Ultrazvukem urychlená krystalizace sádry
- Ultrazvukové míchání a dispergace urychlují krystalizaci a reakci tuhnutí sádry (CaSO4･2H2O).
- Aplikace výkonového ultrazvuku na sádrovou suspenzi urychluje krystalizaci, a tím zkracuje dobu tuhnutí.
- Kromě rychlejšího tuhnutí vykazují vyrobené stěnové desky také nižší hustotu.
- Ultrazvuková dispergace vyztužujících nanomateriálů (např. CNT, nanovláken nebo oxidu křemičitého) v sádře vede k vysoké mechanické pevnosti a nízké pórovitosti.
Ultrazvuk pro lepší výrobu sádry
Aby byla zahájena reakce tuhnutí hemihydrátu síranu vápenatého s vodou, musí být hemihydrát síranu vápenatého rovnoměrně dispergován ve vodě tak, aby vznikla homogenní suspenze. Ultrazvuková disperze zajišťuje úplné smočení částic, takže je dosaženo úplné hydratace hemihydrátu. Ultrazvukové míchání sádrové suspenze zkracuje dobu tuhnutí díky urychlené krystalizaci.
Do sádrové suspenze lze také velmi rovnoměrně vmíchat další složky, jako jsou urychlovače a vyztužující nanomateriály.
Princip ultrazvukové dispergace
Když je do kapaliny nebo suspenze přenesen vysoce výkonný ultrazvuk, vzniká ultrazvukem generovaná kavitace. Ultrazvuková kavitace vytváří lokálně extrémní podmínky, včetně vysokých smykových sil, kapalinových proudů, mikroturbulencí, vysokých teplot, „feat“ rychlostí ohřevu a chlazení a také vysokých tlaků. Tyto kavitační smykové síly překonávají vazebné síly mezi molekulami, takže dochází k jejich deaglomeraci a dispergaci v podobě jednotlivých částic. Kromě toho jsou částice urychlovány kavitačními kapalinovými proudy, takže se navzájem srážejí a rozbíjejí se až na nanovelikost, nebo dokonce na velikost primárních částic. Tento jev je znám jako ultrazvukové mokré mletí.
Výkonový ultrazvuk vytváří v roztoku nukleační centra, čímž je dosaženo urychlené krystalizace.
Klikněte zde a dozvíte se více o sonokrystalizaci – krystalizaci podporované ultrazvukem!
Průmyslový ultrazvukový dispergátor
Ultrazvuková dispergace přísad
V mnoha chemických procesech se sonikace používá k vmíchání přísad, jako jsou zpomalovače tuhnutí (např. proteiny, organické kyseliny), modifikátory viskozity (např. superplastifikátory), činidla proti spalování, kyselina boritá, hydrofobizační chemikálie (např. polysiloxany, voskové emulze), skleněná vlákna, přísady zvyšující požární odolnost (např. vermikulit, jíly a/nebo pyrogenní oxid křemičitý), polymerní sloučeniny (např. PVA, PVOH) a další běžné přísady, do formulace s cílem zlepšit složení omítek, tuhnoucích spárovacích hmot a sádrových cementů a zkrátit její dobu tuhnutí.
Klikněte zde a dozvíte se více o ultrazvukovém míchání a mísení přísad!
Průmyslové ultrazvukové systémy
Hielscher Ultrasonics je Váš špičkový dodavatel vysoce výkonných ultrazvukových systémů pro stolní i průmyslové aplikace. Hielscher nabízí výkonné a robustní průmyslové ultrazvukové procesory. Náš UIP16000 (16kW) je nejvýkonnější ultrazvukový procesor na světě. Tento 16kW ultrazvukový systém snadno zpracovává velké objemy i vysoce viskózních suspenzí (až 10 000cp). Vysoké amplitudy až 200µm (a na vyžádání i vyšší) zajišťují řádné ošetření materiálu, takže je dosaženo požadované úrovně disperze, deaglomerace a mletí. Tato intenzivní sonikace vytváří nanočásticové suspenze pro vysokou rychlost tuhnutí a vynikající sádrové výrobky.
Robustnost ultrazvukových zařízení společnosti Hielscher umožňuje nepřetržitý provoz 24/7 při vysokém zatížení a v náročných prostředích.
Níže uvedená tabulka Vám poskytuje orientační přehled přibližné zpracovatelské kapacity našich ultrazvukových přístrojů:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | větší | klastr UIP16000 |
Naše dlouholeté zkušenosti s ultrazvukovým zpracováním nám umožňují poskytovat našim zákazníkům poradenství od prvních studií proveditelnosti až po zavedení procesu v průmyslovém měřítku.
Literatura a reference
- Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): Vliv výkonového ultrazvuku na tekutost a tuhnutí portlandských cementových past; v rámci: 17th International Conference on Building Materials 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, muž; Chen, Yuehui; Yang, Miao (2012): Příprava a vlastnosti kompozitů whisker/přírodní kaučuk síranu vápenatého. Pokročilý materiálový výzkum sv. 549, 2012. 597-600.
Užitečná fakta
Výroba sádrokartonových desek
Při výrobě sádrokartonových desek se vodná suspenze kalcinované sádry – takzvaného hemihydrátu síranu vápenatého – rozprostírá mezi horní a spodní papírový list. Takto vytvořený produkt musí být nepřetržitě posouván na dopravníkovém pásu, dokud suspenze neztuhne. Deska se poté suší, dokud se z ní neodpaří přebytečná voda. Při výrobě sádrokartonových stěnových desek je známo, že se do suspenze přidávají různé látky ke zlepšení výrobního procesu nebo samotné desky. Například je obvyklé snižovat hmotnost suspenze přidáním pěnidel, která zajistí určitý stupeň provzdušnění, čímž se sníží hustota výsledné stěnové desky.
Síran vápenatý
Síran vápenatý označuje anorganickou sloučeninu se vzorcem CaSO4 a příbuzné hydráty. V bezvodé formě γ-anhydritu se používá jako univerzální sušidlo. Určitý hydrát CaSO4 je znám jako pálená sádra. Dalším důležitým hydrátem je sádrovec, který se v přírodě vyskytuje jako minerál. Zejména sádrovec se široce využívá v průmyslových aplikacích, např. jako stavební materiál, plnivo, v polymerech atd. Všechny formy CaSO4 jsou bílé pevné látky a ve vodě jsou jen velmi málo rozpustné. Síran vápenatý způsobuje trvalou tvrdost vody.
Anorganická sloučenina CaSO4 se vyskytuje ve třech stupních hydratace:
- bezvodý stav (název minerálu: „anhydrit“) se vzorcem CaSO4.
- dihydrát (název minerálu: „sádrovec“) se vzorcem CaSO4(H2O)2.
- hemihydrát se vzorcem CaSO4(H22O)0.5. Specifické hemihydráty lze rozlišit jako alfa-hemihydrát a beta-hemihydrát.
Hydratační a dehydratační reakce
Při zahřívání se sádrovec přeměňuje na částečně dehydratovaný minerál – takzvaný hemihydrát síranu vápenatého, kalcinovanou sádru neboli pálenou sádru. Kalcinovaná sádra má vzorec CaSO4·(nH2O), kde 0,5 ≤ n ≤ 0,8. K odstranění vody vázané v její struktuře jsou nutné teploty mezi 100°C a 150°C (212°F – 302°F). Přesná teplota a doba zahřívání závisí na okolní vlhkosti. Při průmyslové kalcinaci se používají teploty až 170°C (338°F). Při těchto teplotách však již začíná vznikat γ-anhydrit. Tepelná energie dodávaná sádrovci v této fázi (hydratační teplo) má tendenci se spotřebovávat spíše na vypuzování vody (ve formě vodní páry) než na zvyšování teploty minerálu, která stoupá pomalu, dokud voda nezmizí, a poté roste rychleji. Rovnice částečné dehydratace je následující:
Endotermní povaha této reakce je významná pro vlastnosti sádrokartonu, protože obytným i jiným stavbám propůjčuje požární odolnost. Při požáru zůstává konstrukce za sádrokartonovou deskou relativně chladná, protože sádrovec ztrácí vodu, čímž se předchází poškození nosné konstrukce (hořením dřevěných prvků nebo ztrátou pevnosti oceli za vysokých teplot) a následnému zřícení stavby, případně se toto poškození zpomaluje. Při vyšších teplotách síran vápenatý uvolňuje kyslík, a působí tak jako oxidační činidlo. Této materiálové vlastnosti se využívá v aluminotermii. Na rozdíl od většiny minerálů, které po rehydrataci jednoduše tvoří tekuté nebo polotekuté pasty, případně zůstávají práškovité, má kalcinovaná sádra neobvyklou vlastnost. Po smíchání s vodou při okolní teplotě se chemicky vrací do preferované dihydrátové formy, přičemž fyzikálně „tuhne“ do pevné a relativně odolné krystalové mřížky sádrovce, jak ukazuje následující rovnice:
Tato exotermní reakce velmi usnadňuje odlévání sádry do různých tvarů, včetně desek pro sádrokartony, tyčinek školní křídy a forem (např. pro znehybnění zlomených kostí nebo pro odlévání kovů). Ve směsi s polymery byla používána jako cement pro opravu kostí.
Při zahřátí na 180°C vzniká téměř bezvodá forma, takzvaný γ-anhydrit (CaSO4·nH2O, kde n = 0 až 0,05). γ-Anhydrit reaguje s vodou za návratu do dihydrátového stavu jen pomalu, a proto se široce používá jako komerční sušidlo. Při zahřátí nad 250°C vzniká zcela bezvodá forma β-anhydritu. β-anhydrit s vodou nereaguje ani v geologických časových měřítcích, pokud není velmi jemně namlet.
Omítka
Omítka je stavební materiál, který se používá jako ochranný a/nebo dekorativní povrchový materiál pro stěny a stropy a k modelování, tvarování a odlévání dekorativních stavebních prvků.
Štuk je omítkářská práce, která se používá k vytváření reliéfních dekorací.
Nejběžnější typy omítek se připravují buď ze sádry, vápna, nebo cementu jako hlavní složky. Omítka se vyrábí jako suchý prášek (sádrový prášek). Po smíchání prášku s vodou vzniká tuhá, ale zpracovatelná pasta. Exotermní reakce s vodou uvolňuje teplo prostřednictvím krystalizačního procesu a hydratovaná omítka poté tvrdne.
Sádrová maltovina
Sádrová maltovina neboli pálená sádra se vyrábí tepelnou úpravou (přibl. 300°F / 150°C) sádrovce:
CaSO4·2H2O + teplo → CaSO4·0.5H2O + 1.5H2O (uvolňuje se jako pára).
Sádrovec lze znovu vytvořit smícháním suchého prášku s vodou. Pro zahájení tuhnutí nemodifikované sádrové maltoviny se suchý prášek smíchá s vodou. Přibližně po 10 minutách začíná reakce tuhnutí, která je dokončena přibližně po 45 minutách. Úplného ztuhnutí sádry je však dosaženo přibližně po 72 hodinách. Je-li sádrová maltovina nebo sádrovec zahřát nad 266°F / 130°C, vzniká hemihydrát. Hemihydrátový prášek lze rovněž přeměnit na sádrovec, je-li dispergován ve vodě.