تسریع تبلور گچ با فراصوت
- اختلاط و پراکنده‌سازی فراصوتی، تبلور و واکنش گیرش گچ را تسریع می‌کند (CaSO4･2H2O).
- اعمال فراصوت پرتوان به دوغاب گچ، تبلور را تسریع می‌کند و در نتیجه زمان گیرش را کاهش می‌دهد.
- علاوه بر گیرش سریع‌تر، صفحات دیواری تولیدشده چگالی کمتری دارند.
- پراکنده‌سازی فراصوتی نانومواد تقویت‌کننده (مانند CNTs، نانوالیاف یا سیلیس) در گچ، به استحکام مکانیکی بالا و تخلخل کم منجر می‌شود.
فراصوت برای بهبود تولید گچ
برای آغاز واکنش گیرش سولفات کلسیم نیمه‌آبه و آب، باید سولفات کلسیم نیمه‌آبه به‌طور یکنواخت در آب پراکنده شود تا دوغابی همگن به دست آید. پراکنده‌سازی فراصوتی تضمین می‌کند که ذرات کاملاً تر شوند تا آب‌پوشی کامل نیمه‌آبه حاصل شود. اختلاط فراصوتی دوغاب گچ با تسریع تبلور، زمان گیرش را کوتاه می‌کند.
مواد افزودنی مانند تسریع‌کننده‌ها و نانومواد تقویت‌کننده را نیز می‌توان بسیار یکنواخت با دوغاب گچ مخلوط کرد.
اصل عملکرد پراکنده‌سازی فراصوتی
هنگامی که انرژی فراصوت پرتوان به یک مایع یا دوغاب منتقل می‌شود، کاویتاسیون ناشی از فراصوت رخ می‌دهد. کاویتاسیون فراصوتی به‌صورت موضعی شرایطی بسیار شدید ایجاد می‌کند که شامل نیروهای برشی زیاد، جت‌های مایع، ریزآشفتگی‌ها، دماهای بالا، نرخ‌های سریع گرم‌شدن و سردشدن و نیز فشارهای بالا است. این نیروهای برشی ناشی از کاویتاسیون بر نیروهای پیوندی بین مولکول‌ها غلبه می‌کنند، به‌گونه‌ای که کلوخه‌زدایی شده و به‌صورت ذرات منفرد پراکنده می‌شوند. افزون بر این، جت‌های مایع ناشی از کاویتاسیون به ذرات شتاب می‌دهند، به‌طوری که با یکدیگر برخورد می‌کنند و در نتیجه تا ابعاد نانو یا حتی اندازهٔ ذرات اولیه خرد می‌شوند. این پدیده با این نام شناخته می‌شود: آسیاب‌کاری تر فراصوتی.
فراصوت پرتوان در محلول جایگاه‌های هسته‌زایی ایجاد می‌کند و از این طریق تبلور تسریع می‌شود.
برای آشنایی بیشتر با تبلور صوتی – تبلور به کمک فراصوت – اینجا کلیک کنید!
دستگاه پراکنده‌ساز فراصوتی صنعتی
پراکنده‌سازی فراصوتی افزودنی‌ها
در بسیاری از فرایندهای شیمیایی، از فراصوت‌دهی برای مخلوط‌کردن افزودنی‌هایی مانند کندگیرکننده‌ها (مانند پروتئین‌ها و اسیدهای آلی)، اصلاح‌کننده‌های گرانروی (مانند فوق‌روان‌کننده‌ها)، عوامل ضدسوختگی، اسید بوریک، مواد شیمیایی مقاوم‌کننده در برابر آب (مانند پلی‌سیلوکسان‌ها و امولسیون‌های موم)، الیاف شیشه، تقویت‌کننده‌های مقاومت در برابر آتش (مانند ورمیکولیت، رس‌ها و/یا سیلیس دودزا)، ترکیبات پلیمری (مانند PVA و PVOH) و سایر افزودنی‌های متداول در فرمولاسیون استفاده می‌شود تا فرمولاسیون اندود، ترکیبات درزگیر گیرشی و سیمان‌های گچی بهبود یابد و زمان گیرش آن کاهش پیدا کند.
برای آشنایی بیشتر با اختلاط و آمیختن فراصوتی افزودنی‌ها اینجا کلیک کنید!
سامانه‌های فراصوتی صنعتی
Hielscher Ultrasonics تأمین‌کنندهٔ برتر شما برای سامانه‌های فراصوتی پرتوان در کاربردهای رومیزی و صنعتی است. Hielscher پردازشگرهای فراصوتی صنعتی قدرتمند و مستحکم عرضه می‌کند. دستگاه ما، UIP16000 (16kW)، قدرتمندترین پردازشگر فراصوتی در جهان است. این سامانهٔ فراصوتی 16kW به‌آسانی حجم‌های زیادی از دوغاب‌ها، حتی دوغاب‌های بسیار گرانرو (تا 10٬000cp)، را پردازش می‌کند. دامنه‌های بالای نوسان تا 200µm (و بنا به درخواست، بالاتر از آن) تضمین می‌کنند که مواد به‌درستی تحت تیمار قرار گیرند تا میزان مطلوب پراکنده‌سازی، کلوخه‌زدایی و آسیاب‌کاری حاصل شود. این فراصوت‌دهی شدید، دوغاب‌های حاوی نانوذرات را برای دستیابی به سرعت بالای گیرش و محصولات گچی برتر تولید می‌کند.
استحکام تجهیزات فراصوتی Hielscher امکان کارکرد 24/7 را در شرایط کاری سنگین و محیط‌های دشوار فراهم می‌کند.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:
| حجم هر بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000 |
| قابل اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
تجربهٔ طولانی ما در پردازش فراصوتی به ما کمک می‌کند تا از نخستین مطالعات امکان‌سنجی تا اجرای فرایند در مقیاس صنعتی، به مشتریان خود مشاوره دهیم.
برای توسعه و بهینه‌سازی فرایند خود از آزمایشگاه فرایندهای فراصوتی و مرکز فنی ما استفاده کنید!
منابع و مراجع
- Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): تأثیر قدرت اولتراسوند بر سیالیت و گیرش خمیرهای سیمان پرتلند; 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.
- ژونگ بیائو، مرد؛ چن ، یوهویی. یانگ ، میائو (2012): تهیه و خواص سبیل سولفات کلسیم / کامپوزیت های لاستیک طبیعی. تحقیقات مواد پیشرفته جلد 549 ، 2012. 597-600.
دانستنی‌ها
تولید صفحات گچی
در فرایند تولید صفحات گچی، دوغاب آبی گچ تکلیس‌شده – موسوم به سولفات کلسیم نیمه‌آبه – بین ورق‌های کاغذی بالا و پایین پخش می‌شود. محصول حاصل باید به‌طور پیوسته روی نوار نقاله حرکت کند تا دوغاب گیرش پیدا کند. سپس صفحه خشک می‌شود تا آب اضافی موجود در صفحهٔ گچی تبخیر شود. در تولید صفحات دیواری گچی، افزودن مواد گوناگون به دوغاب برای بهبود فرایند تولید یا خود صفحه روشی شناخته‌شده است. برای مثال، معمول است که با افزودن عوامل کف‌زا، مقداری هوا وارد دوغاب کنند و وزن آن را کاهش دهند؛ این کار چگالی صفحهٔ دیواری نهایی را کاهش می‌دهد.
سولفات کلسیم
سولفات کلسیم (با دو املای انگلیسی calcium sulfate و calcium sulphate) ترکیبی معدنی با فرمول CaSO4 و هیدرات‌های مرتبط با آن است. شکل بی‌آب آن، γ-انیدریت، به‌عنوان رطوبت‌گیر عمومی استفاده می‌شود. هیدرات خاصی از CaSO4 با نام گچ پاریس شناخته می‌شود. هیدرات مهم دیگر، ژیپس است که به‌طور طبیعی به‌صورت یک کانی یافت می‌شود. به‌ویژه ژیپس کاربرد گسترده‌ای در صنعت دارد؛ برای مثال به‌عنوان مصالح ساختمانی، پرکننده، در پلیمرها و غیره. همهٔ شکل‌های CaSO4 به‌صورت جامدات سفیدرنگ ظاهر می‌شوند و به‌سختی در آب حل می‌شوند. سولفات کلسیم باعث سختی دائمی آب می‌شود.
ترکیب معدنی CaSO4 در سه سطح آب‌پوشی وجود دارد:
- حالت بی‌آب (نام کانی: «انیدریت») با فرمول CaSO4.
- دوآبه (نام کانی: «ژیپس») با فرمول CaSO4(H2O)2.
- نیمه‌آبه با فرمول CaSO4(H22O)0.5. نیمه‌آبه‌های مشخص را می‌توان به‌صورت آلفا-نیمه‌آبه و بتا-نیمه‌آبه از هم متمایز کرد.
واکنش‌های آب‌پوشی و آب‌زدایی
با اعمال گرما، ژیپس به کانی‌ای تبدیل می‌شود که بخشی از آب خود را از دست داده است – موسوم به سولفات کلسیم نیمه‌آبه، گچ تکلیس‌شده یا گچ پاریس. فرمول گچ تکلیس‌شده CaSO4·(nH2O) است که در آن 0٫5 ≤ n ≤ 0٫8. برای حذف آبی که در ساختار آن پیوند یافته است، دماهایی بین 100°C و 150°C (212°F – 302°F) لازم است. دما و مدت دقیق گرمایش به رطوبت محیط بستگی دارد. برای تکلیس صنعتی، دماهایی تا 170°C (338°F) به کار می‌روند. با این حال، در این دماها تشکیل γ-انیدریت آغاز می‌شود. انرژی گرمایی واردشده به گچ در این مرحله (گرمای آب‌پوشی) عمدتاً صرف خارج‌کردن آب (به‌صورت بخار آب) می‌شود، نه افزایش دمای کانی؛ دمای کانی تا زمان خروج کامل آب به‌آرامی بالا می‌رود و سپس سریع‌تر افزایش می‌یابد. معادلهٔ آب‌زدایی جزئی به شرح زیر است:
خاصیت گرماگیر این واکنش در عملکرد دیوار خشک نقش دارد و به سازه‌های مسکونی و سایر سازه‌ها مقاومت در برابر آتش می‌بخشد. هنگام آتش‌سوزی، با خروج آب از گچ، سازهٔ پشت صفحهٔ دیوار خشک نسبتاً خنک می‌ماند و به این ترتیب از آسیب به اسکلت سازه (بر اثر سوختن اعضای چوبی یا کاهش استحکام فولاد در دماهای بالا) و فروریزش سازه‌ای ناشی از آن جلوگیری می‌کند یا آن را به تأخیر می‌اندازد. در دماهای بالاتر، سولفات کلسیم اکسیژن آزاد می‌کند و در نتیجه به‌عنوان عامل اکسنده عمل می‌کند. از این ویژگی ماده در آلومینوترمی استفاده می‌شود. برخلاف بیشتر کانی‌ها که با آب‌پوشی مجدد صرفاً خمیرهای مایع یا نیمه‌مایع تشکیل می‌دهند یا به‌صورت پودری باقی می‌مانند، گچ تکلیس‌شده ویژگی غیرمعمولی دارد. هنگامی که در دمای محیط با آب مخلوط می‌شود، از نظر شیمیایی به شکل ترجیحی دوآبه بازمی‌گردد، در حالی که از نظر فیزیکی «گیرش» پیدا می‌کند و شبکهٔ بلوری صلب و نسبتاً مستحکمی از گچ تشکیل می‌دهد؛ همان‌طور که در معادلهٔ زیر نشان داده شده است:
این واکنش گرماده، قالب‌گیری گچ به شکل‌های گوناگون، از جمله صفحات دیوار خشک، قطعات گچ تحریر برای تخته‌سیاه و قالب‌ها (برای مثال برای بی‌حرکت‌کردن استخوان‌های شکسته یا برای ریخته‌گری فلزات) را بسیار آسان می‌کند. از مخلوط آن با پلیمرها به‌عنوان سیمان ترمیم استخوان استفاده شده است.
با گرم‌کردن تا 180°C، شکلی تقریباً بدون آب، موسوم به γ-انیدریت (CaSO4·nH2O که در آن n = 0 تا 0٫05)، تشکیل می‌شود. γ-انیدریت برای بازگشت به حالت دوآبه، تنها به‌آرامی با آب واکنش می‌دهد؛ ازاین‌رو به‌طور گسترده به‌عنوان رطوبت‌گیر تجاری استفاده می‌شود. با گرم‌کردن به دمای بالاتر از 250°C، شکل کاملاً بی‌آب β-انیدریت پدید می‌آید. β-انیدریت حتی در مقیاس‌های زمانی زمین‌شناختی با آب واکنش نمی‌دهد، مگر آنکه بسیار ریز آسیاب شده باشد.
اندود
اندود نوعی مصالح ساختمانی است که به‌عنوان پوشش محافظ و/یا تزئینی دیوارها و سقف‌ها و نیز برای قالب‌گیری، ساخت ابزارهای تزئینی و ریختن اجزای تزئینی ساختمان در قالب استفاده می‌شود.
گچ‌بری نوعی کار با اندود است که برای ایجاد تزئینات برجسته به کار می‌رود.
متداول‌ترین انواع اندود با گچ، آهک یا سیمان به‌عنوان مادهٔ اصلی فرموله می‌شوند. اندود به‌صورت پودر خشک (پودر گچ) تولید می‌شود. هنگامی که پودر با آب مخلوط می‌شود، خمیری سفت اما کارپذیر به دست می‌آید. واکنش گرماده با آب از طریق فرایند تبلور گرما آزاد می‌کند و سپس اندود آب‌پوشیده سخت می‌شود.
اندود گچی
اندود گچی یا گچ پاریس، با عملیات حرارتی روی ژیپس (تقریباً 300°F / 150°C) تولید می‌شود:
CaSO4·2H2O + گرما → CaSO4·0.5H2O + 1.5H2O (به‌صورت بخار آزاد می‌شود).
با مخلوط‌کردن پودر خشک با آب می‌توان دوباره ژیپس تشکیل داد. برای آغاز گیرش گچ اصلاح‌نشده، پودر خشک با آب مخلوط می‌شود. پس از حدود 10 دقیقه، واکنش گیرش آغاز می‌شود و پس از حدود 45 دقیقه به پایان می‌رسد. با این حال، گیرش کامل گچ پس از حدود 72 ساعت حاصل می‌شود. اگر اندود گچی یا ژیپس به دمای بالاتر از 266°F / 130°C گرم شود، نیمه‌آبه تشکیل می‌شود. پودر نیمه‌آبه نیز با پراکنده‌شدن در آب می‌تواند به ژیپس تبدیل شود.