其嘈杂、混乱(密封泄漏)且缺乏灵活性，新一代促凝剂应运而生。早期促凝剂的主要缺点是，它们立即有效，并导致在混合器中和在板形成完成之前水化。这类促凝剂的典型温升集曲线为:-3.2 现代促凝剂大多数现代石膏板厂促凝剂都是种子型的，使用的是新磨的石膏，石膏表面覆盖了一层材料，以防止新表面的老化和愈合。最早的一种是HRA(耐热加速器)，由石膏和糖一起磨管制成3.2.1 促凝剂在20世纪60年代末/ 70年代初，USG为新型促凝剂申请了专利，该促凝剂在袋装石膏中实现了凝固时间稳定性，甚至在石膏袋装并随后在高温下储
15、存时也是如此。这些促凝剂是由球磨地面石膏和5%到25%的糖在60摄氏度左右的温度下制造的，直到比表面积达到约1000平方米/千克。然后在100到120摄氏度的浅托盘上加热24小时，部分煅烧得到的材料。研究表明，随着石膏颗粒磨得越来越细，砂糖在磨矿过程中部分包裹在石膏颗粒表面，在第二阶段起着抑制煅烧的作用。虽然该促凝剂最初是为行业的袋装石膏面开发的，但在板材工厂进行了测试，发现表面涂层有显著的副作用，即延迟释放。虽然使用大量未涂布的新磨石膏会导致搅拌机过早水化，但涂布的促凝剂似乎直到石膏混合物与水接触几秒钟后才发挥作用。温升凝结时间曲线显示，初始放热很少，随后温度急剧上升，最终凝结时间往往与之前相似然而，由于晶体被压缩到更短的时间内，晶体倾向于以更喜欢的针状形状生
