Ultralydsaccelereret krystallisation af gips

Værd at vide

Produktion af gipsplader

Under fremstillingen af gipsplader fordeles en vandig suspension af kalcineret gips – såkaldt calciumsulfathemihydrat – mellem det øverste og det nederste papirlag. Det produkt, der derved dannes, skal bevæges kontinuerligt på et transportbånd, indtil suspensionen har afbundet. Pladen tørres derefter, indtil det overskydende vand i gipspladen er fordampet. Ved produktion af gipsvægplader er det kendt at tilsætte forskellige stoffer til suspensionen for at forbedre produktionsprocessen eller selve pladen. For eksempel er det almindeligt at reducere suspensionens vægt ved at tilsætte skummidler, som giver en vis indblanding af luft og dermed sænker den færdige vægplades densitet.

Calciumsulfat

Calciumsulfat (eller calciumsulfat) er en uorganisk forbindelse med formlen CaSO₄ og tilhørende hydrater. I den vandfri form som γ-anhydrit anvendes det som et universelt tørremiddel. Et bestemt hydrat af CaSO₄ er kendt som brændt gips. Et andet vigtigt hydrat er gips, som forekommer naturligt som mineral. Især gips anvendes i vid udstrækning til industrielle formål, f.eks. som byggemateriale, fyldstof, i polymerer osv. Alle former for CaSO₄ forekommer som hvide faste stoffer og er kun meget lidt opløselige i vand. Calciumsulfat forårsager permanent hårdhed i vand.
Den uorganiske forbindelse CaSO₄ forekommer i tre hydratiseringsgrader:

• vandfri tilstand (mineralnavn: “anhydrit”) med formlen CaSO₄.
• dihydrat (mineralnavn: “gips”) med formlen CaSO₄(H₂O)₂.
• hemihydrat med formlen CaSO₄(H2₂O)0.5. Specifikke hemihydrater kan skelnes som alfahemihydrat og betahemihydrat.

Hydratiserings- og dehydreringsreaktioner
Ved tilførsel af varme omdannes gips til et delvist dehydreret mineral – det såkaldte calciumsulfathemihydrat, kalcineret gips eller brændt gips. Kalcineret gips har formlen CaSO₄·(nH₂O), hvor 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Temperaturer mellem 100°C og 150°C (212°F – 302°F) er nødvendige for at fjerne det vand, der er bundet i strukturen. Den præcise opvarmningstemperatur og -tid afhænger af den omgivende luftfugtighed. Temperaturer helt op til 170°C (338°F) anvendes til industriel kalcinering. Ved disse temperaturer begynder dannelsen af γ-anhydrit dog. Den varmeenergi, der tilføres gipsen på dette tidspunkt (hydratiseringsvarmen), bruges overvejende til at uddrive vand (som vanddamp) frem for at øge mineralets temperatur, som stiger langsomt, indtil vandet er væk, og derefter stiger hurtigere. Ligningen for den delvise dehydrering er følgende:

Denne reaktions endotermiske egenskab er relevant for gipspladers funktion, idet den giver brandmodstand til boliger og andre bygningskonstruktioner. Ved en brand forbliver konstruktionen bag en gipsplade relativt kølig, mens vand afgives fra gipsen, hvilket forebygger og forsinker skader på den bærende konstruktion (gennem forbrænding af træelementer eller tab af stålets styrke ved høje temperaturer) og deraf følgende sammenstyrtning. Ved højere temperaturer frigiver calciumsulfat ilt og virker dermed som oxidationsmiddel. Denne materialeegenskab anvendes i aluminotermi. I modsætning til de fleste mineraler, som ved rehydratisering blot danner flydende eller halvflydende pastaer eller forbliver pulverformige, har kalcineret gips en usædvanlig egenskab. Når det blandes med vand ved omgivelsestemperatur, omdannes det kemisk tilbage til den foretrukne dihydratform, mens det fysisk “afbinder” til et stift og relativt stærkt gipskrystalgitter som vist i ligningen nedenfor:

Denne eksotermiske reaktion gør det så let at støbe gips i forskellige former, herunder plader til gipsvægge, stænger til tavlekridt og forme (f.eks. til immobilisering af brækkede knogler eller til metalstøbning). Blandet med polymerer er det blevet anvendt som cement til knoglereparation.
Ved opvarmning til 180°C dannes en næsten vandfri form, såkaldt γ-anhydrit (CaSO₄·nH₂O hvor n = 0 til 0,05). γ-Anhydrit reagerer kun langsomt med vand og vender tilbage til dihydrattilstanden, og derfor anvendes det i vid udstrækning som kommercielt tørremiddel. Ved opvarmning til over 250°C opstår den fuldstændigt vandfri form af β-anhydrit. β-Anhydrit reagerer ikke med vand, selv over geologiske tidsskalaer, medmindre det er meget fint formalet.

Puds

Puds er et byggemateriale, der anvendes som beskyttende og/eller dekorativt belægningsmateriale til vægge og lofter samt til at forme, fremstille profiler og støbe dekorative bygningselementer.
Stuk er pudsarbejde, der anvendes til at fremstille reliefdekorationer.
De mest almindelige typer puds formuleres med enten gips, kalk eller cement som hovedingrediens. Puds fremstilles som et tørt pulver (gipspulver). Når pulveret blandes med vand, dannes en stiv, men bearbejdelig pasta. Den eksotermiske reaktion med vand frigiver varme gennem en krystallisationsproces, hvorefter den hydratiserede puds hærder.

Gipspuds

Gipspuds, eller brændt gips, fremstilles ved varmebehandling (ca. 300°F / 150°C) af gips:
CaSO₄·2H₂O + varme → CaSO₄·0.5H₂O + 1.5H₂O (frigives som damp).
Gips kan gendannes ved at blande det tørre pulver med vand. For at igangsætte afbindingen af umodificeret gipspuds blandes det tørre pulver med vand. Efter ca. 10 minutter begynder afbindingsreaktionen, og den afsluttes efter ca. 45 minutter. Fuldstændig afbinding af gips opnås dog efter ca. 72 timer. Hvis puds eller gips opvarmes til over 266°F / 130°C, dannes hemihydrat. Hemihydratpulver kan også omdannes til gips, når det dispergeres i vand.