Ultrazvučno ubrzana kristalizacija gipsa
- Ultrazvučno miješanje i dispergiranje ubrzava reakciju kristalizacije i vezivanja gipsa (CaSO4･2H2O).
- Primjena ultrazvuka velike snage na suspenziju gipsa ubrzava kristalizaciju i time skraćuje vrijeme vezivanja.
- Osim bržeg vezivanja, proizvedene zidne ploče imaju smanjenu gustoću.
- Ultrazvučno dispergiranje ojačavajućih nanomaterijala (npr. CNT-ova, nanovlakana ili silicijevog dioksida) u gips rezultira visokom mehaničkom čvrstoćom i niskom poroznošću.
Ultrazvuk za poboljšanu proizvodnju gipsa
Da bi se pokrenula reakcija vezivanja kalcijevog sulfata hemihidrata i vode, kalcijev sulfat hemihidrat mora biti ravnomjerno dispergiran u vodi kako bi se pripremila homogena suspenzija. Ultrazvučno dispergiranje osigurava da su čestice potpuno okvašene, tako da se postiže potpuna hidratacija hemihidrata. Ultrazvučno miješanje suspenzije gipsa skraćuje vrijeme vezivanja zbog ubrzane kristalizacije.
Dodatni sastojci, poput ubrzivača i ojačavajućih nanomaterijala, također se mogu vrlo ravnomjerno umiješati u suspenziju gipsa.
Princip rada ultrazvučnog dispergiranja
Kada se ultrazvuk velike snage uvede u tekućinu ili suspenziju, nastaje ultrazvučno generirana kavitacija. Ultrazvučna kavitacija stvara lokalno ekstremne uvjete, uključujući visoke smične sile, mlazeve tekućine, mikroturbulencije, visoke temperature, „feat“ brzine zagrijavanja i hlađenja te visoke pritiske. Te kavitacijske smične sile nadvladavaju veze između molekula, tako da se one deaglomeriraju i dispergiraju kao pojedinačne čestice. Nadalje, čestice se ubrzavaju kavitacijskim mlazevima tekućine, tako da se međusobno sudaraju i pritom razbijaju do nano ili čak primarne veličine čestica. Ta pojava poznata je kao ultrazvučno mokro mljevenje.
Ultrazvuk velike snage stvara mjesta nukleacije u otopini, čime se postiže ubrzana kristalizacija.
Kliknite ovdje da saznate više o sonokristalizaciji – ultrazvučno potpomognutoj kristalizaciji!
Industrijski ultrazvučni disperzer
Ultrazvučno dispergiranje aditiva
U mnogim kemijskim procesima ultrazvučna obrada (sonikacija) koristi se za miješanje aditiva kao što su usporivači (npr. proteini, organske kiseline), modifikatori viskoznosti (npr. superplastifikatori), sredstva protiv sagorijevanja, borna kiselina, kemikalije otporne na vodu (npr. polisiloksani, voštane emulzije), staklena vlakna, pojačivači otpornosti na vatru (npr. vermikulit, gline i/ili pirogeni silicijev dioksid), polimerni spojevi (npr. PVA, PVOH) i drugi uobičajeni aditivi u formulaciju radi poboljšanja formulacije žbuke, masa za spojeve vezivnog tipa i gipsanih cemenata te radi skraćenja njihovog vremena vezivanja.
Kliknite ovdje da saznate više o ultrazvučnom miješanju i umiješavanju aditiva!
Industrijski ultrazvučni sistemi
Hielscher Ultrasonics je vaš vodeći dobavljač ultrazvučnih sistema velike snage za laboratorijske i industrijske primjene. Hielscher nudi snažne i robusne industrijske ultrazvučne procesore. Naš UIP16000 (16kW) je najsnažniji ultrazvučni procesor na svijetu. Ovaj ultrazvučni sistem snage 16kW lako obrađuje velike količine čak i vrlo viskoznih suspenzija (do 10.000cp). Visoke amplitude do 200µm (i veće na zahtjev) osiguravaju da se materijal pravilno obradi, tako da se postiže željeni stepen dispergiranja, deaglomeracije i mljevenja. Ova intenzivna ultrazvučna obrada proizvodi nanočestične suspenzije za brzo vezivanje i vrhunske proizvode od gipsa.
Robusnost ultrazvučne opreme kompanije Hielscher omogućava rad 24/7 pod velikim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima.
Tabela ispod daje orijentacijski pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | klaster uređaja UIP16000 |
Naše dugogodišnje iskustvo u ultrazvučnoj obradi omogućava nam da savjetujemo naše kupce od prvih studija izvodljivosti do implementacije procesa u industrijskom mjerilu.
Literatura/reference
- Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): Utjecaj ultrazvuka velike snage na tečljivost i vezivanje past od portland cementa; na: 17. međunarodna konferencija o građevinskim materijalima 23rd – 26th September 2009, Weimar.
- Rössler, Ch. (2009): Einfluss von Power-Ultraschall auf das Fließ- und Erstarrungsverhalten von Zementsuspensionen; in: Tagungsband der 17. Internationalen Baustofftagung ibausil, Hrsg. Finger-Institut für Baustoffkunde, Bauhaus-Universität Weimar, S. 1 – 0259 – 1 – 0264.
- Zhongbiao, Man; Chen, Yuehui; Yang, Miao (2012): Priprema i svojstva kompozita od viskera kalcijevog sulfata i prirodne gume. Advanced Materials Research vol. 549, 2012. 597-600.
Činjenice vrijedne znanja
Proizvodnja gipsanih ploča
Tijekom proizvodnog procesa gipsanih ploča vodena suspenzija kalciniranog gipsa – takozvanog kalcijevog sulfata hemihidrata – razastire se između gornjeg i donjeg papirnog sloja. Tako nastali proizvod mora se kontinuirano pomicati na transportnoj traci dok se suspenzija ne veže. Ploča se zatim suši dok se višak vode u gipsanoj ploči ne ispari. U proizvodnji gipsanih zidnih ploča poznato je dodavanje raznih tvari u suspenziju radi poboljšanja proizvodnog procesa ili same ploče. Na primjer, uobičajeno je smanjiti težinu suspenzije dodavanjem sredstava za pjenjenje kako bi se postigao određeni stepen aeracije, koji snižava gustoću konačne zidne ploče.
Kalcijev sulfat
Kalcijev sulfat (ili kalcijev sulfat) je anorganski spoj formule CaSO4 i srodnih hidrata. U bezvodnom obliku γ-anhidrita koristi se kao sredstvo za sušenje opće namjene. Određeni hidrat CaSO4 poznat je kao štuk-gips (gips iz Pariza). Drugi važan hidrat je gips, koji se prirodno javlja kao mineral. Gips se posebno široko koristi u industrijskim primjenama, npr. kao građevinski materijal, punilo, u polimerima itd. Svi oblici CaSO4 javljaju se kao bijele čvrste tvari i slabo su topljivi u vodi. Kalcijev sulfat uzrokuje trajnu tvrdoću vode.
Anorganski spoj CaSO4 javlja se u tri stupnja hidratacije:
- bezvodno stanje (naziv minerala: „anhidrit“) formule CaSO4.
- dihidrat (naziv minerala: „gips“) formule CaSO4(H2O)2.
- hemihidrat formule CaSO4(H22O)0.5. Specifični hemihidrati mogu se razlikovati kao alfa-hemihidrat i beta-hemihidrat.
Reakcije hidratacije i dehidratacije
Kada se primijeni toplina, gips prelazi u djelomično dehidratizirani mineral – takozvani kalcijev sulfat hemihidrat, kalcinirani gips ili štuk-gips. Kalcinirani gips ima formulu CaSO4·(nH2O), gdje je 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Temperature između 100°C i 150°C (212°F – 302°F) potrebne su za uklanjanje vode vezane u njegovoj strukturi. Tačna temperatura zagrijavanja i vrijeme zavise od vlažnosti okoline. Za industrijsku kalcinaciju primjenjuju se temperature do 170°C (338°F). Međutim, pri tim temperaturama počinje nastajanje γ-anhidrita. Toplinska energija koja se u ovom trenutku isporučuje gipsu (toplina hidratacije) obično se troši na isparavanje vode (kao vodene pare), umjesto na povećanje temperature minerala, koja polako raste dok se voda ne ukloni, a zatim raste brže. Jednačina za djelomičnu dehidrataciju je sljedeća:
Endotermno svojstvo ove reakcije važno je za performanse suhomontažnih ploča, jer pruža otpornost na vatru stambenim i drugim građevinama. U požaru će konstrukcija iza gipskartonske ploče ostati relativno hladna dok se voda gubi iz gipsa, čime se sprječava i usporava oštećenje okvira (izgaranjem drvenih elemenata ili gubitkom čvrstoće čelika na visokim temperaturama) i posljedični kolaps konstrukcije. Pri višim temperaturama kalcijev sulfat oslobađa kisik i time djeluje kao oksidans. Ta se karakteristika materijala koristi u aluminotermiji. Za razliku od većine minerala, koji pri ponovnoj hidrataciji jednostavno tvore tekuće ili polutekuće paste ili ostaju praškasti, kalcinirani gips ima neobično svojstvo. Kada se pomiješa s vodom na temperaturi okoline, kemijski se vraća u poželjni dihidratni oblik, dok se fizički „veže“ u čvrstu i relativno jaku kristalnu rešetku gipsa, kao što je prikazano u jednačini ispod:
Ova egzotermna reakcija omogućava vrlo lako lijevanje gipsa u različite oblike, uključujući ploče za suhomontažne zidove, štapiće za školsku kredu i kalupe (npr. za imobilizaciju slomljenih kostiju ili za lijevanje metala). Pomiješan s polimerima, korišten je kao cement za popravak kostiju.
Kada se zagrije na 180°C, nastaje gotovo bezvodni oblik, takozvani γ-anhidrit (CaSO4·nH2O gdje je n = 0 do 0,05). γ-anhidrit reagira s vodom samo sporo da bi se vratio u dihidratno stanje, zbog čega se široko koristi kao komercijalno sredstvo za sušenje. Kada se zagrije iznad 250°C, javlja se potpuno bezvodni oblik β-anhidrita. β-anhidrit ne reagira s vodom, čak ni tokom geoloških vremenskih razdoblja, osim ako nije vrlo fino samljeven.
Žbuka
Žbuka je građevinski materijal koji se koristi kao zaštitni i/ili ukrasni oblagaĉki materijal za zidove i stropove te za oblikovanje, izradu profila i lijevanje ukrasnih građevinskih elemenata.
Štuk je žbukarski rad koji se koristi za izradu reljefnih ukrasa.
Najčešće vrste žbuke formuliraju se s gipsom, krečom ili cementom kao glavnim sastojkom. Žbuka se proizvodi kao suhi prah (gipsani prah). Kada se prah pomiješa s vodom, nastaje čvrsta, ali obradiva pasta. Egzotermna reakcija s vodom oslobađa toplinu kroz proces kristalizacije, nakon čega se hidratizirana žbuka stvrdnjava.
Gipsana žbuka
Gipsana žbuka, ili štuk-gips, proizvodi se toplinskom obradom (oko 300°F / 150°C) gipsa:
CaSO4·2H2O + toplina → CaSO4·0.5H2O + 1.5H2O (oslobođena kao para).
Gips se može ponovno formirati miješanjem suhog praha s vodom. Za pokretanje vezivanja nemodificirane žbuke suhi prah se miješa s vodom. Nakon oko 10 minuta počinje reakcija vezivanja, a završava se nakon oko 45 minuta. Međutim, potpuno vezivanje gipsa postiže se nakon oko 72 sata. Ako se žbuka ili gips zagrije iznad 266°F / 130°C, nastaje hemihidrat. Prah hemihidrata može se također pretvoriti u gips kada se dispergira u vodi.