Beschleunigte Gipskristallisation durch Ultraschall
- Das Mischen und Dispergieren mit Ultraschall beschleunigt die Kristallisation und die Abbindereaktion von Gips (CaSO4･2H2O).
- Der Einsatz von Leistungsultraschall in der Gipssuspension beschleunigt die Kristallisation und verkürzt dadurch die Abbindezeit.
- Neben einem schnelleren Abbinden weisen die hergestellten Wandbauplatten eine geringere Dichte auf.
- Das Dispergieren verstärkender Nanomaterialien (z.B. CNTs, Nanofasern oder Siliziumdioxid) in Gips mittels Ultraschall führt zu hoher mechanischer Festigkeit und geringer Porosität.
Ultraschall zur Verbesserung der Gipsherstellung
Um die Abbindereaktion von Calciumsulfat-Halbhydrat und Wasser einzuleiten, muss Calciumsulfat-Halbhydrat gleichmäßig in Wasser dispergiert werden, sodass eine homogene Suspension entsteht. Das Dispergieren mit Ultraschall gewährleistet eine vollständige Benetzung der Partikel, sodass eine vollständige Hydratation des Halbhydrats erreicht wird. Das Mischen der Gipssuspension mit Ultraschall verkürzt die Abbindezeit durch eine beschleunigte Kristallisation.
Auch weitere Inhaltsstoffe wie Beschleuniger und verstärkende Nanomaterialien lassen sich sehr gleichmäßig in die Gipssuspension einmischen.
Funktionsprinzip des Dispergierens mit Ultraschall
Wird Hochleistungsultraschall in eine Flüssigkeit oder Suspension eingekoppelt, entsteht ultraschallinduzierte Kavitation. Ultraschallkavitation erzeugt lokal extreme Bedingungen, darunter hohe Scherkräfte, Flüssigkeitsstrahlen, Mikroturbulenzen, hohe Temperaturen, hohe Heiz- und Kühlraten sowie hohe Drücke. Diese kavitationsbedingten Scherkräfte überwinden die Bindungskräfte zwischen Molekülen, sodass diese deagglomeriert und als einzelne Partikel dispergiert werden. Darüber hinaus werden Partikel durch die kavitationsbedingten Flüssigkeitsstrahlen beschleunigt, sodass sie miteinander kollidieren und dadurch bis auf Nano- oder sogar Primärpartikelgröße zerkleinert werden. Dieses Phänomen ist bekannt als Ultraschall-Nassmahlen.
Leistungsultraschall erzeugt Kristallisationskeime in der Lösung, wodurch eine beschleunigte Kristallisation erreicht wird.
Klicken Sie hier, um mehr über Sonokristallisation – die ultraschallunterstützte Kristallisation – zu erfahren!
Industrieller Ultraschalldispergierer
Dispergieren von Additiven mit Ultraschall
In vielen chemischen Prozessen wird die Ultraschallbehandlung eingesetzt, um Additive wie Verzögerer (z.B. Proteine, organische Säuren), Viskositätsmodifikatoren (z.B. Hochleistungsfließmittel), Mittel gegen das Verbrennen, Borsäure, wasserabweisende Chemikalien (z.B. Polysiloxane, Wachsemulsionen), Glasfasern, Zusätze zur Erhöhung des Feuerwiderstands (z.B. Vermiculit, Tone und/oder pyrogene Kieselsäure), polymere Verbindungen (z.B. PVA, PVOH) und andere herkömmliche Additive in die Rezeptur einzumischen, um die Rezepturen von Putz, abbindenden Fugenspachtelmassen und Gipszementen zu verbessern und deren Abbindezeit zu verkürzen.
Klicken Sie hier, um mehr über das Mischen und Einmischen von Additiven mit Ultraschall zu erfahren!
Industrielle Ultraschallsysteme
Hielscher Ultrasonics ist Ihr führender Anbieter von Hochleistungsultraschallsystemen für Anwendungen mit Tischgeräten und industrielle Anwendungen. Hielscher bietet leistungsstarke und robuste industrielle Ultraschallprozessoren. Unser UIP16000 (16kW) ist der leistungsstärkste Ultraschallprozessor weltweit. Dieses 16kW-Ultraschallsystem verarbeitet problemlos große Volumina selbst hochviskoser Suspensionen (bis zu 10.000cp). Hohe Amplituden von bis zu 200µm (auf Anfrage auch höher) gewährleisten eine sachgerechte Behandlung des Materials, sodass der gewünschte Dispergier-, Deagglomerations- und Zerkleinerungsgrad erreicht wird. Diese intensive Beschallung erzeugt Suspensionen mit nanoskaligen Partikeln für schnelles Abbinden und hochwertige Gipsprodukte.
Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:
| Chargenvolumen | Volumenstrom | Empfohlene Geräte |
|---|---|---|
| 10 bis 2000mL | 20 bis 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20L | 0,2 bis 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100L | 2 bis 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | höher | Verbund aus UIP16000 |
Unsere langjährige Erfahrung in der Ultraschallverarbeitung ermöglicht es uns, unsere Kunden von ersten Machbarkeitsstudien bis zur Umsetzung des Prozesses im industriellen Maßstab zu beraten.
Literatur/Quellen
- Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): Influence of Power-Ultrasound on the Fluidity and Setting of Portland Cement Pastes; at: 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, Man; Chen, Yuehui; Yang, Miao (2012): Preparation and properties of calcium sulphate whisker/natural rubber composites. Advanced Materials Research, Bd. 549, 2012. S. 597–600.
Wissenswertes
Herstellung von Gipskartonplatten
Bei der Herstellung von Gipskartonplatten wird eine wässrige Suspension aus gebranntem Gips – sogenanntem Calciumsulfat-Halbhydrat – zwischen der oberen und unteren Papierbahn verteilt. Das dabei entstehende Produkt muss kontinuierlich auf einem Förderband bewegt werden, bis die Suspension abgebunden hat. Anschließend wird die Platte getrocknet, bis das überschüssige Wasser in der Gipskartonplatte verdampft ist. Bei der Herstellung von Gipskartonplatten ist es üblich, der Suspension verschiedene Stoffe zuzusetzen, um den Herstellungsprozess oder die Platte selbst zu verbessern. Beispielsweise wird das Gewicht der Suspension üblicherweise durch die Zugabe von Schaumbildnern verringert, die einen gewissen Luftanteil erzeugen und dadurch die Dichte der fertigen Wandbauplatte senken.
Calciumsulfat
Calciumsulfat (englisch „calcium sulfate“ oder „calcium sulphate“) ist eine anorganische Verbindung mit der Formel CaSO4 und zugehörigen Hydraten. In der wasserfreien Form als γ-Anhydrit wird es als universelles Trockenmittel verwendet. Ein bestimmtes Hydrat von CaSO4 ist als Stuckgips bekannt. Ein weiteres wichtiges Hydrat ist Gips, der in der Natur als Mineral vorkommt. Insbesondere Gips wird häufig für industrielle Anwendungen eingesetzt, z.B. als Baustoff, Füllstoff, in Polymeren usw. Alle Formen von CaSO4 liegen als weiße Feststoffe vor und sind in Wasser schwer löslich. Calciumsulfat verursacht eine permanente Wasserhärte.
Die anorganische Verbindung CaSO4 kommt in drei Hydratationsstufen vor:
- wasserfreier Zustand (Mineralname: „Anhydrit“) mit der Formel CaSO4.
- Dihydrat (Mineralname: „Gips“) mit der Formel CaSO4(H2O)2.
- Halbhydrat mit der Formel CaSO4(H22O)0.5. Als spezifische Halbhydrate lassen sich Alpha-Halbhydrat und Beta-Halbhydrat unterscheiden.
Hydratations- und Dehydratationsreaktionen
Bei Wärmezufuhr wandelt sich Gips in ein teilweise dehydratisiertes Mineral um – das sogenannte Calciumsulfat-Halbhydrat, auch gebrannter Gips oder Stuckgips genannt. Gebrannter Gips hat die Formel CaSO4·(nH2O), wobei 0,5 ≤ n ≤ 0,8 gilt. Temperaturen zwischen 100°C und 150°C (212°F – 302°F) sind erforderlich, um das in seiner Struktur gebundene Wasser zu entfernen. Die genaue Erhitzungstemperatur und -dauer hängen von der Umgebungsfeuchtigkeit ab. Bei der industriellen Kalzinierung werden Temperaturen von bis zu 170°C (338°F) eingesetzt. Bei diesen Temperaturen beginnt jedoch die Bildung von γ-Anhydrit. Die dem Gips zu diesem Zeitpunkt zugeführte Wärmeenergie (die Hydratationswärme) wird überwiegend zum Austreiben des Wassers als Wasserdampf genutzt, statt die Temperatur des Minerals zu erhöhen. Diese steigt langsam an, bis das Wasser entfernt ist, und nimmt danach schneller zu. Die Gleichung für die teilweise Dehydratation lautet wie folgt:
Der endotherme Charakter dieser Reaktion ist für die Eigenschaften von Gipskartonplatten von Bedeutung und verleiht Wohngebäuden und anderen Bauwerken Feuerwiderstand. Bei einem Brand bleibt die Konstruktion hinter einer Gipskartonplatte relativ kühl, da Wasser aus dem Gips freigesetzt wird. Dadurch werden Schäden an der Tragkonstruktion (durch Verbrennen von Holzbauteilen oder Festigkeitsverlust von Stahl bei hohen Temperaturen) und ein daraus folgender Einsturz verhindert beziehungsweise verzögert. Bei höheren Temperaturen setzt Calciumsulfat Sauerstoff frei und wirkt dadurch als Oxidationsmittel. Diese Materialeigenschaft wird in der Aluminothermie genutzt. Im Gegensatz zu den meisten Mineralien, die bei erneuter Hydratation lediglich flüssige oder halbflüssige Pasten bilden oder pulverförmig bleiben, besitzt gebrannter Gips eine ungewöhnliche Eigenschaft. Wird er bei Umgebungstemperatur mit Wasser gemischt, wandelt er sich chemisch wieder in die bevorzugte Dihydratform um, während er physikalisch zu einem starren und relativ festen Gipskristallgitter „abbindet“, wie in der folgenden Gleichung dargestellt:
Diese exotherme Reaktion ermöglicht es, Gips auf einfache Weise in verschiedene Formen zu gießen, darunter Platten für den Trockenbau, Stäbchen für Tafelkreide und Formkörper (z.B. zur Ruhigstellung gebrochener Knochen oder als Formen für Metallguss). Mit Polymeren gemischt wurde er als Zement zur Knochenreparatur eingesetzt.
Beim Erhitzen auf 180°C entsteht eine nahezu wasserfreie Form, der sogenannte γ-Anhydrit (CaSO4·nH2O mit n = 0 bis 0,05). γ-Anhydrit reagiert nur langsam mit Wasser unter Rückbildung des Dihydrats und wird daher häufig als handelsübliches Trockenmittel verwendet. Beim Erhitzen auf über 250°C entsteht die vollständig wasserfreie Form des β-Anhydrits. β-Anhydrit reagiert selbst über geologische Zeiträume hinweg nicht mit Wasser, es sei denn, er ist sehr fein gemahlen.
Putz
Putz ist ein Baustoff, der als schützende und/oder dekorative Beschichtung für Wände und Decken sowie zum Formen und Gießen dekorativer Bauelemente verwendet wird.
Stuck bezeichnet Putzarbeiten zur Herstellung von Reliefverzierungen.
Die gebräuchlichsten Putzarten enthalten Gips, Kalk oder Zement als Hauptbestandteil. Putz wird als trockenes Pulver (Gipspulver) hergestellt. Wird das Pulver mit Wasser gemischt, entsteht eine steife, aber verarbeitbare Paste. Die exotherme Reaktion mit Wasser setzt durch einen Kristallisationsprozess Wärme frei; anschließend erhärtet der hydratisierte Putz.
Gipsputz
Gipsputz beziehungsweise Stuckgips wird durch eine Wärmebehandlung (ca. 300°F / 150°C) von Gips hergestellt:
CaSO4·2H2O + Wärme → CaSO4·0.5H2O + 1.5H2O (als Wasserdampf freigesetzt).
Gips kann durch Mischen des trockenen Pulvers mit Wasser erneut gebildet werden. Um das Abbinden von unmodifiziertem Gips einzuleiten, wird das trockene Pulver mit Wasser gemischt. Nach ca. 10 Minuten setzt die Abbindereaktion ein und ist nach ca. 45 Minuten abgeschlossen. Vollständig abgebunden ist der Gips jedoch erst nach ca. 72 Stunden. Wird Gipsputz oder Gips auf über 266°F / 130°C erhitzt, bildet sich Halbhydrat. Auch Halbhydratpulver kann durch Dispergieren in Wasser in Gips umgewandelt werden.