影響紙面石膏板配料工藝的主要因素

邢天鵬，曲生華，吳加鋒

（中國(guó)新型建材設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310022）

0 引言

紙面石膏板是一種具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、隔聲、隔熱、加工性能好、施工方法簡(jiǎn)便等諸多優(yōu)點(diǎn)的建筑裝飾板材，其生產(chǎn)工藝是現(xiàn)代工業(yè)化技術(shù)集成的一個(gè)縮影，配料工序是生產(chǎn)過(guò)程中的核心環(huán)節(jié)。影響紙面石膏板產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素是對(duì)原料質(zhì)量和配料系統(tǒng)的控制，不同來(lái)源的建筑石膏必須輔以相應(yīng)的添加劑和適宜的配料工藝，才能生產(chǎn)出符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的板材。本文從石膏原料、建筑石膏生產(chǎn)工藝、添加劑、計(jì)量設(shè)備和混合設(shè)備等方面分析影響紙面石膏板配料工藝的因素。

1 石膏原料的影響

建筑石膏作為生產(chǎn)紙面石膏板的主要原料，是由天然石膏或工業(yè)副產(chǎn)石膏煅燒而成，目前國(guó)內(nèi)主要以工業(yè)副產(chǎn)石膏為主，而其中又以煙氣脫硫石膏、磷石膏、檸檬酸石膏、鈦石膏、氟石膏最具代表性。用于生產(chǎn)紙面石膏板的石膏原料成分要求如表1所示。

表1 用于生產(chǎn)紙面石膏板的石膏原料成分要求%

脫硫石膏除了用作水泥緩凝劑外，最大的市場(chǎng)就是用于生產(chǎn)紙面石膏板，主要源于其優(yōu)異且穩(wěn)定的性能，脫硫石膏除了CaSO4·2H2O含量普遍超過(guò)90%，還具有有害物質(zhì)含量低的優(yōu)點(diǎn)，因此其對(duì)配料工藝的要求相對(duì)比較簡(jiǎn)單，按照基本配方輔以常規(guī)的計(jì)量設(shè)備就能生產(chǎn)出質(zhì)量?jī)?yōu)異的板材。而磷石膏是濕法磷酸工業(yè)的副產(chǎn)物，由于從磷酸排出裝置產(chǎn)生的硫酸鈣中含有未分解的磷礦和有機(jī)物，對(duì)石膏的利用不利，且穩(wěn)定性較差，預(yù)處理難度大，即便通過(guò)預(yù)處理降低有害物質(zhì)的含量，其水灰比大、快凝和強(qiáng)度低等缺陷，仍需要針對(duì)性地調(diào)整配方、計(jì)量設(shè)備和混合設(shè)備以適應(yīng)磷石膏的需求，同時(shí)由于磷石膏原料的不穩(wěn)定性，配方的包容性和裕度要好，特別是計(jì)量設(shè)備能快速響應(yīng)以適應(yīng)配料系統(tǒng)的調(diào)整。其他如檸檬酸石膏、氟石膏和鈦石膏等，性能更加不穩(wěn)定，基本不用于制備石膏板，主要用于生產(chǎn)石膏砂漿或其他用途。

2 建筑石膏生產(chǎn)工藝

建筑石膏也稱為熟石膏，以β-CaSO4·1/2H2O（HH）為主要成分，不預(yù)加添加劑的粉狀膠結(jié)料，是二水石膏在120～180℃的非飽和蒸汽介質(zhì)中脫水而成。建筑石膏粉的質(zhì)量要求參照GB/T 9776—2008《建筑石膏》，通常用于制備紙面石膏板的建筑石膏粉部分技術(shù)指標(biāo)要求提高，主要技術(shù)要求如表2所示。

表2 用于生產(chǎn)紙面石膏板的建筑石膏技術(shù)要求

生產(chǎn)建筑石膏通常分為2種工藝路線：一步法和兩步法。一步法適用于游離水含量10%左右的石膏，物料經(jīng)輸送系統(tǒng)進(jìn)入煅燒爐內(nèi)經(jīng)機(jī)械打散與熱氣流相匯，由于供熱溫度較高，物料溫度急速上升，表面水汽化后二水石膏很快脫去結(jié)晶水，這個(gè)過(guò)程僅有5～10 s，煅燒后的建筑石膏粉由煅燒爐進(jìn)入氣固分離器進(jìn)行氣固分離。一步法所制建筑石膏粉的產(chǎn)品質(zhì)量隨原料和熱源波動(dòng)會(huì)有較大波動(dòng)，無(wú)水石膏AⅢ和二水石膏DH含量都比較高，AⅢ甚至有時(shí)超過(guò)30%，DH含量高時(shí)超過(guò)5%，需水量大，凝結(jié)時(shí)間短，并且強(qiáng)度明顯降低，需要合理協(xié)同使用促凝劑和緩凝劑，并且適量使用減水劑，在確保強(qiáng)度的同時(shí)達(dá)到合理的“刀凝時(shí)間”，使護(hù)面紙充分潤(rùn)脹后凝結(jié)，確保切斷后石膏板表面不再因紙面濕膨脹而發(fā)生變形。

而兩步法適用于游離水含量大于10%的脫硫石膏，特別是接近或超過(guò)20%的脫硫石膏，與一步法相比，前端主要是干燥，后端是煅燒。優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品質(zhì)量易控制，AⅢ和DH含量均比較低，通常在2%左右，通過(guò)陳化可以進(jìn)一步降低其含量，因此需水量適中，凝結(jié)時(shí)間合適且穩(wěn)定，對(duì)于配料工藝的穩(wěn)定有促進(jìn)作用。

3 添加劑

生產(chǎn)紙面石膏板的輔料除了護(hù)面紙和拌合水以外，主要是幾種常見(jiàn)的添加劑，如粘結(jié)劑、調(diào)凝劑、增強(qiáng)纖維、降容劑和減水劑等，性能優(yōu)異的添加劑能有效彌補(bǔ)建筑石膏性能的不足。

3.1 粘結(jié)劑

紙面石膏板的護(hù)面紙和石膏芯只有牢牢結(jié)合成一個(gè)整體，才能形成板材的強(qiáng)度，這與石膏的水化結(jié)晶、紙的吸水性、粘結(jié)劑的性能和成型工藝都有密切的聯(lián)系，因此粘結(jié)劑的選擇尤為重要。粘結(jié)劑必須滿足溶解于水、加熱溶解時(shí)黏度上升不快、溫度下降時(shí)黏度增大且粘結(jié)力要強(qiáng)、要有從板芯內(nèi)通過(guò)毛細(xì)管作用遷移至表層的能力、不影響其他添加劑的作用等要求。

粘結(jié)劑以改性淀粉為代表，經(jīng)過(guò)改性的淀粉能很好地適應(yīng)紙面石膏板生產(chǎn)的要求，其用量一般控制在0.7%左右（以建筑石膏為基準(zhǔn)），主要技術(shù)要求如表3所示。

表3 改性淀粉的技術(shù)要求

不同原料和不同工藝生產(chǎn)的建筑石膏，例如磷石膏，特別是通過(guò)一步法工藝生產(chǎn)的建筑石膏，性能不穩(wěn)定，需水量大但凝結(jié)時(shí)間快，同時(shí)有害物質(zhì)含量高，改性淀粉遷移至護(hù)面紙與石膏芯界面的總量難以保證，對(duì)板材的護(hù)面紙粘結(jié)性能不利，因此在對(duì)磷石膏預(yù)處理的基礎(chǔ)上，需要通過(guò)增加改性淀粉的用量，其用量往往超過(guò)1%，來(lái)確保護(hù)面紙與石膏芯的粘結(jié)性能。

3.2 調(diào)凝劑

調(diào)凝劑分為促凝劑和緩凝劑2種。促凝劑是通過(guò)提高熟石膏中各相組成的溶解度和溶解速度來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常為強(qiáng)酸及其鹽類，鑒于強(qiáng)酸對(duì)設(shè)備的要求較高，故以強(qiáng)酸強(qiáng)堿鹽類為主，如硫酸鉀。另一種使用磨細(xì)的二水石膏，通過(guò)增加石膏結(jié)晶的晶核數(shù)量來(lái)加快石膏的凝結(jié)，要求其細(xì)度越細(xì)越好，并且最好邊制備邊使用，要求晶形松散，顆粒小，比表面積大，用量一般在1%左右，使用量過(guò)大會(huì)造成板材強(qiáng)度下降。

緩凝劑與促凝劑的作用相反，是通過(guò)降低熟石膏中各相組成的溶解度和溶解速度來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要是在高速生產(chǎn)線上防止料漿在攪拌機(jī)內(nèi)凝固，這樣可以避免板材成型過(guò)程中過(guò)早形成的硬塊導(dǎo)致劃傷紙面或者板面不平整。。通常使用有機(jī)酸（鹽）或無(wú)機(jī)弱酸（鹽），如檸檬酸（鹽）等，多與促凝劑協(xié)同使用，用量嚴(yán)格控制，通常在萬(wàn)分之一左右，防止降低板材強(qiáng)度。

以磷石膏為例，由于其特殊性，需水量大、凝結(jié)快、強(qiáng)度低，不能簡(jiǎn)單使用緩凝劑，需要輔以減水劑，并搭配使用促凝劑和緩凝劑，同時(shí)盡可能減少緩凝劑用量，以避免降低強(qiáng)度。

3.3 增強(qiáng)纖維

為提高石膏芯材的強(qiáng)度和韌性，通常在石膏料漿中添加增強(qiáng)增韌纖維材料，但要確保纖維材料的分散性要好，不能影響板材的密度和粘結(jié)性。纖維材料在石膏結(jié)晶過(guò)種中起到了“拉筋”作用，使板芯強(qiáng)度提高的同時(shí)，具有抗裂性，并使板材有一定的彈性。通常使用紙纖維、木纖維和玻璃纖維，對(duì)纖維材料的要求是：纖維在料漿中的易分散、與料漿的相容性好、纖維長(zhǎng)度最好是板材厚度的0.5～1.5倍。目前使用較多的是玻璃纖維，直徑0.010～0.013 mm，長(zhǎng)度10～15 mm。對(duì)于磷石膏等強(qiáng)度相對(duì)較低的原料，可以適當(dāng)加入增強(qiáng)纖維來(lái)改善板材的韌性和強(qiáng)度。

3.4 降容劑

質(zhì)輕是紙面石膏板的一大特點(diǎn)，在滿足強(qiáng)度要求的前提下，降低板材的體積密度，確保板材輕質(zhì)高強(qiáng)，使石膏芯具有均勻微孔結(jié)構(gòu)、質(zhì)地較松軟，這種性能與使用石膏的純度和物理性能有關(guān)，也與制造工藝技術(shù)有關(guān)。目前使用較多是發(fā)泡劑，是一種表面活性劑，常見(jiàn)的有苯磺酸鹽和烷基磺酸鹽，通過(guò)其與壓縮空氣、水混合發(fā)泡后注入料漿，并與料漿混合均勻，使成型后的板材芯形成大量均勻的孔隙，從而降低石膏板的面密度，降低石膏用量、能耗和生產(chǎn)成本，同時(shí)也可以改善板材脆性，提高板材的保溫性能。主要技術(shù)要求是發(fā)泡效果，泡沫小而均勻，穩(wěn)定性要好，5 min內(nèi)泡沫高度下降不大于5 mm，與石膏不發(fā)生作用，容易儲(chǔ)存不結(jié)晶等。加入石膏料漿中的發(fā)泡劑成泡后，以氣泡狀態(tài)充滿料漿之中，氣泡體積約占石膏料漿的5%～15%，其主要作用是減輕石膏板的自重，從而達(dá)到節(jié)約石膏用量、降低成本的目的，同時(shí)還可以改善板材脆性，提高保溫性能，此外能夠降低石膏板干燥過(guò)程中的蒸發(fā)水量，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

對(duì)于品位較低或強(qiáng)度較低的石膏，如磷石膏，需要謹(jǐn)慎控制發(fā)泡量；品位較高的石膏，如脫硫石膏，可以合理使用發(fā)泡劑在保證強(qiáng)度的前提下達(dá)到實(shí)現(xiàn)降低板材容重的目的。

3.5 減水劑

減水劑是為了降低板材自由水蒸發(fā)能耗、提高料漿流動(dòng)性和加工性，同時(shí)對(duì)板材的凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度也有一定促進(jìn)作用，通常使用的是木質(zhì)纖維素和磺胺類減水劑。對(duì)于磷石膏或者一步法生產(chǎn)的建筑石膏，可以有效降低需水量，以改善其加工性能和提高板材的強(qiáng)度。

4 計(jì)量設(shè)備和混合設(shè)備

紙面石膏板的生產(chǎn)，各個(gè)環(huán)節(jié)是有機(jī)聯(lián)系的，形成了自動(dòng)化的機(jī)械流水作業(yè)線，各工序環(huán)環(huán)相扣，某一個(gè)環(huán)節(jié)出問(wèn)題，則對(duì)整條生產(chǎn)線都會(huì)造成損失，國(guó)內(nèi)外不同規(guī)模的生產(chǎn)線，盡管在原材料性能、設(shè)備選型、電氣控制、自動(dòng)化程度方面有所不同，但其生產(chǎn)工藝路線基本相同，基本的工藝流程如圖1所示。

圖1 紙面石膏板的生產(chǎn)工藝流程

這其中計(jì)量設(shè)備和混合設(shè)備是核心節(jié)點(diǎn)，所有問(wèn)題的反饋和解決都要通過(guò)其表現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)。

（1）建筑石膏計(jì)量供料系統(tǒng)

建筑石膏計(jì)量供料系統(tǒng)，無(wú)論是天然石膏還是工業(yè)副產(chǎn)石膏，或者是一步法還是兩步法生產(chǎn)工藝，都要求確保計(jì)量供料的穩(wěn)定性，主要體現(xiàn)在工藝流程設(shè)計(jì)和設(shè)備選型兩個(gè)方面。

工藝流程設(shè)計(jì)方面，向建筑石膏計(jì)量設(shè)備供料時(shí)，要求供料十分穩(wěn)定，目前成熟的做法是過(guò)盈供料，保證計(jì)量設(shè)備進(jìn)料料壓恒定，確保物料的實(shí)際密度保持恒定。比較經(jīng)典的設(shè)計(jì)是利用一段長(zhǎng)溜管向剛性葉輪給料機(jī)供料，溜管內(nèi)保持相對(duì)恒定的料位，根據(jù)皮帶進(jìn)料端稱重系統(tǒng)的信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)剛性葉輪給料機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，向皮帶秤穩(wěn)定供料，從而確保供料系統(tǒng)的計(jì)量精度和穩(wěn)定性。

設(shè)備選型方面，主要是皮帶秤和向皮帶秤供料的剛性葉輪給料機(jī)，皮帶秤通常要求雙橋稱重，計(jì)量段負(fù)責(zé)給料精度，但計(jì)量段的給料精度又取決于料層的穩(wěn)定性，料層的穩(wěn)定性控制與物料的實(shí)際堆積密度和外形有關(guān)，而這些又與皮帶秤的進(jìn)料控制息息相關(guān)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先皮帶秤的計(jì)量精度要求達(dá)到或接近±0.5%[1]，其次要求向皮帶秤供料的剛性葉輪給料機(jī)不僅密封性要非常好，同時(shí)減少給料脈沖，以滿足料層穩(wěn)定控制的要求。

（2）干添加劑計(jì)量供料系統(tǒng)

紙面石膏板之所以具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、隔聲、隔熱等諸多優(yōu)點(diǎn)，除了建筑石膏本身的優(yōu)點(diǎn)外，很大一方面來(lái)自于外加劑的輔助和改性。除了經(jīng)濟(jì)方面的考慮，不同來(lái)源的石膏原料對(duì)于外加劑需求的用量也有所不同，因而針對(duì)不同生產(chǎn)工藝和不同來(lái)源的建筑石膏，需要合理設(shè)計(jì)外加劑配方，更好地適應(yīng)紙面石膏板的主要原料——建筑石膏。

對(duì)于性能或者生產(chǎn)工藝有缺陷的石膏原料，在配方和設(shè)備上需要有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，部分干添加劑的用量需要增加或者減少，如減水劑、改性淀粉和調(diào)凝劑等，同時(shí)設(shè)備的能力覆蓋范圍也要相應(yīng)的進(jìn)行調(diào)整。設(shè)備的計(jì)量供料精度也要根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮，干添加劑計(jì)量設(shè)備通常使用體積式計(jì)量和稱重式計(jì)量?jī)煞N，目前應(yīng)用比較多的是稱重式計(jì)量，常見(jiàn)的是失重秤，優(yōu)點(diǎn)是計(jì)量精度高且穩(wěn)定，但投資相對(duì)較高。

（3）濕添加劑計(jì)量供料系統(tǒng)

濕添加劑與干添加劑相同，同樣對(duì)紙面石膏板的諸多優(yōu)點(diǎn)起到很多關(guān)鍵性作用。首先是發(fā)泡系統(tǒng)，對(duì)石膏板質(zhì)輕的貢獻(xiàn)作用最大，泡沫的穩(wěn)定性和均勻性直接影響石膏板的發(fā)泡效果，進(jìn)而對(duì)板材的面密度和強(qiáng)度造成影響。不同原料對(duì)發(fā)泡的適應(yīng)性有所不同，部分來(lái)源的建筑石膏如磷石膏、鈦石膏等由于本身標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量較大，發(fā)泡量需要嚴(yán)格控制，以免影響板材的強(qiáng)度。

此外如緩凝劑、分散劑、減水劑、防水劑等，也需要根據(jù)不同來(lái)源的建筑石膏，針對(duì)性地按需計(jì)量供料。如緩凝劑的使用量，磷石膏十分敏感，使其強(qiáng)度大幅度下降，防水劑的使用量，磷石膏本身紙粘結(jié)性能穩(wěn)定性差，防水劑的使用如果過(guò)大容易加劇其紙粘結(jié)穩(wěn)定性變差。

濕添加劑系統(tǒng)目前常用的螺桿泵和電磁流量計(jì)搭配，如發(fā)泡劑、減水劑、分散劑等，對(duì)于導(dǎo)電性較差的濕添加劑使用螺桿泵和質(zhì)量流量計(jì)搭配，如防水劑和有機(jī)質(zhì)類緩凝劑等，此外發(fā)泡系統(tǒng)的壓縮空氣使用調(diào)節(jié)球閥和質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量。

（4）混合設(shè)備

紙面石膏板成型的核心設(shè)備是攪拌機(jī)，建筑石膏、干添加劑、濕添加劑分別經(jīng)計(jì)量后輸送至攪拌機(jī)，在其中混合均勻后，形成均勻的料漿進(jìn)入振動(dòng)臺(tái)平鋪在護(hù)面紙上。

料漿的均勻性和流動(dòng)性直接影響板材的性能，通常對(duì)石膏料漿的稠度、體積密度、凝結(jié)時(shí)間、料漿溫度和碘色反應(yīng)進(jìn)行檢驗(yàn)及控制，料漿的稠度直接關(guān)系濕板的成型效果及成品板的強(qiáng)度，料漿的體積密度決定濕板和干板的面密度、干板強(qiáng)度，料漿的凝結(jié)時(shí)間影響濕板、干板的外觀及濕板的切斷性能，料漿的溫度影響石膏粉的水化速度及板芯強(qiáng)度，碘色反應(yīng)關(guān)系石膏板芯與紙的粘結(jié)性能（改性淀粉的遷移效果）。此外建筑石膏的相組成和混合機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)料漿的性能有十分重要的影響。相同條件下，AⅢ含量高時(shí)，料漿稠度大，凝結(jié)快，板的脆性大；HH含量高時(shí)，料漿的凝結(jié)時(shí)間同樣會(huì)縮短；攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速慢，料漿停留時(shí)間長(zhǎng)，料漿容易結(jié)塊，不僅攪拌機(jī)內(nèi)容易結(jié)塊而且成型時(shí)紙容易卡斷，攪拌速度過(guò)快時(shí)，有促凝效果，嚴(yán)重時(shí)造成排料不暢，料漿外溢。因此，通常要求建筑石膏對(duì)AⅢ和HH含量進(jìn)行控制，特別是對(duì)一步法生產(chǎn)的建筑石膏，必要時(shí)需進(jìn)行陳化，以降低二者的含量，同時(shí)對(duì)攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在合理范圍之內(nèi)，一般在320～400 r/min[2]。

常用攪拌機(jī)分無(wú)針棒式攪拌機(jī)和針棒式攪拌機(jī)2種，無(wú)針棒式攪拌機(jī)的特點(diǎn)是產(chǎn)能大，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單且維護(hù)性好，但混合效果遠(yuǎn)不如針棒式攪拌機(jī)；針棒式攪拌機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，維護(hù)也比較復(fù)雜，但料漿性能優(yōu)異。因此，目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最多的還是針棒式攪拌機(jī)。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）不同來(lái)源的石膏原料，對(duì)配料工藝的要求有所不同，主要是在配方設(shè)計(jì)和計(jì)量設(shè)備的配置2個(gè)方面，需要針對(duì)原料的物性有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）一步法和兩步法所制建筑石膏，其三相組成有明顯差異，一步法所制建筑石膏中AⅢ和HH含量均比較高，需水量大且凝結(jié)快，需要通過(guò)合理搭配使用減水劑和調(diào)凝劑進(jìn)行調(diào)節(jié)，優(yōu)化配料工藝以滿足生產(chǎn)需要。

（3）針對(duì)不同來(lái)源的石膏原料和不同工藝生產(chǎn)的建筑石膏，有針對(duì)性地使用添加劑進(jìn)行改性，在滿足計(jì)量精度的前提下，綜合技術(shù)因素和成本因素合理選擇計(jì)量給料設(shè)備和混料設(shè)備。