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

（中國新型建材設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310022）

0 引言

紙面石膏板是一種具有質(zhì)輕、高強、隔聲、隔熱、加工性能好、施工方法簡便等諸多優(yōu)點的建筑裝飾板材，其生產(chǎn)工藝是現(xiàn)代工業(yè)化技術(shù)集成的一個縮影，配料工序是生產(chǎn)過程中的核心環(huán)節(jié)。影響紙面石膏板產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素是對原料質(zhì)量和配料系統(tǒng)的控制，不同來源的建筑石膏必須輔以相應的添加劑和適宜的配料工藝，才能生產(chǎn)出符合相關(guān)標準要求的板材。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90%，還具有有害物質(zhì)含量低的優(yōu)點，因此其對配料工藝的要求相對比較簡單，按照基本配方輔以常規(guī)的計量設(shè)備就能生產(chǎn)出質(zhì)量優(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物，對石膏的利用不利，且穩(wěn)定性較差，預處理難度大，即便通過預處理降低有害物質(zhì)的含量，其水灰比大、快凝和強度低等缺陷，仍需要針對性地調(diào)整配方、計量設(shè)備和混合設(shè)備以適應磷石膏的需求，同時由于磷石膏原料的不穩(wěn)定性，配方的包容性和裕度要好，特別是計量設(shè)備能快速響應以適應配料系統(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)進入煅燒爐內(nèi)經(jīng)機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，這個過程僅有5～10 s，煅燒后的建筑石膏粉由煅燒爐進入氣固分離器進行氣固分離。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會有較大波動，無水石膏AⅢ和二水石膏DH含量都比較高，AⅢ甚至有時超過30%，DH含量高時超過5%，需水量大，凝結(jié)時間短，并且強度明顯降低，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，在確保強度的同時達到合理的“刀凝時間”，使護面紙充分潤脹后凝結(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，通過陳化可以進一步降低其含量，因此需水量適中，凝結(jié)時間合適且穩(wěn)定，對于配料工藝的穩(wěn)定有促進作用。

3 添加劑

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

3.1 粘結(jié)劑

紙面石膏板的護面紙和石膏芯只有牢牢結(jié)合成一個整體，才能形成板材的強度，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、加熱溶解時黏度上升不快、溫度下降時黏度增大且粘結(jié)力要強、要有從板芯內(nèi)通過毛細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)過改性的淀粉能很好地適應紙面石膏板生產(chǎn)的要求，其用量一般控制在0.7%左右（以建筑石膏為基準），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)時間快，同時有害物質(zhì)含量高，改性淀粉遷移至護面紙與石膏芯界面的總量難以保證，對板材的護面紙粘結(jié)性能不利，因此在對磷石膏預處理的基礎(chǔ)上，需要通過增加改性淀粉的用量，其用量往往超過1%，來確保護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。促凝劑是通過提高熟石膏中各相組成的溶解度和溶解速度來實現(xiàn)，通常為強酸及其鹽類，鑒于強酸對設(shè)備的要求較高，故以強酸強堿鹽類為主，如硫酸鉀。另一種使用磨細的二水石膏，通過增加石膏結(jié)晶的晶核數(shù)量來加快石膏的凝結(jié)，要求其細度越細越好，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，使用量過大會造成板材強度下降。

緩凝劑與促凝劑的作用相反，是通過降低熟石膏中各相組成的溶解度和溶解速度來實現(xiàn)，主要是在高速生產(chǎn)線上防止料漿在攪拌機內(nèi)凝固，這樣可以避免板材成型過程中過早形成的硬塊導致劃傷紙面或者板面不平整。。通常使用有機酸（鹽）或無機弱酸（鹽），如檸檬酸（鹽）等，多與促凝劑協(xié)同使用，用量嚴格控制，通常在萬分之一左右，防止降低板材強度。

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

3.3 增強纖維

為提高石膏芯材的強度和韌性，通常在石膏料漿中添加增強增韌纖維材料，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)晶過種中起到了“拉筋”作用，使板芯強度提高的同時，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，長度10～15 mm。對于磷石膏等強度相對較低的原料，可以適當加入增強纖維來改善板材的韌性和強度。

3.4 降容劑

質(zhì)輕是紙面石膏板的一大特點，在滿足強度要求的前提下，降低板材的體積密度，確保板材輕質(zhì)高強，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，常見的有苯磺酸鹽和烷基磺酸鹽，通過其與壓縮空氣、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，從而達到節(jié)約石膏用量、降低成本的目的，同時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程中的蒸發(fā)水量，達到節(jié)能減排的目的。

對于品位較低或強度較低的石膏，如磷石膏，需要謹慎控制發(fā)泡量；品位較高的石膏，如脫硫石膏，可以合理使用發(fā)泡劑在保證強度的前提下達到實現(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、提高料漿流動性和加工性，同時對板材的凝結(jié)時間和強度也有一定促進作用，通常使用的是木質(zhì)纖維素和磺胺類減水劑。對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度。

4 計量設(shè)備和混合設(shè)備

紙面石膏板的生產(chǎn)，各個環(huán)節(jié)是有機聯(lián)系的，形成了自動化的機械流水作業(yè)線，各工序環(huán)環(huán)相扣，某一個環(huán)節(jié)出問題，則對整條生產(chǎn)線都會造成損失，國內(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

這其中計量設(shè)備和混合設(shè)備是核心節(jié)點，所有問題的反饋和解決都要通過其表現(xiàn)和實現(xiàn)。

（1）建筑石膏計量供料系統(tǒng)

建筑石膏計量供料系統(tǒng)，無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，都要求確保計量供料的穩(wěn)定性，主要體現(xiàn)在工藝流程設(shè)計和設(shè)備選型兩個方面。

工藝流程設(shè)計方面，向建筑石膏計量設(shè)備供料時，要求供料十分穩(wěn)定，目前成熟的做法是過盈供料，保證計量設(shè)備進料料壓恒定，確保物料的實際密度保持恒定。比較經(jīng)典的設(shè)計是利用一段長溜管向剛性葉輪給料機供料，溜管內(nèi)保持相對恒定的料位，根據(jù)皮帶進料端稱重系統(tǒng)的信號自動調(diào)節(jié)剛性葉輪給料機的旋轉(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，皮帶秤通常要求雙橋稱重，計量段負責給料精度，但計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際堆積密度和外形有關(guān)，而這些又與皮帶秤的進料控制息息相關(guān)。要實現(xiàn)這一目標，首先皮帶秤的計量精度要求達到或接近±0.5%[1]，其次要求向皮帶秤供料的剛性葉輪給料機不僅密封性要非常好，同時減少給料脈沖，以滿足料層穩(wěn)定控制的要求。

（2）干添加劑計量供料系統(tǒng)

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

對于性能或者生產(chǎn)工藝有缺陷的石膏原料，在配方和設(shè)備上需要有針對性的設(shè)計，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，同時設(shè)備的能力覆蓋范圍也要相應的進行調(diào)整。設(shè)備的計量供料精度也要根據(jù)實際情況綜合考慮，干添加劑計量設(shè)備通常使用體積式計量和稱重式計量兩種，目前應用比較多的是稱重式計量，常見的是失重秤，優(yōu)點是計量精度高且穩(wěn)定，但投資相對較高。

（3）濕添加劑計量供料系統(tǒng)

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

此外如緩凝劑、分散劑、減水劑、防水劑等，也需要根據(jù)不同來源的建筑石膏，針對性地按需計量供料。如緩凝劑的使用量，磷石膏十分敏感，使其強度大幅度下降，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搭配，如發(fā)泡劑、減水劑、分散劑等，對于導電性較差的濕添加劑使用螺桿泵和質(zhì)量流量計搭配，如防水劑和有機質(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)量流量計進行計量。

（4）混合設(shè)備

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

料漿的均勻性和流動性直接影響板材的性能，通常對石膏料漿的稠度、體積密度、凝結(jié)時間、料漿溫度和碘色反應進行檢驗及控制，料漿的稠度直接關(guān)系濕板的成型效果及成品板的強度，料漿的體積密度決定濕板和干板的面密度、干板強度，料漿的凝結(jié)時間影響濕板、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度，碘色反應關(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的轉(zhuǎn)速對料漿的性能有十分重要的影響。相同條件下，AⅢ含量高時，料漿稠度大，凝結(jié)快，板的脆性大；HH含量高時，料漿的凝結(jié)時間同樣會縮短；攪拌機的轉(zhuǎn)速慢，料漿停留時間長，料漿容易結(jié)塊，不僅攪拌機內(nèi)容易結(jié)塊而且成型時紙容易卡斷，攪拌速度過快時，有促凝效果，嚴重時造成排料不暢，料漿外溢。因此，通常要求建筑石膏對AⅢ和HH含量進行控制，特別是對一步法生產(chǎn)的建筑石膏，必要時需進行陳化，以降低二者的含量，同時對攪拌機的轉(zhuǎn)速控制在合理范圍之內(nèi)，一般在320～400 r/min[2]。

常用攪拌機分無針棒式攪拌機和針棒式攪拌機2種，無針棒式攪拌機的特點是產(chǎn)能大，結(jié)構(gòu)相對簡單且維護性好，但混合效果遠不如針棒式攪拌機；針棒式攪拌機結(jié)構(gòu)相對復雜，維護也比較復雜，但料漿性能優(yōu)異。因此，目前國內(nèi)外應用最多的還是針棒式攪拌機。

5 結(jié)語

（1）不同來源的石膏原料，對配料工藝的要求有所不同，主要是在配方設(shè)計和計量設(shè)備的配置2個方面，需要針對原料的物性有針對性地進行設(shè)計。

（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，需要通過合理搭配使用減水劑和調(diào)凝劑進行調(diào)節(jié)，優(yōu)化配料工藝以滿足生產(chǎn)需要。

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