Ускорена чрез ултразвук кристализация на гипса

Ултразвуковото смесване и диспергиране ускорява кристализацията и реакцията на втвърдяване на гипса (CaSO₄･2H₂O).
Прилагането на мощен ултразвук към гипсовата суспензия ускорява кристализацията и по този начин съкращава времето за втвърдяване.
Освен че се втвърдяват по-бързо, произведените стенни плоскости имат по-ниска плътност.
Ултразвуковото диспергиране на армиращи наноматериали (напр. CNTs, нановлакна или силициев диоксид) в гипса води до висока механична якост и ниска порьозност.

Ултразвук за подобрено производство на гипс

За да се инициира реакцията на втвърдяване на калциевия сулфат хемихидрат с вода, калциевият сулфат хемихидрат трябва да се диспергира равномерно във водата, така че да се получи хомогенна суспензия. Ултразвуковото диспергиране осигурява пълно омокряне на частиците, така че да се постигне пълна хидратация на хемихидрата. Ултразвуковото смесване на гипсовата суспензия съкращава времето за втвърдяване благодарение на ускорената кристализация.
Допълнителни съставки, като ускорители и армиращи наноматериали, също могат да се смесят много равномерно с гипсовата суспензия.

Принцип на действие на ултразвуковото диспергиране

Когато мощен ултразвук се предава в течност или суспензия, възниква кавитация, генерирана от ултразвука. Ултразвуковата кавитация създава локално екстремни условия, включително големи сили на срязване, течни струи, микротурбулентност, високи температури, скорости на нагряване и охлаждане „feat“, както и високи налягания. Тези кавитационни сили на срязване преодоляват силите на свързване между молекулите, така че те се деагломерират и диспергират като отделни частици. Освен това кавитационните течни струи ускоряват частиците, така че те се сблъскват помежду си и по този начин се раздробяват до наноразмери или дори до размера на първичните частици. Това явление е известно като ултразвуково мокро смилане.
Мощният ултразвук създава центрове на кристализация в разтвора, така че се постига ускорена кристализация.
Щракнете тук, за да научите повече за сонокристализацията – кристализацията, подпомагана от ултразвук!

Система с мощен ултразвук за дисперсии с голям обем

Промишлен ултразвуков диспергатор

Ултразвуково диспергиране на добавки

В много химични процеси ултразвуковата обработка се използва за смесване на добавки като забавители на втвърдяването (напр. протеини, органични киселини), модификатори на вискозитета (напр. суперпластификатори), агенти против изгаряне, борна киселина, химикали за водоустойчивост (напр. полисилоксани, восъчни емулсии), стъклени влакна, добавки за повишаване на огнеустойчивостта (напр. вермикулит, глини и/или пирогенен силициев диоксид), полимерни съединения (напр. PVA, PVOH) и други обичайни добавки в състава, за да се подобри съставът на мазилки, втвърдяващи се фугиращи смеси и гипсови цименти и да се съкрати времето му за втвърдяване.
Щракнете тук, за да научите повече за ултразвуковото смесване на добавки!

Промишлени ултразвукови системи

Hielscher Ultrasonics е вашият водещ доставчик на мощни ултразвукови системи за настолни и промишлени приложения. Hielscher предлага мощни и здрави промишлени ултразвукови процесори. Нашият UIP16000 (16kW) е най-мощният ултразвуков процесор в света. Тази ултразвукова система с мощност 16kW обработва лесно големи обеми дори от силно вискозни суспензии (до 10 000cp). Високите амплитуди до 200µm (и по-високи при поискване) гарантират правилната обработка на материала, така че да се постигне желаната степен на диспергиране, деагломерация и смилане. Тази интензивна ултразвукова обработка произвежда суспензии с наночастици за бързо втвърдяване и гипсови продукти с превъзходно качество.
Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява работа 24/7 при големи натоварвания и в тежки условия.
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови устройства:

Обем на партидата	Дебит	Препоръчителни устройства
10 до 2000mL	20 до 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 до 20L	0,2 до 4L/min	UIP2000hdT
10 до 100L	2 до 10L/min	UIP4000
n.a.	10 до 100L/min	UIP16000
n.a.	по-голям	група от UIP16000

Дългогодишният ни опит в ултразвуковата обработка ни помага да консултираме клиентите си от първите проучвания за осъществимост до внедряването на процеса в промишлен мащаб.

Използвайте нашата лаборатория за ултразвукови процеси и техническия ни център за разработване и оптимизиране на вашия процес!

Литература/Източници

Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): Влияние на мощния ултразвук върху течливостта и втвърдяването на пасти от портландцимент; представено на: 17-а международна конференция по строителни материали, 23rd – 26th September 2009, Ваймар.
Rössler, Ch. (2009): Влияние на мощния ултразвук върху течливостта и втвърдяването на циментови суспензии; в: Сборник на 17-а международна конференция по строителни материали ibausil, изд. Finger-Institut für Baustoffkunde, Bauhaus-Universität Weimar, стр. 1 – 0259 – 1 – 0264.
Zhongbiao, Man; Chen, Yuehui; Yang, Miao (2012): Получаване и свойства на композити от нишковидни кристали на калциев сулфат и естествен каучук. Advanced Materials Research, том 549, 2012. 597–600.

Свързани теми

Полезни факти

Производство на гипсокартон

По време на производството на гипсокартон водна суспензия от калциниран гипс – така наречения калциев сулфат хемихидрат – се разстила между горния и долния хартиен лист. Полученият по този начин продукт трябва да се движи непрекъснато по конвейерна лента, докато суспензията се втвърди. След това плоскостта се суши, докато излишната вода в гипсокартона се изпари. При производството на гипсокартонени стенни плоскости е известна практиката да се добавят различни вещества към суспензията, за да се подобри производственият процес или самата плоскост. Например обичайно е теглото на суспензията да се намалява чрез добавяне на пенообразуватели, които осигуряват определена степен на аерация и така намаляват плътността на крайната стенна плоскост.

Калциев сулфат

Калциевият сулфат (на английски calcium sulfate или calcium sulphate) е неорганично съединение с формула CaSO₄ и съответни хидрати. В безводната си форма на γ-анхидрит се използва като универсален изсушител. Определен хидрат на CaSO₄ е известен като парижки гипс. Друг важен хидрат е гипсът, който се среща в природата като минерал. По-специално гипсът се използва широко в промишлени приложения, напр. като строителен материал, пълнител, в полимери и т.н. Всички форми на CaSO₄ представляват бели твърди вещества и са трудноразтворими във вода. Калциевият сулфат причинява постоянна твърдост на водата.
Неорганичното съединение CaSO₄ се среща с три степени на хидратация:

безводно състояние (минерално наименование: „анхидрит“) с формула CaSO₄.
дихидрат (минерално наименование: „гипс“) с формула CaSO₄(H₂O)₂.
хемихидрат с формула CaSO₄(H2₂O)0.5. Различават се специфични хемихидрати, обозначавани като алфа-хемихидрат и бета-хемихидрат.

Реакции на хидратация и дехидратация
При нагряване гипсът се превръща в частично дехидратиран минерал – така наречения калциев сулфат хемихидрат, калциниран гипс или парижки гипс. Калцинираният гипс има формула CaSO₄·(nH₂O), където 0,5 ≤ n ≤ 0,8. За отстраняване на водата, свързана в структурата му, са необходими температури между 100°C и 150°C (212°F – 302°F). Точната температура и времето на нагряване зависят от влажността на околната среда. При промишленото калциниране се прилагат температури до 170°C (338°F). При тези температури обаче започва образуването на γ-анхидрит. Топлинната енергия, подавана към гипса в този момент (топлината на хидратация), се изразходва предимно за отделяне на водата (като водна пара), вместо за повишаване на температурата на минерала, която се повишава бавно, докато водата се отстрани, а след това нараства по-бързо. Уравнението за частичната дехидратация е следното:

Ендотермичният характер на тази реакция е от значение за експлоатационните свойства на гипсокартона, като придава огнеустойчивост на жилищни и други конструкции. При пожар конструкцията зад гипсокартонената плоскост остава относително хладна, тъй като гипсът губи вода, като по този начин се предотвратяват и забавят увреждането на носещата конструкция (чрез изгаряне на дървени елементи или загуба на якост на стоманата при високи температури) и последващото срутване на конструкцията. При по-високи температури калциевият сулфат отделя кислород и така действа като окислител. Това свойство на материала се използва в алуминотермията. За разлика от повечето минерали, които при повторна хидратация просто образуват течни или полутечни пасти или остават прахообразни, калцинираният гипс има необичайно свойство. Когато се смеси с вода при температурата на околната среда, той химически се превръща обратно в предпочитаната дихидратна форма, като същевременно физически се „втвърдява“ в твърда и относително здрава гипсова кристална решетка, както е показано в уравнението по-долу:

Тази екзотермична реакция позволява лесното отливане на гипс в различни форми, включително плоскости за гипсокартонени стени, пръчици тебешир за черни дъски и форми (напр. за обездвижване на счупени кости или за метални отливки). Смесен с полимери, той е използван като цимент за възстановяване на кости.
При нагряване до 180°C се образува почти безводна форма, така нареченият γ-анхидрит (CaSO₄·nH₂O, където n = 0 до 0,05). γ-анхидритът реагира само бавно с водата, за да се върне в дихидратно състояние, поради което се използва широко като изсушител в търговската практика. При нагряване над 250°C се образува напълно безводната форма β-анхидрит. β-анхидритът не реагира с вода дори в геоложки времеви мащаби, освен ако не е смлян много фино.

Мазилка

Мазилката е строителен материал, който се използва като защитно и/или декоративно покритие за стени и тавани, както и за формоване, изработване на профилни декорации и отливане на декоративни строителни елементи.
Щукатурата представлява декоративна мазилка, която се използва за изработване на релефни декорации.
Най-разпространените видове мазилки се приготвят с гипс, вар или цимент като основна съставка. Мазилката се произвежда като сух прах (гипсов прах). Когато прахът се смеси с вода, се образува гъста, но обработваема паста. Екзотермичната реакция с водата отделя топлина чрез процес на кристализация, след което хидратираната мазилка се втвърдява.

Гипсова мазилка

Гипсът за мазилки, или парижкият гипс, се произвежда чрез термична обработка (прибл. 300°F / 150°C) на гипс:
CaSO₄·2H₂O + топлина → CaSO₄·0.5H₂O + 1.5H₂O (отделя се като пара).
Гипсът може да се образува отново чрез смесване на сухия прах с вода. За да започне втвърдяването на немодифицирания гипс за мазилки, сухият прах се смесва с вода. След приблизително 10 минути започва реакцията на втвърдяване, която приключва след приблизително 45 минути. Пълното втвърдяване на гипса обаче се достига след приблизително 72 часа. Ако гипсът за мазилки или гипсът се нагрее над 266°F / 130°C, се образува хемихидрат. Хемихидратният прах също може да се превърне в гипс, когато се диспергира във вода.