Ultraheli abil kiirendatud kipsi kristallisatsioon
- Ultraheli segamine ja dispergeerimine kiirendab kipsi kristalliseerumist ja kivistumisreaktsiooni (CaSO4･2H2O).
- Võimsa ultraheli rakendamine kipsisuspensioonile kiirendab kristallisatsiooni ja lühendab seeläbi kivistumisaega.
- Lisaks kiiremale kivistumisele on toodetud seinaplaatide tihedus väiksem.
- Tugevdavate nanomaterjalide (nt CNT-d, nanokiud või ränidioksiid) ultraheli dispergeerimine kipsi sisse annab suure mehaanilise tugevuse ja väikese poorsuse.
Ultraheli kipsi tootmise parandamiseks
Kaltsiumsulfaadi hemihüdraadi ja vee kivistumisreaktsiooni käivitamiseks tuleb kaltsiumsulfaadi hemihüdraat vees ühtlaselt dispergeerida, et valmistada homogeenne suspensioon. Ultraheli dispergeerimine tagab osakeste täieliku märgumise, nii et hemihüdraat hüdreerub täielikult. Kipsisuspensiooni ultraheli segamine lühendab kivistumisaega, kuna kristallisatsioon kiireneb.
Ka lisaained, näiteks kiirendid ja tugevdavad nanomaterjalid, saab kipsisuspensiooni väga ühtlaselt sisse segada.
Ultraheli dispergeerimise tööpõhimõte
Kui võimas ultraheli juhitakse vedelikku või suspensiooni, tekib ultraheli poolt tekitatud kavitatsioon. Ultraheli kavitatsioon tekitab kohati äärmuslikke tingimusi, sealhulgas suuri nihkejõude, vedeliku joasid, mikroturbulentsi, kõrgeid temperatuure, „feat“ kuumutus- ja jahutuskiirusi ning kõrgeid rõhke. Need kavitatsioonist tingitud nihkejõud ületavad molekulide vahelised sidumisjõud, nii et need deaglomereeritakse ja dispergeeritakse üksikosakesteks. Lisaks kiirendavad kavitatsioonist tekkivad vedeliku joad osakesi, nii et need põrkuvad omavahel kokku ja purustatakse seeläbi nano- või isegi esmaste osakeste suuruseni. Seda nähtust tuntakse kui ultraheli märgjahvatust.
Võimas ultraheli loob lahuses tuumastumiskohti, nii et saavutatakse kiirendatud kristallisatsioon.
Vajutage siia, et lugeda lähemalt sonokristallisatsioonist – ultraheli abil toetatud kristallisatsioonist!
Tööstuslik ultraheli dispergaator
Lisandite ultraheli dispergeerimine
Paljudes keemilistes protsessides kasutatakse ultraheli töötlust (sonikeerimist), et segada koostisesse lisaaineid, näiteks aeglusteid (nt valgud, orgaanilised happed), viskoossuse modifikaatoreid (nt superplastifikaatorid), põlemisvastaseid aineid („anti-burning agents“), boorhapet, veekindlaks muutvaid kemikaale (nt polüsiloksaanid, vahaemulsioonid), klaaskiude, tulekindlust parandavaid lisaaineid (nt vermikuliit, savid ja/või suitsuränidioksiid), polümeerseid ühendeid (nt PVA, PVOH) ja muid tavapäraseid lisaaineid, et parandada krohvi, kivistuvate vuugitäitesegude ja kipstsementide koostist ning lühendada selle kivistumisaega.
Vajutage siia, et lugeda lähemalt lisaainete ultraheli segamisest ja seguks töötlemisest!
Tööstuslikud ultraheli süsteemid
Hielscher Ultrasonics on teie parim tarnija suure võimsusega ultraheli süsteemidele laboratoorseks ja tööstuslikuks kasutuseks. Hielscher pakub võimsaid ja töökindlaid tööstuslikke ultraheliprotsessoreid. Meie UIP16000 (16kW) on maailma võimsaim ultraheliprotsessor. See 16kW ultraheli süsteem töötleb hõlpsasti suuri koguseid isegi väga viskoosseid suspensioone (kuni 10 000cp). Suured amplituudid kuni 200µm (ja soovi korral suuremadki) tagavad materjali nõuetekohase töötlemise, nii et saavutatakse soovitud dispergeerimise, deaglomeratsiooni ja jahvatuse tase. See intensiivne ultraheli töötlus (sonikeerimine) annab nanoosakestega suspensioone kiireks kivistumiseks ja tipptasemel kipstoodeteks.
Hielscheri ultraheliseadmete töökindlus võimaldab 24/7 tööd suure koormuse all ja nõudlikes keskkondades.
Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultraheliseadmete ligikaudsest töötlusvõimsusest:
| Partii maht | Vooluhulk | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 10 kuni 2000mL | 20 kuni 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 kuni 20L | 0,2 kuni 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 kuni 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurem | klaster: UIP16000 |
Meie pikaajaline kogemus ultraheli töötlemisel aitab meil nõustada oma kliente alates esimestest teostatavusuuringutest kuni protsessi rakendamiseni tööstuslikus mastaabis.
Kirjandus ja viited
- Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): Power-ultraheli mõju portlandtsemendi pastade voolavusele ja seadistamisele; ettekanne: 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, mees; Chen, Yuehui; Yang, Miao (2012): Kaltsiumsulfaadi viskija / looduslike kautšukikomposiitide valmistamine ja omadused. Advanced Materials Research vol. 549, 2012. 597-600.
Teadmisi, mida tasub teada
Kipsplaadi tootmine
Kipsplaadi tootmisprotsessis laotakse kaltsineeritud kipsi – nn kaltsiumsulfaadi hemihüdraadi – vesisuspensioon ülemise ja alumise paberilehe vahele. Selle tulemusena tekkinud toodet tuleb pidevalt liigutada konveierilindil, kuni suspensioon on tahkunud. Seejärel kuivatatakse leht, kuni liigne vesi kipsplaadis on aurustunud. Kipsist seinaplaatide tootmisel on teada, et suspensioonile lisatakse erinevaid aineid, et parandada tootmisprotsessi või plaati ennast. Näiteks on tavaline suspensiooni kaalu vähendada vahustavate ainete lisamisega, mis tagavad teatud õhustatuse, mis omakorda vähendab valmis seinaplaadi tihedust.
Kaltsiumsulfaat
Kaltsiumsulfaat (ehk kaltsiumsulfaat) on anorgaaniline ühend valemiga CaSO4 ja sellega seotud hüdraadid. Veevaba γ-anhüdriidi kujul kasutatakse seda üldotstarbelise kuivatina. Teatud CaSO4 hüdraat on tuntud kui Pariisi kips. Teine oluline hüdraat on kips, mida esineb looduslikult mineraalina. Eriti kipsi kasutatakse laialdaselt tööstuslikes rakendustes, nt ehitusmaterjalina, täiteainena, polümeerides jne. Kõik CaSO4 vormid on valged tahked ained ja lahustuvad vees vaevalt. Kaltsiumsulfaat põhjustab vee püsivat karedust.
Anorgaaniline ühend CaSO4 esineb kolmel hüdratatsiooniastmel:
- veevaba olek (mineraali nimetus: „anhüdriit“) valemiga CaSO4.
- dihüdraat (mineraali nimetus: „kips“) valemiga CaSO4(H2O)2.
- hemihüdraat valemiga CaSO4(H22O)0.5. Konkreetseid hemihüdraate saab eristada alfa-hemihüdraadina ja beeta-hemihüdraadina.
Hüdratatsiooni- ja dehüdratatsioonireaktsioonid
Kuumutamisel muutub kips osaliselt dehüdreeritud mineraaliks – nn kaltsiumsulfaadi hemihüdraadiks, kaltsineeritud kipsiks ehk Pariisi kipsiks. Kaltsineeritud kipsi valem on CaSO4·(nH2O), kus 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Struktuuris seotud vee eemaldamiseks on vajalik temperatuur vahemikus 100°C kuni 150°C (212°F – 302°F). Täpne kuumutustemperatuur ja -aeg sõltuvad õhuniiskusest. Tööstuslikuks kaltsineerimiseks kasutatakse temperatuure kuni 170°C (338°F). Nendel temperatuuridel algab aga γ-anhüdriidi teke. Sel hetkel kipsile antud soojusenergia (hüdratatsioonisoojus) kulub pigem vee väljaajamisele (veeaurana) kui mineraali temperatuuri tõstmisele, mis tõuseb aeglaselt, kuni vesi on kadunud, ning seejärel tõuseb kiiremini. Osalise dehüdratsiooni võrrand on järgmine:
Selle reaktsiooni endotermiline omadus on oluline kipsplaatide (drywall) toimivuse jaoks, andes elamutele ja muudele ehitistele tulekindluse. Tulekahju korral jääb kipsplaadi taga olev konstruktsioon suhteliselt jahedaks, kuna kips kaotab vett, ning see hoiab ära ja pidurdab karkassi kahjustumist (puitelementide põlemise või terase tugevuse languse kaudu kõrgetel temperatuuridel) ja sellest tuleneva konstruktsiooni kokkuvarisemise. Kõrgematel temperatuuridel vabastab kaltsiumsulfaat hapnikku ja toimib seeläbi oksüdeerijana. Seda materjali omadust kasutatakse aluminotermias. Erinevalt enamikust mineraalidest, mis uuesti hüdraatudes moodustavad lihtsalt vedelaid või poolvedelaid pastasid või jäävad pulbriks, on kaltsineeritud kipsil ebatavaline omadus. Toatemperatuuril veega segades muutub see keemiliselt tagasi eelistatud dihüdraatseks vormiks, samal ajal kui see füüsiliselt “seguneb kõvaks” jäigaks ja suhteliselt tugevaks kipskristallvõreks, nagu on näidatud allolevas võrrandis:
See eksotermiline reaktsioon muudab kipsi valamise erinevatesse kujudesse nii lihtsaks, sealhulgas kipsplaatide lehed, tahvlikriidi pulgad ja vormid (nt murdunud luude immobiliseerimiseks või metallivaludeks). Polümeeridega segatuna on seda kasutatud luuparandustsemendina.
Kuumutamisel 180°C-ni tekib peaaegu veevaba vorm, nn γ-anhüdriit (CaSO4·nH2O, kus n = 0 kuni 0,05). γ-anhüdriit reageerib veega tagasi dihüdraatseks olekuks vaid aeglaselt, mistõttu kasutatakse seda laialdaselt kommertskuivatina. Kuumutamisel üle 250°C tekib täielikult veevaba β-anhüdriidi vorm. β-anhüdriit ei reageeri veega isegi geoloogilistel ajaskaaladel, kui seda just väga peeneks ei jahvatata.
Krohv
Krohv on ehitusmaterjal, mida kasutatakse seinte ja lagede kaitsva ja/või dekoratiivse kattematerjalina ning dekoratiivsete ehituselementide vormimiseks, liistude tegemiseks ja valamiseks.
Stukk on krohvitöö, mida kasutatakse reljeefsete dekoratsioonide valmistamiseks.
Kõige levinumad krohvitüübid valmistatakse põhikomponendina kas kipsist, lubjast või tsemendist. Krohvi toodetakse kuiva pulbrina (kipspulber). Kui pulber segatakse veega, tekib jäik, kuid töödeldav pasta. Eksotermiline reaktsioon veega vabastab kristalliseerumisprotsessi käigus soojust, seejärel hüdraatunud krohv kõvastub.
Kipskrohv
Kipskrohv ehk Pariisi kips toodetakse kipsi kuumtöötlemisel (ca 300°F / 150°C):
CaSO4·2H2O + kuumus → CaSO4·0.5H2O + 1.5H2O (eraldub aurina).
Kipsi saab uuesti moodustada, segades kuiva pulbri veega. Modifitseerimata krohvi kivistumise alustamiseks segatakse kuiv pulber veega. Umbes 10 minuti pärast algab kivistumisreaktsioon ja see lõpeb umbes 45 minuti pärast. Kipsi täielik kivistumine saavutatakse aga umbes 72 tunni pärast. Kui krohvi või kipsi kuumutatakse üle 266°F / 130°C, tekib hemihüdraat. Hemihüdraatpulbri saab veega dispergeerimisel samuti kipsiks muuta.