Cristallisation du gypse accélérée par ultrasons
- Le mélange et la dispersion par ultrasons accélèrent la cristallisation et la réaction de prise du gypse (CaSO4･2H2O).
- L'application d'ultrasons puissants à la boue de gypse accélère la cristallisation et réduit ainsi le temps de prise.
- Outre une prise plus rapide, les panneaux muraux produits présentent une densité réduite.
- La dispersion par ultrasons de nanomatériaux de renforcement (par exemple, des NTC, des nanofibres ou de la silice) dans le gypse permet d'obtenir une résistance mécanique élevée et une faible porosité.
Les ultrasons pour améliorer la fabrication du plâtre
Afin d'initier la réaction de prise du sulfate de calcium hémihydraté et de l'eau, le sulfate de calcium hémihydraté doit être dispersé uniformément dans l'eau de manière à préparer une boue homogène. La dispersion ultrasonique garantit que les particules sont entièrement mouillées afin d'obtenir une hydratation complète de l'hémihydrate. Le mélange ultrasonique de la suspension de gypse accélère le temps de prise en raison d'une cristallisation accélérée.
Des ingrédients supplémentaires, tels que des accélérateurs et des nanomatériaux de renforcement, peuvent également être mélangés de manière très homogène à la suspension de gypse.
Principe de fonctionnement de la dispersion ultrasonique
Lorsque des ultrasons de forte puissance sont couplés à un liquide ou à une boue, il se produit une cavitation générée par les ultrasons. cavitation ultrasonique crée localement des conditions extrêmes, notamment des forces de cisaillement élevées, des jets de liquide, des microturbulences, des températures élevées, des taux de chauffage et de refroidissement importants ainsi que des pressions élevées. Ces forces de cisaillement cavitationnelles surmontent les forces de liaison entre les molécules, de sorte qu'elles sont désagglomérées et dispersées sous forme de particules individuelles. En outre, les particules sont accélérées par les jets de liquide en cavitation de sorte qu'elles entrent en collision les unes avec les autres et sont ainsi réduites à la taille de nanoparticules, voire de particules primaires. Ce phénomène est connu sous le nom de broyage humide par ultrasons.
Les ultrasons de puissance créent des sites de nucléation dans la solution, ce qui accélère la cristallisation.
Cliquez ici pour en savoir plus sur la sono-cristallisation – la cristallisation assistée par ultrasons !
disperseur ultrasonique industriel
Dispersion d'additifs par ultrasons
Dans de nombreux procédés chimiques, la sonication est utilisée pour mélanger des additifs tels que des agents retardateurs (par exemple des protéines, des acides organiques), des modificateurs de viscosité (par exemple des superplastifiants), des agents anti-brûlure, de l'acide borique, des produits chimiques résistant à l'eau (par exemple des polysiloxanes, des émulsions de cire), des fibres de verre, des renforçateurs de résistance au feu (par exemple de la vermiculite, des argiles et/ou de la silice fumée), des composés polymères (par exemple PVA, PVOH) et d'autres additifs conventionnels.vermiculite, argiles et/ou silice pyrogénée), composés polymères (par exemple PVA, PVOH) et autres additifs conventionnels dans la formulation afin d'améliorer la formulation du plâtre, des composés pour joints de type à prise et des ciments de gypse et de réduire leur temps de prise.
Cliquez ici pour en savoir plus sur le mélange d'additifs par ultrasons !
systèmes industriels à ultrasons
Hielscher Ultrasonics est votre principal fournisseur de systèmes ultrasoniques de haute puissance pour les applications industrielles et de laboratoire. Hielscher propose des processeurs ultrasoniques industriels puissants et robustes. Nos UIP16000 (16kW) est le processeur à ultrasons le plus puissant au monde. Ce système à ultrasons de 16 kW traite facilement de grands volumes de boues, même très visqueuses (jusqu'à 10 000 cp). Des amplitudes élevées allant jusqu'à 200 µm (et plus sur demande) garantissent que le matériau est correctement traité afin d'obtenir le niveau souhaité de dispersion, de désagglomération et de broyage. Cette sonication intense produit des boues nanoparticulées pour des taux de prise rapides et des produits de gypse de qualité supérieure.
La robustesse de l'équipement ultrasonique de Hielscher lui permet de fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, dans des conditions difficiles et dans des environnements exigeants.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :
| Volume du lot | Débit | Dispositifs recommandés |
|---|---|---|
| 10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 à 20L | 0.2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000 |
| n.d. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | plus grande | groupe de UIP16000 |
Notre longue expérience dans le domaine du traitement par ultrasons nous permet de conseiller nos clients depuis les premières études de faisabilité jusqu'à la mise en œuvre du processus à l'échelle industrielle.
Littérature/références
- Peters, S. ; Stöckigt, M. ; Rössler, Ch. (2009) : Influence des ultrasons de puissance sur la fluidité et la prise des pâtes de ciment Portland; à : 17e Conférence internationale sur les matériaux de construction 23 - 26 septembre 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) : Préparation et propriétés des composites whisker de sulfate de calcium/caoutchouc naturel. Advanced Materials Research vol. 549, 2012. 597-600.
Qu'il faut savoir
Production de plaques de plâtre
Au cours du processus de fabrication des plaques de plâtre, une boue aqueuse de gypse calciné est utilisée pour la fabrication des plaques de plâtre. – appelé sulfate de calcium hémihydraté – est réparti entre les feuilles de papier supérieures et inférieures. Le produit ainsi créé doit être déplacé en continu sur une bande transporteuse jusqu'à ce que la boue ait durci. La feuille est ensuite séchée jusqu'à ce que l'excès d'eau dans la plaque de plâtre se soit évaporé. Dans la production de plaques de plâtre, il est courant d'ajouter diverses substances à la pâte afin d'améliorer le processus de production ou la plaque elle-même. Par exemple, il est courant d'alléger le poids de la boue en y incorporant des agents moussants afin d'assurer un certain degré d'aération qui réduit la densité de la plaque de plâtre finale.
sulfate de calcium
Le sulfate de calcium (ou sulfate de calcium) est un composé inorganique dont la formule est CaSO4 et des hydrates apparentés. Sous la forme anhydre de γ-anhydrite, il est utilisé comme déshydratant universel. Un hydrate particulier de CaSO4 est connu sous le nom de plâtre de Paris. Un autre hydrate important est le gypse, qui existe à l'état naturel en tant que minéral. Le gypse est largement utilisé pour des applications industrielles, par exemple comme matériau de construction, charge, dans les polymères, etc. Toutes les formes de CaSO4 se présentent sous la forme de solides blancs et sont difficilement solubles dans l'eau. Le sulfate de calcium provoque une dureté permanente de l'eau.
Le composé inorganique CaSO4 se produit à trois niveaux d'hydratation :
- état anhydre (nom minéral : “anhydrite”) dont la formule est CaSO4.
- dihydrate (nom minéral : “gypse”) dont la formule est CaSO4(H2O)2.
- hémihydrate de formule CaSO4(H22O)0.5. Les hémihydrates spécifiques peuvent être distingués en tant qu'alpha-hémihydrate et bêta-hémihydrate.
Réactions d'hydratation et de déshydratation
Sous l'effet de la chaleur, le gypse se transforme en un minéral partiellement déshydraté – le sulfate de calcium hémihydraté, le gypse calciné ou le plâtre de Paris. Le gypse calciné a la formule CaSO4-(nH2O), où 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Les températures comprises entre 100°C et 150°C (212°F – 302°F) sont nécessaires pour éliminer l'eau liée à sa structure. La température et la durée exactes du chauffage dépendent de l'humidité ambiante. Des températures allant jusqu'à 170°C (338°F) sont appliquées pour la calcination industrielle. Cependant, à ces températures, la formation de γ-anhydrite commence. L'énergie thermique fournie au gypse à ce moment-là (la chaleur d'hydratation) tend à chasser l'eau (sous forme de vapeur d'eau) au lieu d'augmenter la température du minéral, qui augmente lentement jusqu'à ce qu'il n'y ait plus d'eau, puis plus rapidement. L'équation de la déshydratation partielle est la suivante :
La propriété endothermique de cette réaction est importante pour la performance des cloisons sèches, qui confèrent une résistance au feu aux structures résidentielles et autres. En cas d'incendie, la structure située derrière une plaque de placoplâtre reste relativement froide car l'eau s'échappe du gypse, ce qui permet d'éviter et de retarder les dommages causés à l'ossature (par la combustion des éléments en bois ou la perte de résistance de l'acier à des températures élevées) et l'effondrement de la structure qui en découle. À des températures plus élevées, le sulfate de calcium libère de l'oxygène et agit donc comme un agent oxydant. Cette caractéristique du matériau est utilisée dans l'aluminothermie. Contrairement à la plupart des minéraux qui, lorsqu'ils sont réhydratés, forment simplement des pâtes liquides ou semi-liquides, ou restent pulvérulents, le gypse calciné présente une propriété inhabituelle. Lorsqu'il est mélangé à de l'eau à température ambiante, il revient chimiquement à la forme dihydrate préférée, tout en étant physiquement “réglage” en un réseau cristallin de gypse rigide et relativement solide, comme le montre l'équation ci-dessous :
Cette réaction exothermique permet de mouler facilement le gypse sous diverses formes : plaques pour les murs secs, bâtons pour la craie du tableau noir et moules (par exemple pour immobiliser les os cassés ou pour les moulages métalliques). Mélangé à des polymères, il a été utilisé comme ciment de réparation osseuse.
Lorsqu'elle est chauffée à 180°C, une forme presque exempte d'eau, appelée γ-anhydrite (CaSO4-nH2O où n = 0 à 0,05), se forme. La γ-Anhydrite ne réagit que lentement avec l'eau pour revenir à l'état dihydraté, de sorte qu'elle est largement utilisée comme déshydratant commercial. Lorsqu'elle est chauffée à plus de 250°C, la forme complètement anhydre de la β-anhydrite apparaît. La β-anhydrite ne réagit pas avec l'eau, même à l'échelle des temps géologiques, à moins qu'elle ne soit très finement broyée.
plâtre
Le plâtre est un matériau de construction utilisé comme revêtement protecteur et/ou décoratif pour les murs, les plafonds et pour mouler et couler des éléments de construction décoratifs.
Le stuc est un travail de plâtre qui permet de réaliser des décorations en relief.
Les types de plâtre les plus courants sont formulés à partir de gypse, de chaux ou de ciment comme ingrédient principal. Le plâtre est produit sous forme de poudre sèche (poudre de gypse). Lorsque la poudre est mélangée à de l'eau, il se forme une pâte rigide mais facile à travailler. La réaction exothermique avec l'eau libère de la chaleur par un processus de cristallisation, puis le plâtre hydraté durcit.
Plâtre
Le plâtre, ou plâtre de Paris, est produit par un traitement thermique (environ 300°F / 150°C) du gypse :
CaSO4-2H2O + chaleur → CaSO4-0.5H2O + 1,5H2O (libéré sous forme de vapeur).
Le gypse peut être reformé en mélangeant la poudre sèche avec de l'eau. Pour amorcer la prise du plâtre non modifié, la poudre sèche est mélangée à de l'eau. Après environ 10 minutes, la réaction de prise se met en place et s'achève après environ 45 minutes. La prise complète du plâtre est atteinte après environ 72 heures. Si le plâtre est chauffé à plus de 130°C, il se forme de l'hémihydrate. La poudre hémihydrate peut également se transformer en gypse lorsqu'elle est dispersée dans l'eau.