Cristalización del yeso acelerada por ultrasonidos
- La mezcla y la dispersión ultrasónicas aceleran la cristalización y la reacción de fraguado del yeso (CaSO4･2H2O).
- La aplicación de ultrasonidos de potencia a la suspensión de yeso acelera la cristalización y reduce así el tiempo de fraguado.
- Además de un fraguado más rápido, las placas de yeso producidas presentan una menor densidad.
- La dispersión ultrasónica de nanomateriales de refuerzo (p. ej., CNTs, nanofibras o sílice) en el yeso permite obtener una elevada resistencia mecánica y una baja porosidad.
Ultrasonidos para mejorar la fabricación de yeso
Para iniciar la reacción de fraguado entre el sulfato de calcio hemihidratado y el agua, el sulfato de calcio hemihidratado debe dispersarse uniformemente en el agua para preparar una suspensión homogénea. La dispersión ultrasónica garantiza que las partículas queden completamente humectadas, lo que permite una hidratación completa del hemihidrato. La mezcla ultrasónica de la suspensión de yeso reduce el tiempo de fraguado gracias a una cristalización acelerada.
También pueden incorporarse de manera muy uniforme a la suspensión de yeso otros ingredientes, como acelerantes y nanomateriales de refuerzo.
Principio de funcionamiento de la dispersión ultrasónica
Cuando se acoplan ultrasonidos de alta potencia a un líquido o una suspensión, se produce cavitación generada por ultrasonidos. La cavitación ultrasónica crea condiciones localmente extremas, como fuerzas de cizallamiento elevadas, chorros de líquido, microturbulencias, temperaturas elevadas, tasas de calentamiento y enfriamiento «feat», así como presiones elevadas. Estas fuerzas de cizallamiento cavitacionales superan las fuerzas de unión entre las moléculas, de modo que estas se desaglomeran y se dispersan como partículas individuales. Además, los chorros de líquido cavitacionales aceleran las partículas, que chocan entre sí y se fragmentan hasta alcanzar tamaños nanométricos o incluso el tamaño de las partículas primarias. Este fenómeno se conoce como molienda húmeda ultrasónica.
Los ultrasonidos de potencia crean sitios de nucleación en la solución, lo que permite acelerar la cristalización.
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Dispersor ultrasónico industrial
Dispersión ultrasónica de aditivos
En muchos procesos químicos, la sonicación se utiliza para incorporar a la formulación aditivos como retardantes (p. ej., proteínas, ácidos orgánicos), modificadores de la viscosidad (p. ej., superplastificantes), agentes antiquemaduras, ácido bórico, sustancias que aportan resistencia al agua (p. ej., polisiloxanos, emulsiones de cera), fibras de vidrio, potenciadores de la resistencia al fuego (p. ej., vermiculita, arcillas y/o sílice pirogénica), compuestos poliméricos (p. ej., PVA, PVOH) y otros aditivos convencionales, con el fin de mejorar la formulación de los enlucidos, las pastas para juntas de fraguado y los cementos de yeso, y reducir su tiempo de fraguado.
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Sistemas ultrasónicos industriales
Hielscher Ultrasonics es su proveedor de referencia de sistemas ultrasónicos de alta potencia para aplicaciones de sobremesa e industriales. Hielscher ofrece procesadores ultrasónicos industriales potentes y robustos. Nuestro UIP16000 (16 kW) es el procesador ultrasónico más potente del mundo. Este sistema ultrasónico de 16 kW procesa fácilmente grandes volúmenes de suspensiones, incluso de alta viscosidad (hasta 10.000cp). Las amplitudes elevadas de hasta 200 µm (y superiores bajo pedido) garantizan un tratamiento adecuado del material para alcanzar el grado deseado de dispersión, desaglomeración y molienda. Esta sonicación intensa produce suspensiones de nanopartículas que permiten un fraguado rápido y productos de yeso de calidad superior.
La robustez de los equipos ultrasónicos de Hielscher permite un funcionamiento 24/7 en condiciones de trabajo intensivo y en entornos exigentes.
La siguiente tabla ofrece una indicación de la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros sonicadores:
| Volumen del lote | Caudal | Equipos recomendados |
|---|---|---|
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20 L | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | conjunto de UIP16000 |
Nuestra amplia experiencia en el procesamiento ultrasónico nos permite asesorar a nuestros clientes desde los primeros estudios de viabilidad hasta la implementación del proceso a escala industrial.
Bibliografía y referencias
- Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): Influencia del ultrasonido de potencia en la fluidez y el fraguado de las pastas de cemento Portland; 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 vol. 549, 2012. 597-600.
Información de interés
Producción de placas de yeso
Durante el proceso de fabricación de placas de yeso, una suspensión acuosa de yeso calcinado – denominado sulfato de calcio hemihidratado – se extiende entre las hojas de papel superior e inferior. El producto así formado debe desplazarse continuamente sobre una cinta transportadora hasta que la suspensión haya fraguado. A continuación, la placa se seca hasta que se haya evaporado el exceso de agua. En la producción de placas de yeso para paredes, es habitual añadir diversas sustancias a la suspensión para mejorar el proceso de producción o la propia placa. Por ejemplo, suele reducirse el peso de la suspensión incorporando agentes espumantes que proporcionan un grado de aireación que disminuye la densidad de la placa final.
Sulfato de calcio
El sulfato de calcio es un compuesto inorgánico cuya fórmula es CaSO4 y que presenta hidratos relacionados. En la forma anhidra de γ-anhidrita, se utiliza como desecante de uso general. Un hidrato específico de CaSO4 se conoce como yeso de París. Otro hidrato importante es el yeso, que se encuentra en la naturaleza como mineral. El yeso, en particular, se utiliza ampliamente en aplicaciones industriales, p. ej., como material de construcción, carga y en polímeros, entre otras. Todas las formas de CaSO4 se presentan como sólidos blancos y son poco solubles en agua. El sulfato de calcio provoca dureza permanente en el agua.
El compuesto inorgánico CaSO4 se presenta en tres grados de hidratación:
- estado anhidro (nombre del mineral: «anhidrita») con la fórmula CaSO4.
- dihidrato (nombre del mineral: «yeso») con la fórmula CaSO4(H2O)2.
- hemihidrato con la fórmula CaSO4(H22O)0.5. Se pueden distinguir hemihidratos específicos como el hemihidrato alfa y el hemihidrato beta.
Reacciones de hidratación y deshidratación
Al aplicar calor, el yeso se convierte en un mineral parcialmente deshidratado – el denominado sulfato de calcio hemihidratado, yeso calcinado o yeso de París. El yeso calcinado tiene la fórmula CaSO4·(nH2O), donde 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Se necesitan temperaturas entre 100 °C y 150 °C (212 °F – 302 °F) para eliminar el agua ligada a su estructura. La temperatura y el tiempo exactos de calentamiento dependen de la humedad ambiental. Para la calcinación industrial se aplican temperaturas de hasta 170 °C (338 °F). Sin embargo, a estas temperaturas comienza la formación de γ-anhidrita. La energía térmica suministrada al yeso en este momento (el calor de hidratación) tiende a emplearse en expulsar el agua (en forma de vapor de agua), en lugar de aumentar la temperatura del mineral, que sube lentamente hasta que se ha eliminado el agua y después aumenta con mayor rapidez. La ecuación de la deshidratación parcial es la siguiente:
El carácter endotérmico de esta reacción es relevante para el comportamiento de las placas de yeso, ya que confiere resistencia al fuego a las estructuras residenciales y de otro tipo. En un incendio, la estructura situada detrás de una placa de yeso se mantendrá relativamente fría mientras el yeso pierde agua, lo que evita y retrasa los daños en los elementos estructurales (por la combustión de los elementos de madera o la pérdida de resistencia del acero a altas temperaturas) y el consiguiente colapso estructural. A temperaturas más elevadas, el sulfato de calcio libera oxígeno y actúa así como agente oxidante. Esta característica del material se utiliza en la aluminotermia. A diferencia de la mayoría de los minerales, que al rehidratarse simplemente forman pastas líquidas o semilíquidas, o permanecen en forma de polvo, el yeso calcinado tiene una propiedad inusual. Al mezclarse con agua a temperatura ambiente, vuelve químicamente a la forma preferente de dihidrato, mientras que físicamente «fragua» formando una red cristalina de yeso rígida y relativamente resistente, como se muestra en la siguiente ecuación:
Esta reacción exotérmica facilita el moldeo del yeso en diversas formas, como placas para tabiques de yeso, barras de tiza para pizarras y moldes (p. ej., para inmovilizar huesos fracturados o para la fundición de metales). Mezclado con polímeros, se ha utilizado como cemento para la reparación ósea.
Al calentarlo a 180 °C, se forma una fase prácticamente exenta de agua, denominada γ-anhidrita (CaSO4·nH2O donde n = 0 a 0,05). La γ-anhidrita reacciona lentamente con el agua para volver al estado de dihidrato, por lo que se utiliza ampliamente como desecante comercial. Al calentarlo por encima de 250 °C, aparece la forma completamente anhidra de β-anhidrita. La β-anhidrita no reacciona con el agua, ni siquiera en escalas de tiempo geológicas, salvo que esté molida muy finamente.
Enlucido
El enlucido es un material de construcción que se utiliza como recubrimiento protector y/o decorativo de paredes y techos, así como para moldear, realizar molduras y fabricar elementos decorativos de construcción mediante colada.
El estuco es un trabajo de enlucido que se utiliza para realizar decoraciones en relieve.
Los tipos más comunes de enlucido se formulan con yeso, cal o cemento como ingrediente principal. El enlucido se produce en forma de polvo seco (yeso en polvo). Al mezclar el polvo con agua, se forma una pasta consistente pero trabajable. La reacción exotérmica con el agua libera calor mediante un proceso de cristalización, tras el cual el enlucido hidratado se endurece.
Yeso de revestimiento
El yeso de revestimiento, o yeso de París, se produce mediante un tratamiento térmico (aprox. 300 °F / 150 °C) del yeso:
CaSO4·2H2O + calor → CaSO4·0.5H2O + 1.5H2O (liberada como vapor).
El yeso puede volver a formarse mezclando el polvo seco con agua. Para iniciar el fraguado del yeso sin modificar, el polvo seco se mezcla con agua. La reacción de fraguado comienza al cabo de aprox. 10 minutos y finaliza después de aprox. 45 minutos. Sin embargo, el fraguado completo del yeso se alcanza después de aprox. 72 horas. Si el yeso de revestimiento o el yeso se calientan por encima de 266 °F / 130 °C, se forma hemihidrato. El polvo de hemihidrato también puede transformarse en yeso al dispersarlo en agua.