多层天花板砖的制作方法

本领域涉及多层非织造材料及其形成方法，并且更具体而言，涉及可用于形成具有可接受的声吸收特性的吸音面板的成本更低的多层非织造材料。为了方便起见，本发明在下文参考吸音天花板砖进行描述。

背景技术：

典型的吸音天花板砖是包括由基纤维、填料和粘合剂制造的核的非织造结构。基纤维通常为矿物纤维例如矿棉、纤维玻璃等等。填料通常为珍珠岩、粘土、碳酸钙或如可来源于再循环新闻用纸的纤维素纤维。粘合剂通常为纤维素纤维、淀粉、胶乳或类似材料。在干燥后，粘合剂与其他材料形成粘合，以形成为核提供结构刚性的纤维网络。为了用作典型的天花板砖，核应是基本上平坦和自支撑的，以便悬浮于典型的天花板砖网格或相似结构中。

吸音天花板砖可使用如美国专利5,558,710中所述的水制毡(water-felting)过程进行制造，该专利的教导并入本文。矿棉和轻骨料的稀释水性分散体的水制毡是用于制造吸音天花板砖的商业过程。在这个过程中，矿棉、轻骨料、粘合剂以及根据需要或必需的其他成分的分散体流动到移动多孔支撑线(例如Fourdrinier或Oliver垫形成机器的那种)上，用于脱水。分散体首先通过重力且随后为真空吸引工具脱水；湿垫在热对流干燥烘箱中进行干燥，并且将干燥材料切割至所需尺寸，并且任选用涂料进行顶部涂布，以产生吸音天花板砖和面板。

多年来，吸音天花板砖还已通过例如美国专利1,769,519中所述的湿浆模塑或浇铸过程进行制备，该专利的教导以引用的方式并入。根据该专利的教导，制备包含粒状矿棉纤维、填料、着色剂和粘合剂特别是淀粉凝胶的模塑组合物，用于模塑或浇铸砖的本体。这种混合物或组合物置于合适的托盘上，所述托盘已用纸或金属箔覆盖，且随后用刮杆或滚筒将组合物刮平至所需厚度。装饰表面例如细长裂缝可由刮杆或滚筒提供。填充有矿棉浆或组合物的托盘随后置于烘箱中，以使组合物干燥或固化。干燥片从托盘取出且可在一个或两个面上进行处理，以提供平滑表面，以获得所需厚度且防止翘曲。片随后切割成所需大小的砖。

与由纤维玻璃材料形成的天花板砖结合，非织造层可使用如转让给本专利申请的受让人的美国专利8,563,449中具体描述的气流成网加工进行制备，该专利的教导以引用的方式并入。玻璃纤维通常提供有适合于气流成网加工的短尺寸或长度，并且比矿棉纤维相对更贵。如一般理解的，矿棉纤维不同于玻璃纤维和陶瓷纤维。

如本文使用的，“气流成网”指任何方法或制造过程，其中各种成分悬浮于空气或其他气流中，且优选在多孔线网或其他多孔载体表面上形成网、垫或絮。网形成过程包括网形成材料在载体网上的计量或调节的气动流或流化流，其中伴随来自下方的真空辅助，它可保留在絮或非织造垫形式中。为此，过程可包括下述步骤：(a)原料分散和共混，(b)将原料计量且进料至头箱，(c)通过设置在多孔网或载体上，气流成网形成原料，(e)加热和冷却，(f)任选压延，(g)任选层压，和(h)整理网。

纤维玻璃网的形成包括如通过粘附或热粘合的固结。粘附粘合可包括应用不连续酚醛树脂、胶乳或其他合适的胶粘剂，以使纤维彼此结合。热粘合考虑了并入合成粘合纤维，例如具有聚乙烯和聚丙烯的一般的双组分纤维。热粘合可利用烘箱加热、压延或两者。在所有情况下，粘附或粘合对砖噪声降低系数值具有很少的作用或无作用。

对于适合于吸音天花板砖应用的非织造结构，它们一般满足关于噪声降低的各种工业标准和建筑规范。例如，工业标准通常根据ASTM C423指定吸音天花板砖具有至少约0.55的噪声降低系数(NRC)。

测量NRC的详细方法在ASTM C423中概述。NRC由0至1.00之间的数目表示，其指示所吸收声音的百分比。例如，具有0.60的NRC值的吸音面板将吸收60％的声音且使40％的声音偏转。测试声吸收特性的另一种方法是估计NRC(eNRC)，所述eNRC使用更小的样品尺寸经由如ASTM E1050-98中详述的阻抗管进行测量。

由本专利申请的受让人拥有的美国专利6,443,256公开了矿棉双层天花板砖，其中基垫或基层具有低矿棉含量，并且表面层具有高矿棉含量。基垫指示为含有5-25重量％的矿棉，并且表面层含有70-90重量％的矿棉。任一层或两个层中的其他成分指示为包括染料、颜料、无机填料、抗氧化剂、表面活性剂、防水剂、阻燃剂等等。砖通过水制毡过程进行制备，并且指示为提供至少约0.50的噪声降低系数(NRC)。

技术实现要素：

本发明提供了具有改善的声吸收特性的多层吸音砖及其制备方法，其中砖层具有选择为在降低的总体成本下实现改善的噪声抑制的独特特性。例如，砖可具有使用矿物纤维层例如矿棉形成的基层和由纤维玻璃形成的表面层，含或不含顶部稀松布层或其他透声且一般连续的涂层，所述涂层不干扰所需声学特性。

在优选实施例中，砖包括含有矿棉作为主要纤维组分的至少一个层和含有纤维玻璃作为主要纤维组分的至少另一层。如本文使用的，“主要”指示按重量计超过约一半或50％，除非上下文另有说明。每层还可含有如本领域已知的常规添加剂和填料。

已发现纤维玻璃层应放置邻近砖的在矿棉层之前的面对房间的一侧，以便获得纤维玻璃的完全声学利益，包括层厚度和声吸收之间的优选关系。更具体而言，已发现总体砖噪声降低系数与纤维玻璃层的厚度线性相关，并且至少约0.55的砖噪声降低系数(NRC)值可用纤维玻璃层和矿棉层的慎重选择和大小选择来实现。

此外，本发明可提供多层吸音砖，其中层之一抑制特定频率的噪声，并且层中的另一个抑制互补频率的噪声。例如，纤维玻璃层已发现吸收高频声波例如800–1600Hz，其趋于由甚至相对薄(例如约0.2”厚)的矿棉层反射。以这种方式，层和砖提供了所需总体噪声降低系数，其可设计为适应特定应用环境。

一般地，认为与矿物纤维的直径和长度中的更大变化以及矿棉纤维层构造中的纤维阵列的更大不规则性相比较，气流成网纤维玻璃层中玻璃纤维的更大和更均匀的直径(例如范围为约3至约15微米)和纤维的更均匀阵列改善噪声降低系数。由于其更低的垫密度和更低的空气阻力，气流成网纤维玻璃层被认为也增强噪声吸收。此外，与矿棉纤维的不同纤维直径相比较，玻璃纤维以均匀大小的挤出促进在单一频率处的共振和声吸收。因此，纤维玻璃层更容易通过设计总层尺寸来实现所需和均匀的噪声吸收特征。

根据本发明的方法，可形成多层砖的层且随后在进一步的加工步骤中连接。矿棉层可在水制毡或浇铸过程中形成，并且纤维玻璃层可在气流成网过程中形成。分开和潜在远程制备的矿棉和纤维玻璃层可随后在层压、针刺、粘附和/或组合过程中连接。例如，在具有两个主要层的砖中，基层和表面层可在层压过程中连接，随后为层的分开形成。基层和表面层可各自使用不同的纤维和制造过程形成。另一方面，纤维玻璃层可在序贯连接的水制毡过程和气流成网过程中直接在矿棉层上形成。

在一个实施例中，吸音砖包括矿棉纤维层和纤维玻璃层，所述矿棉纤维层具有包含按重量计至少约50％矿棉纤维的纤维含量，具有范围为约1/4”或更多(例如最高达5/8”)的层厚度，所述纤维玻璃层在范围为约1/4”至约1”的层厚度，具有包含按重量计至少约50％玻璃纤维的纤维含量。矿棉层比纤维玻璃层更致密，并且天花板砖具有基本上由矿棉层和纤维玻璃层提供的总厚度。天花板砖具有至少约0.55的噪声降低系数(NRC)值。

矿棉纤维层或基层配制为具有约8磅/英尺³至约20磅/英尺³的密度。如果矿棉层是基层，则它通常比一个或多个纤维玻璃层更致密，并且作为基层，将提供砖的主要结构刚性和强度。纤维玻璃层可以约1磅/英尺³至约20磅/英尺³的密度形成。

矿棉层中的成分的相对量可改变，但制剂选择为提供比一个或多个相关层成本更低的矿棉层或基层组成，在所述一个或多个相关层中，纤维组分主要是玻璃纤维。此外，纤维玻璃材料趋于使用有机粘合剂，从而导致VOC排放。此类VOC排放根据本发明通过使用具有淀粉粘合剂的矿棉材料得到降低。

砖的厚度一般通过矿棉层和纤维玻璃层的总厚度提供，因为存在的任何稀松布、面网或连续涂布层的厚度仅为总砖厚度的小百分比(例如1或2％)。相应地，砖厚度基本上等于矿棉层和纤维玻璃层的厚度总和。砖的总厚度范围可为约0.375”至约1.625”。

附图说明

图1是示出关于纤维玻璃层的测定的噪声降低系数的图表，所述纤维玻璃层具有不同的厚度，含和不含稀松布或面网覆盖物；

图2是示出关于矿棉层的测定的噪声降低系数的图表，所述矿棉层具有不同的厚度且具有在其中延伸的孔和裂缝；

图3是示出关于基本上恒定厚度的矿棉层的测定的噪声降低系数的图表，所述矿棉层层压至不同厚度的纤维玻璃的表面层；

图4是示出关于不同厚度的矿棉基层的测定的噪声降低系数的图表，所述矿棉基层层压至不同厚度的纤维玻璃表面层；

图5是示出关于不同厚度的纤维玻璃基层的测定的噪声降低系数的图表，所述纤维玻璃基层层压至不同厚度的矿棉表面层；和

图6是示出关于相对薄的矿棉表面层的测定的噪声降低系数的图表，所述矿棉表面层置于纤维玻璃基层上。

具体实施方式

在本文中，多层砖的制备参考层压制备过程的使用进行描述，所述层压制备过程使用对砖的总体声吸收具有很少的作用或无作用的不连续粘附层。为此，使用商购可得的砖是方便的，所述砖被切割并层压在一起以形成所需的多层砖。砖中的一些可包括如下所述去除或维持的稀松布层。

目前，在建筑产品市场，由Chicago,Illinois,United States of America的USG Interiors,Inc.(USG)(本专利申请的受让人)可获得的吸音天花板砖使能够构建根据本发明具有矿棉层和纤维玻璃层的多层砖。矿棉砖的例子包括在商标Radar^TM和Mars^TM下由USG推向市场的那些。纤维玻璃面板的一个例子是由USG销售的品牌面板。这些砖中的一些包括层压非织造稀松布(在其他术语中，在本领域中也称为面层、覆层、面网和薄纱)，其在如下所述的本发明的多层砖的制备中被保留或去除。吸音面板的各个层通过用热固性粘合剂或胶乳胶粘剂结合矿棉或纤维玻璃(可视情况而定)而形成。

Radar^TM品牌砖是具有5/8"厚度和下述组成的水毡(water-felted)渣棉或矿棉纤维面板。

如本文使用的，Radar^TM品牌砖不具有背衬，并且它以完全5/8”厚度提供，具有额定13磅/英尺³的重量，并且切割或层压以提供更小或更大厚度的层。矿棉纤维的直径在实质范围上改变，例如0.25至20微米，并且纤维中的大多数在直径3至4微米的范围内。矿物纤维的长度范围为约1mm至约8mm。

品牌砖由USG使用气流成网纤维玻璃垫和纤维玻璃非织造稀松布进行制备，由Owens Corning of Toledo,Ohio USA供应。稀松布如下所述被保留或去除。

如本文使用的，品牌砖以一英寸的完全厚度提供，具有额定5磅/英尺³的重量，并且如报告的切割或层压以提供更小或更大厚度的层。玻璃纤维直径在约8至约12微米的范围内，并且纤维长度在约5mm至约15mm的范围内。

最初，如下所述，对于由和Radar^TM品牌砖制备的纤维玻璃层和矿棉层测量关于测定的NRC和层厚度的基线。为此，制备具有所需测试厚度的纤维玻璃层和矿棉层，并且从层中切割四英寸直径的圆形样品，用于根据ASTM E1050-98在阻抗管中的eNRC测量。

在纤维玻璃的情况下，使用品牌天花板砖，以1/4”尺寸增量制备厚度范围为约1/2"至2英寸的一系列测试层。另外，制备3和4英寸厚的样品，并且如下文报告的进行评估。

天花板砖以1英寸厚度可获得，并且通过从砖的背面切割适当材料制备更薄的样品。对于大于1英寸的厚度，使用由St.Paul,Minnesota,United States of America的3M Company销售的3M^TM SUPER 77^TM多用途气溶胶胶粘剂，将切割的纤维玻璃层加入层的背侧。胶粘剂作为气溶胶应用，并且形成被认为对总体噪声吸收提供很少的作用或无作用的不连续层。样品含和不含在暴露的表面层上的最终面网稀松布进行测试。面网稀松布是具有约15至约30g/英尺²的重量的非织造纤维玻璃薄片层。

参考图1，报告了纤维玻璃层测试的结果。噪声降低系数随着厚度一直到约两英寸厚度而增加，并且其后进一步的厚度增加具有可忽略不计的效应。如所示的，eNRC不受稀松布的存在显著影响，但它看起来的确提供最低限度的增加。

矿棉层的声吸收特性以约1/4厚度增量进行评估，范围为约1/4"至约11/4"厚，含和不含稀松布。在这种情况下，Radar^TM品牌矿棉样品水毡形成且整理，以含有孔和裂缝。对于比较目的，使用与上文描述相同的气溶胶胶粘剂和技术，将稀松布应用于样品中的一些的暴露表面。

参考图2，图解报告了矿棉测试结果。矿棉层展示随着厚度增加而增加的声吸收，其方式与图1的纤维玻璃层相似。由于与纤维玻璃层相比较矿棉层增加的密度和减少的孔隙率，在更小的厚度实现最大限度声吸收。这被认为与由于在一定厚度后声波不能穿透层的无限eNRC的概念相关。因而，增加的厚度被认为对声吸收和测量的eNRC值没有作用。随着气流阻力增加，实现无限eNRC所需的厚度减少。

参考图3，评估纤维玻璃层厚度增加对5/8”厚的矿棉基质的噪声吸收的作用。使用本文描述的切割和层压技术，使用层压至1/4”、1/2"、3/4"和一英寸厚的纤维玻璃表面层的5/8”厚的矿棉基层制备测试样品。另外，制备对于每个纤维玻璃层厚度具有减少0.1”和0.2”的矿棉层厚度的样品，以便导致各自含有如图3中所示的三个数据点的四个亚组。对于每个样品测定噪声降低系数，并且结果连同一英寸厚的纤维玻璃对照的性能一起在图3中图解报告。

如图3中报告的，如通过每个亚组内的三个数据点的比较所示，矿棉层的厚度增加导致eNRC的最低限度增加。然而，如通过数据点的四个亚组的比较所示，纤维玻璃层的厚度增加获得噪声吸收和噪声降低系数(eNRC)的显著增加。

根据本发明，通过使用更便宜的矿棉纤维层提供的成本节省不导致噪声吸收的可比较的减少。例如，应当了解可比较的噪声降低系数值通过更便宜的本发明构造实现。即，类似的噪声降低系数值通过组合1 1/2"或1”厚的纤维玻璃表面层与5/8”厚的矿棉基层来提供。

进一步参考图3，1”厚的纤维玻璃层对5/8”厚的矿棉层的应用使eNRC增加至大于约1.0。与1”厚的纤维玻璃层对照相比较，这对应于eNRC的20.69％增加。类似地，3/4"纤维玻璃和5/8”矿棉层压件eNRC值几乎匹配一英寸厚的对照。以这种方式，纤维玻璃层的噪声吸收特性被保留，并且总体砖成本通过使用相对更便宜的矿棉层得到降低。

参考图4，报告了增加纤维玻璃表面层的厚度对所选择厚度的矿棉基层的作用。为了这个目的，制备了层压件A到F系列。每个系列的层压件具有选择的恒定厚度的矿棉基层，并且基层层压至逐渐增厚的纤维玻璃表面层。关于层压件A-F的基层厚度分别等于0.4”、0.5”、0.6”、0.75”、1.0”和1.2”。每个基层用具有1/4”、1/2”、3/4”和1”厚度的纤维玻璃表面层进行测试。使用上述切割和层压技术制备层。

测量关于层压件各自的噪声降低系数(eNRC)，并且针对总层压件厚度进行标绘，如图4中所示。关于每个层压件的最小总厚度数据点对应于矿棉基层单独的eNRC值。

进一步参考图4，图表显示了在纤维玻璃表面层的噪声降低系数值和厚度之间的线性关系。即，噪声降低系数值响应纤维玻璃层的厚度的增加而线性增加。使用最小二乘法，下文报告了通过数据点A到F的每个系列的曲线斜率。为了说明的清楚起见，附图中仅显示了通过数据点B绘制的曲线B’和通过数据点F绘制的曲线F’。(曲线A’、C’、D’和E’未示出。)

关于每个曲线的平均斜率为0.481633，标准差为0.020404，并且R平方值在0.99范围内。因此，关于线性关系的等式为：

eNRC＝0.481633(纤维玻璃的厚度)+基质的eNRC。

等式和计算可如下简化，以提供工作设计近似值：

eNRC＝0.5(纤维玻璃的厚度)+基质的eNRC。

这使能够使用与更便宜的矿棉基层组合的对于所需声吸收适当厚度的纤维玻璃表面层，设计且生产具有所需噪声降低系数值和成本降低的砖。

参考图5，评估矿棉作为在砖构造中的纤维玻璃之前的面对房间的表面或暴露表面的放置。矿棉层通过切割Radar^TM品牌砖进行制备。砖和矿棉层具有看起来不延伸穿过整个原始砖厚度的孔和裂缝。以这种方式，制备具有0.18”、0.26”、0.31”、0.40”和0.56”厚度的矿棉层。制备具有1/4”、1/2”、3/4”和1”厚度的纤维玻璃层，并且使用上述技术层压至矿棉层各自。制备样品用于如上所述的阻抗管测试。

如图5中所示，对于0.56”厚的矿棉层，纤维玻璃层的厚度不影响测定的噪声降低。这被认为是由于矿棉的高空气阻力，从而导致声波的反射，并且因此声波不能穿透矿棉。

小于0.50”的矿棉厚度展示与纤维玻璃层厚度的有限相关，被认为起因于穿过矿棉层的声波。相应地，还检测到随着纤维玻璃厚度增加的噪声吸收增加。对于接近约0.26或更少的矿棉厚度，看起来在纤维玻璃厚度和声吸收之间存在关联。

进一步参考图5，应当了解矿棉目前比纤维玻璃更便宜，并且存在关于使前者的厚度达到最大的经济优先选择。

矿棉在纤维玻璃之前的放置还在图6中进行评估。图6涉及放置在1”厚的纤维玻璃层之前的0.18”厚的矿棉层的频率和测定的噪声降低系数。曲线A、B和C包含对于这些样品测定的平均数据。如所示的，噪声吸收系数在更高频率下减少。这种减少被认为显示在更高频率可进入纤维玻璃层且被吸收之前，0.18”厚的矿棉足以反射它们。这还通过虚线曲线证实，所述虚线曲线显示不含干扰矿棉层的纤维玻璃层的预期性能。更具体而言，纤维玻璃层的特征在于在约800至1600Hz之间的基本上恒定的吸收系数。

应显而易见的是本公开内容作为例子，并且可通过添加、修饰或消除细节作出各种变化，而不背离本公开内容中含有的教导的合理范围。本发明因此并不限于本公开内容的具体细节，除了到下述权利要求必须如下受限的程度之外。