Beschleunigte Gipskristallisation durch Ultraschall
- Ultraschall-gestütztes Mischen und Dispergieren beschleunigt die Kristallisation und das Erstarren von Gips (CaSO4･2H2O).
- Das Beschallen der Gips-Slurry beschleunigt die Kristallisation und reduziert dadurch die Abbindezeit.
- Neben einer schnelleren Erstarrung weisen die produzierten Gips-Wandbauplatten zudem eine geringere Dichte auf.
- Durch das Ultraschalldispergieren von verstärkenden Nano-Materialien (z.B. CNTs, Nano-Fibers oder Silica) in der Gips-Slurry wird eine hohe mechanische Festigkeit und geringe Porosität des Gips erreicht.
Ultraschall für eine verbesserte Gipsproduktion
Um die Abbindereaktion von Calcium-Sulfat-Halbhydrat und Wasser auszulösen, muss Calcium-Sulfat-Halbhydrat geichmäßig in Wasser dispergiert werden, so dass eine homogene Slurry entsteht. Durch die Ultraschalldispersion wird sichergestellt, dass die Partikel vollständig mit Wasser benetzt werden, so dass eine komplette Hydratation des Hemihydrats erzielt wird. Das Ultraschallmischen der Gips-Slurry beschleunigt die Trocknungszeit aufgrund der beschleunigten Kristallisation.
Weitere Additive wie Beschleuniger und verstärkende Nanomaterialien lassen sich ebenfalls mittels Ultraschall sehr gleichmäßig in die Gips-Slurry mischen.
Funktionsprinzip des Ultraschalldispergierens
Wenn Hochleistungs-Ultraschall in eine Flüssigkeit oder Suspension eingetragen wird, entsteht Kavitation. Ultraschallkavitation erzeugt lokal extreme Bedingungen, d.h. Flüssigkeitsstrahlen, Mikroturbulenzen, hohe Temperaturen, hohe Scherkräfte, hohe Heiz- und Kühlraten sowie hohe Drücke. Diese Kavitationskräfte und Scherung überwinden die Bindungskräfte zwischen den Molekülen, so dass diese desagglomeriert und als einzelne Partikel in der Slurry dispergiert werden. Die Zudem werden die Partikel durch die kavitations-generierten Flüssigkeitsstrahlen beschleunigt, so dass diese miteinander kollidieren und dabei auf nanoskalige oder Primärpartikelgröße reduziert werden. Dieses Phänomen nennt man Ultraschall-Nassmahlen.
Hochleistungs-Ultraschall generiert Nukleirungskeime in einer Lösung, so dass eine beschleunigte Kristallisation erreicht wird.
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Industrielle Ultraschalldispergierer
Ultraschall-Dispersion von Zuschlagstoffen
Bei vielen chemischen Prozessen wird Ultraschall eingesetzt, um Zusatzstoffe und Spezialaditive wie bspw. Retardatoren (z.B. Proteine, organische Säuren), Viskositätsmodifikatoren (z.B. Superplasticizer), Borsäure, hydrophobe Chemikalien (z.B. Polysiloxane, Wachsemulsionen), Glasfasern, Brandschutzmittel (z.B. Vermiculit, Tone und/oder pyrogenes Silica), Polymerverbindungen (z. B. PVA, PVOH) sowie weitere Additive in die Formulierung einzumischen, um dadurch die Gipsqualität, Fugenfüllern und Gipszement zu verbessern und deren Abbindezeit zu reduzieren.
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industrielle Ultraschallsysteme
Hielscher Ultrasonics ist Ihr Top-Lieferant für Hochleistungs-Ultraschallsysteme für Technikums- und Industrieanwendungen. Hielscher bietet leistungsstarke und robuste Industrie-Ultraschallprozessoren. Unsere UIP16000 (16kW) ist der weltweit leistungsstärkste Ultraschallprozessor. Dieses 16kW-Ultraschallsystem verarbeitet problemlos große und auch hochviskose Slurries (bis 10.000cp). Hohen Amplituden von bis zu 200µm (höher auf Anfrage) stellen sicher, dass das Material intensiv beschallt wird, so dass die gewünschte Dispersion, Desagglomerisation und Vermahlung erreicht wird. Diese intensive Beschallung produziert nano-skalige Gips-Slurries, welche durch schnelle Abbinde-/Erstarrungsraten und qualitativ hochwertige Endprodukte überzeugen.
Die Robustheit der Hielscher Ultraschallsysteme ermöglicht einen 24/7 Betrieb unter starker Belastung sowie in anspruchsvollen Umgebungen.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:
| Batch-Volumen | Durchfluss | Empfohlenes Ultraschallgerät |
|---|---|---|
| 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. | größere | Cluster aus UIP16000 |
Unsere langjährige Erfahrung mit Ultraschallprozessen ermöglicht es uns, unsere Kunden von der ersten Machbarkeitsstudie bis zur erfolgreichen Umsetzung des Prozesses im industriellen Maßstab zu beraten und unterstützen.
Literatur
- 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. 10259 – 10264.
- Zhongbiao, Man; Chen, Yuehui; Yang, Miao (2012): Preparation and properties of calcium sulphate whisker/natural rubber composites. Advanced Materials Research vol. 549, 2012. 597-600.
Wissenswertes
Herstellung von Gipskartonplatten
Bei der Herstellung von Gipskartonplatten wird eine wasser-basierte Slurry aus kalziniertem Gips – dem sogenannten Calcium-Sulfat-Halbhydrat – auf einem Endlosband zwischen zwei Kartonlagen verteilt und auf Plattendicke ausgewalzt. Bis sich der Gipsbrei gesetzt hat, muss das Förderband kontinuierlich bewegt werden. Anschließend wird die Platte getrocknet, so dass das überschüssige Wasser in die Gipsplatte verdunstet kann. Bei der Herstellung von Gipswandplatten werden dem Gipsbrei verschiedene Stoffe hinzugefügt, um den Produktionsprozess oder das Gipskartonprodukt zu verbessern. Treibmittel dienen bspw. dazu, um Luft in den Gipsbrei einzutragne und dadurch das Gewicht des Gipsbreis zu reduzieren.
Calcium-Sulfat
Calcium-Sulfat ist eine anorganische Verbindung mit der Formel CaSO4 sowie damit verbundener Hydrate. In der wasserfreien Form des γ-Anhydrits dient Calcium-Sulfat als universelles Trockenmittel. Ein spezielles CaSO4 -Hydrat ist als Stucco oder Stuckgips bekannt. Ein weiteres wichtiges Hydrat ist Gips, welches als natürliches Mineral auftritt. Gips ist vor allem in industrielle Anwendungen, z.B. als Baumaterial, Füllstoff in Polymere etc. verbreitet. Alle CaSO4 Formen treten als weißer Feststoff auf und sind kaum wasserlöslich. Calcium-Sulfat härtet in Wasser dauerhaft aus.
Die anorganische Verbindung CaSO4 tritt in drei Hydratationsarten auf:
- im wasserfreien Zustand (Mineralname: „Anhydrit“) mit der Formel CaSO4.
- als Dihydrat (Mineralname: „Gips“) mit der Formel CaSO4(H2O)2.
- als Halbhydrat mit der Formel CaSO4(H22(O) 0,5. Hemihydrate können in Alpha-Halbhydrate und Beta-Halbhydrate untergliedert werden.
Hydratations- und Dehydratationsreaktionen
Unter Hitze verwandelt sich Gips in ein teilweise dehydriertes Mineral – das sogenannte Calcium-Sulfat-Halbhydrat oder kalzinierter Gips. Kalzinierter Gips hat die Formel CaSO4·(nH2(O), wobei 0,5 ≤ n ≤ 0,8 gilt. Temperaturen zwischen 100°C und 150°C (212°F – 302°F) sind notwendig, um das in der Gipsstruktur gebundene Wasser zu entfernen. Die genaue Erhitzung und Trockungszeit sind von der Umgebungsluftfeuchtigkeit abhängig. Für die industrielle Kalzinierung von Gips werden Temperaturen bis zu 170°C (338°F) angewendet. Bei diesen Temperaturen setzt jedoch die Bildung von γ-Anhydrit ein. Die Hitzeenergie, die dabei in den Gips eingetragen wird (Hydrationshitze), führt dazu, dass das Wasser verdampft anstatt die Mineraltemperatur zu erhöhen. Dadurch steigt die Mineraltemperatur zunächst nur langsam, bis das Wasser vollständig entzogen ist, und steigt erst dann schneller an. Die Gleichung für die partielle Austrocknung lautet wie folgt:
Diese endotherme Reaktion ist ausschlaggebend für die Qualität von Gipskartonwänden und deren Feuerfestigkeit. Bei einem Brand bleibt die Struktur hinter einer Trockenbauwand relativ kühl, da zunächst das Wasser aus Gips verdampft und dadurch Schäden am Gerüst (z.B. durch Verbrennung von Holzträgern) oder den Verlust der Stahlfestigkeit bei hohen Temperaturen verzögert. Bei höheren Temperaturen setzt Calciumsulfat Sauerstoff frei und fungiert dadurch als Oxidationsmittel. Diese Materialeigenschaft wird in der Aluminothermie genutzt. Während die meisten Mineralien entweder einen flüssigen oder halbflüssigen/pastösen Zustand annehmen, sobald sie wieder hydriert werden, weist kalzinierter Gips eine sehr ungewöhnliche Eigenschaft auf: Wird kalzinierter Gips bei Raumtemperatur wieder mit Wasser gemischt, verwandelt er sich chemisch in die bevorzugte Dihydratform zurück, wobei die physikalische „Erstarrung“ in einem starren und relativ starken Gips-Kristallgitter erfolgt, wie es die unten stehende Gleichung zeigt:
Diese exothermen Reaktion macht es so einfach, Gips in verschiedene Formen, z.B. Gipskarton für Trockenmauern, Tafelkreide und Gussformen zu gießen (z.B. um Knochenbrüche zu immobilisieren oder für Metall-Druckgussteile). Als polymerer Verbundstoff wird Gips als Knochenzement eingesetzt.
Beim Erhitzen auf 180°C entsteht eine fast wasserfreie Form, das sogenannten γ-Anhydrit (CaSO4·nH2O, wobei n=0 bis 0,05). γ-Anhydrit reagiert nur langsam mit Wasser, um in seine Dihydratform zurückzukehren. Daher ist γ-Anhydrit als kommerzielles Trocknungsmittel weit verbreitet ist. Wenn es über 250°C erhitzt wird, verwandelt es sich das völlig wasserfreie β-Anhydrit. β-Anhydrit reagiert auch über geologische Zeiträume nicht mit Wasser, es sei denn, es ist sehr fein gemahlen.
Putz
Gips ist ein Baustoff, der als schützende und/oder dekorative Beschichtung für Wände und Decken sowie für die Gussherstellung dekorativer Bauelemente verwendet wird.
Stucco ist ein Gipsmaterial, das für Stuckarbeiten und Reliefverzierungen eingesetzt wird.
Die häufigsten Putzformulierungen werden mit Gips, Kalk oder Zement als Hauptbestandteile gemischt. Gips wird als trockenes Pulver (Gipspulver) hergestellt. Wenn das Pulver mit Wasser vermischt wird, entsteht eine steife, aber formbare Paste. Durch die exotherme Reaktion mit Wasser wird während der Kristallisationsreaktion Wärme abgegeben, anschließend härtet der hydratisierte Gips aus.
Gipsputz
Gipsputz entsteht durch eine Wärmebehandlung (ca. 300°C/150°C) des Gipsmaterials:
CaSO4·2H2O + Hitze → CaSO4·0,5 H2O + 1,5 H2O (als Dampf freigesetzt).
Gips kann umgeformt werden, indem das trockene Pulver mit Wasser gemischt wird. Um das Abbinden/Aushärten des unmodifizierten Putzes auszulösen, wird das trockene Pulver mit Wasser vermischt. Nach ca. 10 Minuten setzt die Abbindereaktion ein und nach ca. 45 Minuten ist diese abgeschlossen. Allerdings ist eine vollständige Aushärtung des Gipses erst nach ca. 72 Stunden erreicht. Wenn Gips oder Gipsputz über 266°F/130°C erhitzt wird, entsteht ein Halbhydrat. Dieses Halbhydrat-Pulver kann ebenfalls in Gips gewandelt werden, wenn es in Wasser dispergiert wird.