Ultraäänellä nopeutettu kipsin kiteytyminen
- Ultraäänisekoitus ja -dispergointi nopeuttavat kipsin kiteytymistä ja sitoutumisreaktiota (CaSO4･2H2O).
- Tehoultraäänen käyttö kipsilietteessä nopeuttaa kiteytymistä ja lyhentää siten sitoutumisaikaa.
- Nopeamman sitoutumisen lisäksi valmistettujen seinälevyjen tiheys on pienempi.
- Lujittavien nanomateriaalien (esim. hiilinanoputkien, nanokuitujen tai piidioksidin) dispergointi kipsiin ultraäänellä tuottaa suuren mekaanisen lujuuden ja pienen huokoisuuden.
Ultraääni kipsin valmistuksen parantamisessa
Kalsiumsulfaattihemihydraatin ja veden sitoutumisreaktion käynnistämiseksi kalsiumsulfaattihemihydraatti on dispergoitava tasaisesti veteen niin, että muodostuu homogeeninen liete. Ultraäänidispergointi varmistaa hiukkasten täydellisen kostumisen, jolloin hemihydraatti hydratoituu täydellisesti. Kipsilietteen ultraäänisekoitus lyhentää sitoutumisaikaa nopeutuneen kiteytymisen ansiosta.
Myös muita ainesosia, kuten kiihdyttimiä ja lujittavia nanomateriaaleja, voidaan sekoittaa kipsilietteeseen erittäin tasaisesti.
Ultraäänidispergoinnin toimintaperiaate
Kun suuritehoista ultraääntä kytketään nesteeseen tai lietteeseen, syntyy ultraäänen aiheuttamaa kavitaatiota. Ultraäänikavitaatio synnyttää paikallisesti äärimmäisiä olosuhteita, kuten suuria leikkausvoimia, nestesuihkuja, mikroturbulenssia, korkeita lämpötiloja, ”feat”-lämpenemis- ja jäähtymisnopeuksia sekä korkeita paineita. Nämä kavitaation leikkausvoimat voittavat molekyylien väliset sidosvoimat, jolloin niiden agglomeraatit hajoavat ja ne dispergoituvat yksittäisinä hiukkasina. Lisäksi kavitaation nestesuihkut kiihdyttävät hiukkasia niin, että ne törmäävät toisiinsa ja hajoavat siten nanokokoon tai jopa primäärihiukkaskokoon. Tätä ilmiötä kutsutaan ultraäänimärkäjauhatukseksi.
Tehoultraääni muodostaa liuokseen ydintymiskohtia, jolloin kiteytyminen nopeutuu.
Lue lisää sonokiteytymisestä – ultraääniavusteisesta kiteytymisestä – napsauttamalla tästä!
Teollinen ultraäänidispergointilaite
Lisäaineiden ultraäänidispergointi
Monissa kemiallisissa prosesseissa ultraäänikäsittelyä käytetään lisäaineiden, kuten hidastimien (esim. proteiinien ja orgaanisten happojen), viskositeetin muokkaajien (esim. tehonotkistimien), palamista estävien aineiden, boorihapon, vedenkestävyyttä parantavien kemikaalien (esim. polysiloksaanien ja vahaemulsioiden), lasikuitujen, palonkestävyyttä parantavien aineiden (esim. vermikuliitin, savien ja/tai pyrogeenisen piidioksidin), polymeeriyhdisteiden (esim. PVA:n ja PVOH:n) ja muiden tavanomaisten lisäaineiden sekoittamiseen koostumukseen, jotta rappausmassojen, sitoutuvien saumatasoitteiden ja kipsisementtien koostumusta voidaan parantaa ja sitoutumisaikaa lyhentää.
Lue lisää lisäaineiden sekoittamisesta ultraäänellä napsauttamalla tästä!
Teolliset ultraäänijärjestelmät
Hielscher Ultrasonics on johtava suuritehoisten ultraäänijärjestelmien toimittajasi pöytälaitteilla toteutettaviin ja teollisiin sovelluksiin. Hielscher tarjoaa tehokkaita ja kestäviä teollisia ultraääniprosessoreita. Valikoimamme UIP16000 (16kW) on maailman tehokkain ultraääniprosessori. Tämä 16kW:n ultraäänijärjestelmä käsittelee helposti suuria määriä jopa erittäin viskooseja lietteitä (jopa 10 000cp). Suuret, jopa 200µm:n amplitudit (ja pyynnöstä suuremmatkin) varmistavat materiaalin asianmukaisen käsittelyn niin, että saavutetaan haluttu dispergoinnin, deagglomeroinnin ja jauhatuksen taso. Tämä voimakas ultraäänikäsittely tuottaa nanohiukkasia sisältäviä lietteitä, jotka mahdollistavat nopean sitoutumisen ja ensiluokkaiset kipsituotteet.
Hielscherin ultraäänilaitteiden kestävyys mahdollistaa 24/7-käytön raskaassa kuormituksessa ja vaativissa ympäristöissä.
Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| Erätilavuus | Tilavuusvirta | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | laiteryhmä, joka koostuu laitteista UIP16000 |
Pitkä kokemuksemme ultraäänikäsittelystä auttaa meitä neuvomaan asiakkaitamme ensimmäisistä toteutettavuustutkimuksista aina prosessin toteuttamiseen teollisessa mittakaavassa.
Kirjallisuus ja lähteet
- Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): Tehoultraäänen vaikutus portlandsementtipastojen juoksevuuteen ja sitoutumiseen; esitetty: 17. kansainvälinen rakennusmateriaalikonferenssi 23rd – 26th September 2009, Weimar.
- Rössler, Ch. (2009): Tehoultraäänen vaikutus sementtisuspensioiden virtaus- ja sitoutumiskäyttäytymiseen; julkaisussa: 17. kansainvälisen rakennusmateriaalikonferenssin ibausil konferenssijulkaisu, toim. Finger-Institut für Baustoffkunde, Bauhaus-Universität Weimar, s. 1 – 0259 – 1 – 0264.
- Zhongbiao, Man; Chen, Yuehui; Yang, Miao (2012): Kalsiumsulfaattiviiksikide–luonnonkumikomposiittien valmistus ja ominaisuudet. Advanced Materials Research, osa 549, 2012. 597–600.
Hyödyllistä tietoa
Kipsilevyn valmistus
Kipsilevyn valmistusprosessissa kalsinoidun kipsin – niin kutsutun kalsiumsulfaattihemihydraatin – vesiliete levitetään ylemmän ja alemman paperiarkin väliin. Näin muodostunutta tuotetta on kuljetettava jatkuvasti kuljetinhihnalla, kunnes liete on sitoutunut. Levyä kuivataan tämän jälkeen, kunnes kipsilevyn ylimääräinen vesi on haihtunut. Kipsiseinälevyjen valmistuksessa lietteeseen lisätään tunnetusti erilaisia aineita valmistusprosessin tai itse levyn parantamiseksi. Esimerkiksi lietteen painoa kevennetään tavallisesti lisäämällä vaahdotusaineita, jotka tuovat lietteeseen jonkin verran ilmaa ja pienentävät siten valmiin seinälevyn tiheyttä.
Kalsiumsulfaatti
Kalsiumsulfaatti (englanniksi calcium sulfate tai calcium sulphate) tarkoittaa epäorgaanista yhdistettä, jonka kaava on CaSO4 , sekä sen hydraatteja. Vedettömässä γ-anhydriittimuodossa sitä käytetään yleiskäyttöisenä kuivausaineena. Eräs hydraatti, jonka perusyhdisteen kaava on CaSO4 , tunnetaan nimellä pariisinkipsi. Toinen tärkeä hydraatti on kipsi, jota esiintyy luonnossa mineraalina. Erityisesti kipsiä käytetään laajalti teollisissa sovelluksissa, esimerkiksi rakennusmateriaalina, täyteaineena, polymeereissä jne. Yhdisteen CaSO4 kaikki muodot esiintyvät valkoisina kiinteinä aineina ja liukenevat veteen hyvin niukasti. Kalsiumsulfaatti aiheuttaa veden pysyvää kovuutta.
Epäorgaaninen yhdiste CaSO4 esiintyy kolmessa hydrataatioasteessa:
- vedetön tila (mineraalin nimi: ”anhydriitti”), jonka kaava on CaSO4.
- dihydraatti (mineraalin nimi: ”kipsi”), jonka kaava on CaSO4(H2O)2.
- hemihydraatti, jonka kaava on CaSO4(H22O)0.5. Hemihydraateista voidaan erottaa alfahemihydraatti ja beetahemihydraatti.
Hydrataatio- ja dehydraatioreaktiot
Kuumennettaessa kipsi muuttuu osittain dehydratoituneeksi mineraaliksi – niin kutsutuksi kalsiumsulfaattihemihydraatiksi, kalsinoiduksi kipsiksi eli pariisinkipsiksi. Kalsinoidun kipsin kaava on CaSO4·(nH2O), jossa 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Sen rakenteeseen sitoutuneen veden poistamiseen tarvitaan 100°C:n ja 150°C:n välisiä lämpötiloja (212°F–302°F). Tarkka kuumennuslämpötila ja -aika riippuvat ympäristön kosteudesta. Teollisessa kalsinoinnissa käytetään jopa 170°C:n (338°F) lämpötiloja. Näissä lämpötiloissa alkaa kuitenkin muodostua γ-anhydriittiä. Tässä vaiheessa kipsiin tuotu lämpöenergia (hydrataatiolämpö) kuluu yleensä veden poistamiseen vesihöyrynä sen sijaan, että se nostaisi mineraalin lämpötilaa. Lämpötila nousee hitaasti, kunnes vesi on poistunut, minkä jälkeen se nousee nopeammin. Osittaisen dehydraation yhtälö on seuraava:
Tämän reaktion endoterminen luonne vaikuttaa kipsilevyn toimintaan ja antaa asuinrakennuksille ja muille rakenteille palonkestävyyttä. Tulipalossa kipsilevyn takana oleva rakenne pysyy suhteellisen viileänä, kun kipsistä poistuu vettä. Tämä ehkäisee ja hidastaa rungon vaurioitumista (puuosien palamisen tai teräksen lujuuden heikkenemisen vuoksi korkeissa lämpötiloissa) ja siitä seuraavaa rakenteen sortumista. Korkeammissa lämpötiloissa kalsiumsulfaatti vapauttaa happea ja toimii siten hapettimena. Tätä materiaaliominaisuutta hyödynnetään aluminotermiassa. Kalsinoidulla kipsillä on epätavallinen ominaisuus verrattuna useimpiin mineraaleihin, jotka uudelleen hydratoituessaan muodostavat vain nestemäisiä tai puolijuoksevia pastoja tai pysyvät jauhemaisina. Kun kalsinoitu kipsi sekoitetaan veteen ympäristön lämpötilassa, se palautuu kemiallisesti ensisijaiseen dihydraattimuotoon ja samalla fysikaalisesti ”sitoutuu” jäykäksi ja suhteellisen lujaksi kipsin kidehilaksi, kuten alla olevassa yhtälössä esitetään:
Tämä eksoterminen reaktio tekee kipsin valamisesta erilaisiin muotoihin helppoa. Näitä muotoja ovat muun muassa seinärakenteiden kipsilevyt, taululiidut ja muotit (esim. murtuneiden luiden immobilisointiin tai metallivaluihin). Polymeereihin sekoitettuna sitä on käytetty luun korjaamiseen tarkoitettuna sementtinä.
Kuumennettaessa 180°C:seen muodostuu lähes vedetön muoto, niin kutsuttu γ-anhydriitti (CaSO4·nH2O, jossa n = 0–0,05). γ-anhydriitti reagoi veden kanssa vain hitaasti palautuakseen dihydraattitilaan, joten sitä käytetään laajalti kaupallisena kuivausaineena. Kuumennettaessa yli 250°C:seen muodostuu täysin vedetön β-anhydriitti. β-anhydriitti ei reagoi veden kanssa edes geologisilla aikaskaaloilla, ellei sitä ole jauhettu erittäin hienoksi.
Rappausmassa
Rappausmassa on rakennusmateriaali, jota käytetään seinien ja kattojen suojaavana ja/tai koristeellisena pinnoitteena sekä koristeellisten rakennusosien muotoiluun, muotolistojen valmistukseen ja valamiseen.
Stukko on rappauskoristelua, jota käytetään kohokuvakoristeiden valmistamiseen.
Yleisimpien rappausmassojen pääainesosa on kipsi, kalkki tai sementti. Rappausmassa valmistetaan kuivana jauheena (kipsijauheena). Kun jauhe sekoitetaan veteen, muodostuu jäykkä mutta työstettävä massa. Eksoterminen reaktio veden kanssa vapauttaa lämpöä kiteytymisprosessin kautta, minkä jälkeen hydratoitunut rappausmassa kovettuu.
Kipsirappausmassa
Kipsirappausmassa eli pariisinkipsi valmistetaan kipsin lämpökäsittelyllä (noin 300°F / 150°C):
CaSO4·2H2O + lämpö → CaSO4·0.5H2O + 1.5H2O (vapautuu höyrynä).
Kipsiä voidaan muodostaa uudelleen sekoittamalla kuiva jauhe veteen. Muokkaamattoman kipsirappausmassan sitoutumisen käynnistämiseksi kuiva jauhe sekoitetaan veteen. Sitoutumisreaktio alkaa noin 10 minuutin kuluttua ja päättyy noin 45 minuutin kuluttua. Kipsin täydellinen sitoutuminen saavutetaan kuitenkin noin 72 tunnin kuluttua. Jos rappausmassaa tai kipsiä kuumennetaan yli 266°F:n / 130°C:n lämpötilaan, muodostuu hemihydraattia. Myös hemihydraattijauhe voidaan muuttaa kipsiksi dispergoimalla se veteen.