Επιταχυνόμενη κρυστάλλωση γύψου με υπερήχους

Στοιχεία που αξίζει να γνωρίζετε

Παραγωγή γυψοσανίδας

Κατά τη διαδικασία παραγωγής γυψοσανίδας, ένας υδατικός πολτός πυρωμένης γύψου – του λεγόμενου ημιένυδρου θειικού ασβεστίου – απλώνεται ανάμεσα στο επάνω και το κάτω φύλλο χαρτιού. Το προϊόν που δημιουργείται με αυτόν τον τρόπο πρέπει να μετακινείται συνεχώς πάνω σε μεταφορική ταινία μέχρι να πήξει ο πολτός. Στη συνέχεια, η πλάκα ξηραίνεται μέχρι να εξατμιστεί η περίσσεια νερού στη γυψοσανίδα. Κατά την παραγωγή γυψοσανίδων τοίχου, είναι γνωστή η προσθήκη διαφόρων ουσιών στον πολτό για τη βελτίωση της διαδικασίας παραγωγής ή της ίδιας της σανίδας. Για παράδειγμα, συνηθίζεται να μειώνεται το βάρος του πολτού με την ενσωμάτωση αφριστικών παραγόντων, ώστε να επιτυγχάνεται ένας βαθμός αερισμού που μειώνει την πυκνότητα της τελικής γυψοσανίδας τοίχου.

Θειικό ασβέστιο

Το θειικό ασβέστιο (ή θειικό ασβέστιο) είναι μια ανόργανη ένωση με τον τύπο CaSO₄ και συναφείς ένυδρες μορφές. Στην άνυδρη μορφή του γ-ανυδρίτη, χρησιμοποιείται ως ξηραντικό γενικής χρήσης. Μια συγκεκριμένη ένυδρη μορφή του CaSO₄ είναι γνωστή ως γύψος Παρισίων. Μια άλλη σημαντική ένυδρη μορφή είναι η γύψος, η οποία απαντά στη φύση ως ορυκτό. Ειδικότερα, η γύψος χρησιμοποιείται ευρέως σε βιομηχανικές εφαρμογές, π.χ. ως δομικό υλικό, ως πληρωτικό, σε πολυμερή κ.λπ. Όλες οι μορφές του CaSO₄ εμφανίζονται ως λευκά στερεά και είναι ελάχιστα διαλυτές στο νερό. Το θειικό ασβέστιο προκαλεί μόνιμη σκληρότητα στο νερό.
Η ανόργανη ένωση CaSO₄ απαντά σε τρεις βαθμούς ενυδάτωσης:

• άνυδρη κατάσταση (ορυκτολογική ονομασία: «ανυδρίτης») με τον τύπο CaSO₄.
• διένυδρη μορφή (ορυκτολογική ονομασία: «γύψος») με τον τύπο CaSO₄(H₂O)₂.
• ημιένυδρη μορφή με τον τύπο CaSO₄(H2₂O)0.5. Οι επιμέρους ημιένυδρες μορφές μπορούν να διακριθούν σε α-ημιένυδρη και β-ημιένυδρη μορφή.

Αντιδράσεις ενυδάτωσης και αφυδάτωσης
Όταν εφαρμόζεται θερμότητα, η γύψος μετατρέπεται σε ένα μερικώς αφυδατωμένο ορυκτό – το λεγόμενο ημιένυδρο θειικό ασβέστιο, πυρωμένη γύψο ή γύψο Παρισίων. Η πυρωμένη γύψος έχει τον τύπο CaSO₄·(nH₂O), όπου 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Για την απομάκρυνση του νερού που είναι δεσμευμένο στη δομή της απαιτούνται θερμοκρασίες μεταξύ 100°C και 150°C (212°F – 302°F). Η ακριβής θερμοκρασία και ο χρόνος θέρμανσης εξαρτώνται από την υγρασία του περιβάλλοντος. Για τη βιομηχανική πύρωση εφαρμόζονται θερμοκρασίες που φτάνουν τους 170°C (338°F). Ωστόσο, σε αυτές τις θερμοκρασίες αρχίζει ο σχηματισμός γ-ανυδρίτη. Η θερμική ενέργεια που παρέχεται στη γύψο σε αυτό το στάδιο (η θερμότητα ενυδάτωσης) τείνει να αναλώνεται στην απομάκρυνση του νερού (ως υδρατμών) αντί να αυξάνει τη θερμοκρασία του ορυκτού, η οποία ανεβαίνει αργά μέχρι να απομακρυνθεί το νερό και στη συνέχεια αυξάνεται ταχύτερα. Η εξίσωση για τη μερική αφυδάτωση είναι η ακόλουθη:

Ο ενδόθερμος χαρακτήρας αυτής της αντίδρασης σχετίζεται με την απόδοση της γυψοσανίδας, προσδίδοντας πυραντοχή σε κατοικίες και άλλες κατασκευές. Σε περίπτωση πυρκαγιάς, η κατασκευή πίσω από ένα φύλλο γυψοσανίδας θα παραμείνει σχετικά ψυχρή καθώς ο γύψος χάνει νερό, αποτρέποντας και επιβραδύνοντας έτσι τις βλάβες στον φέροντα σκελετό (λόγω καύσης των ξύλινων στοιχείων ή απώλειας της αντοχής του χάλυβα σε υψηλές θερμοκρασίες) και την επακόλουθη δομική κατάρρευση. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, το θειικό ασβέστιο απελευθερώνει οξυγόνο και δρα έτσι ως οξειδωτικό μέσο. Αυτή η ιδιότητα του υλικού αξιοποιείται στην αργιλιοθερμία. Σε αντίθεση με τα περισσότερα ορυκτά, τα οποία κατά την επανενυδάτωση απλώς σχηματίζουν υγρούς ή ημίρρευστους πολτούς ή παραμένουν σε μορφή σκόνης, ο πυρωμένος γύψος έχει μια ασυνήθιστη ιδιότητα. Όταν αναμειγνύεται με νερό σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, επανέρχεται χημικά στην προτιμώμενη διένυδρη μορφή, ενώ από φυσική άποψη «πήζει», σχηματίζοντας ένα άκαμπτο και σχετικά ανθεκτικό κρυσταλλικό πλέγμα γύψου, όπως φαίνεται στην παρακάτω εξίσωση:

Αυτή η εξώθερμη αντίδραση καθιστά πολύ εύκολη τη χύτευση του γύψου σε διάφορα σχήματα, όπως φύλλα για γυψοσανίδες, ράβδους κιμωλίας για μαυροπίνακες και εκμαγεία (π.χ. για την ακινητοποίηση σπασμένων οστών ή για χυτεύσεις μετάλλων). Αναμεμειγμένος με πολυμερή, έχει χρησιμοποιηθεί ως τσιμέντο αποκατάστασης οστών.
Όταν θερμαίνεται στους 180°C, σχηματίζεται μια σχεδόν άνυδρη μορφή, ο λεγόμενος γ-ανυδρίτης (CaSO₄·nH₂O όπου n = 0 έως 0,05). Ο γ-ανυδρίτης αντιδρά μόνο αργά με το νερό για να επανέλθει στη διένυδρη κατάσταση, γι’ αυτό χρησιμοποιείται ευρέως ως ξηραντικό μέσο στο εμπόριο. Όταν θερμαίνεται πάνω από τους 250°C, σχηματίζεται η πλήρως άνυδρη μορφή του β-ανυδρίτη. Ο β-ανυδρίτης δεν αντιδρά με το νερό, ακόμη και σε γεωλογικές χρονικές κλίμακες, εκτός εάν έχει αλεστεί πολύ λεπτά.

Σοβάς

Ο σοβάς είναι ένα δομικό υλικό που χρησιμοποιείται ως προστατευτική και/ή διακοσμητική επίστρωση για τοίχους και οροφές, καθώς και για τη διαμόρφωση, τη μορφοποίηση σε καλούπια και τη χύτευση διακοσμητικών δομικών στοιχείων.
Το στούκο είναι διακοσμητική εργασία με σοβά, η οποία χρησιμοποιείται για την παραγωγή ανάγλυφων διακοσμήσεων.
Οι συνηθέστεροι τύποι σοβά παρασκευάζονται με κύριο συστατικό τον γύψο, τον ασβέστη ή το τσιμέντο. Ο σοβάς παράγεται ως ξηρή σκόνη (σκόνη γύψου). Όταν η σκόνη αναμειγνύεται με νερό, σχηματίζεται μια συνεκτική αλλά εργάσιμη πάστα. Η εξώθερμη αντίδραση με το νερό απελευθερώνει θερμότητα μέσω μιας διεργασίας κρυστάλλωσης και στη συνέχεια ο ενυδατωμένος σοβάς σκληραίνει.

Γυψοκονίαμα

Το γυψοκονίαμα, ή γύψος Παρισίων, παράγεται με θερμική επεξεργασία (περίπου 300°F / 150°C) του γύψου:
CaSO₄·2H₂O + θερμότητα → CaSO₄·0.5H₂O + 1.5H₂O (απελευθερώνεται ως ατμός).
Ο γύψος μπορεί να σχηματιστεί εκ νέου με ανάμειξη της ξηρής σκόνης με νερό. Για να ξεκινήσει η πήξη του μη τροποποιημένου γυψοκονιάματος, η ξηρή σκόνη αναμειγνύεται με νερό. Μετά από περίπου 10 λεπτά, αρχίζει η αντίδραση πήξης και ολοκληρώνεται μετά από περίπου 45 λεπτά. Ωστόσο, η πλήρης πήξη του γύψου επιτυγχάνεται μετά από περίπου 72 ώρες. Εάν το γυψοκονίαμα ή ο γύψος θερμανθεί πάνω από τους 266°F / 130°C, σχηματίζεται ημιένυδρο θειικό ασβέστιο. Η σκόνη ημιένυδρου θειικού ασβεστίου μπορεί επίσης να μετατραπεί σε γύψο όταν διασπαρεί σε νερό.