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 de puissance à la suspension de gypse accélère la cristallisation et réduit ainsi le temps de prise.
- Outre une prise plus rapide, les plaques produites présentent une densité réduite.
- La dispersion par ultrasons de nanomatériaux de renforcement (p. ex. CNTs, nanofibres ou silice) dans le gypse permet d’obtenir une résistance mécanique élevée et une faible porosité.
Les ultrasons pour améliorer la fabrication du gypse
Pour amorcer la réaction de prise entre le sulfate de calcium hémihydraté et l’eau, le sulfate de calcium hémihydraté doit être dispersé uniformément dans l’eau afin de préparer une suspension homogène. La dispersion par ultrasons garantit un mouillage complet des particules, permettant ainsi une hydratation complète de l’hémihydrate. Le mélange par ultrasons de la suspension de gypse réduit le temps de prise grâce à une cristallisation accélérée.
D’autres ingrédients, tels que des accélérateurs et des nanomatériaux de renforcement, peuvent également être incorporés de façon très homogène à la suspension de gypse.
Principe de fonctionnement de la dispersion par ultrasons
Lorsque des ultrasons de forte puissance sont couplés à un liquide ou à une suspension, une cavitation produite par les ultrasons se forme. La cavitation ultrasonore crée localement des conditions extrêmes, notamment des forces de cisaillement élevées, des jets de liquide, des microturbulences, des températures élevées, des vitesses de chauffage et de refroidissement « feat », ainsi que des pressions élevées. Ces forces de cisaillement dues à la cavitation surmontent les forces de liaison entre les molécules, qui sont ainsi désagglomérées et dispersées sous forme de particules individuelles. De plus, les particules sont accélérées par les jets de liquide dus à la cavitation, de sorte qu’elles entrent en collision les unes avec les autres et sont ainsi fragmentées jusqu’à une taille nanométrique, voire jusqu’à la taille des particules primaires. Ce phénomène est appelé 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 sonocristallisation – la cristallisation assistée par ultrasons !
Disperseur industriel à ultrasons
Dispersion des additifs par ultrasons
Dans de nombreux procédés chimiques, la sonication est utilisée pour incorporer à la formulation des additifs tels que des retardateurs de prise (p. ex. protéines, acides organiques), des modificateurs de viscosité (p. ex. superplastifiants), des agents anti-brûlure, de l’acide borique, des produits chimiques hydrofuges (p. ex. polysiloxanes, émulsions de cire), des fibres de verre, des agents améliorant la résistance au feu (p. ex. vermiculite, argiles et/ou silice pyrogénée), des composés polymères (p. ex. PVA, PVOH) et d’autres additifs classiques, afin d’améliorer la formulation des enduits, des produits de jointoiement à prise chimique et des ciments à base de gypse, et d’en réduire le temps de prise.
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Systèmes industriels à ultrasons
Hielscher Ultrasonics est votre fournisseur de premier choix de systèmes à ultrasons de forte puissance pour les applications de laboratoire et industrielles. Hielscher propose des processeurs industriels à ultrasons puissants et robustes. Notre UIP16000 (16kW) est le processeur à ultrasons le plus puissant au monde. Ce système à ultrasons de 16kW traite facilement de grands volumes de suspensions, même très visqueuses (jusqu’à 10 000cp). Des amplitudes élevées allant jusqu’à 200µm (et davantage sur demande) garantissent un traitement adéquat du matériau afin d’atteindre le degré souhaité de dispersion, de désagglomération et de broyage. Cette sonication intense produit des suspensions de nanoparticules permettant une prise rapide et l’obtention de produits à base de gypse de qualité supérieure.
La robustesse des équipements à ultrasons Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en service intensif et dans des environnements exigeants.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos appareils à ultrasons :
| Volume par lot | Débit | Appareils 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 |
| sans objet | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| sans objet | supérieur | ensemble d’appareils UIP16000 |
Notre longue expérience du traitement par ultrasons nous permet de conseiller nos clients, des premières études de faisabilité à la mise en œuvre du procédé à l’échelle industrielle.
Bibliographie et références
- Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): Influence des ultrasons de puissance sur la fluidité et la prise des pâtes de ciment Portland; présenté à : 17e Conférence internationale sur les matériaux de construction, du 23 au 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.
Informations utiles
Production de plaques de plâtre
Lors de la fabrication des plaques de plâtre, une suspension aqueuse de gypse calciné – appelé sulfate de calcium hémihydraté – est étalée entre les feuilles de papier supérieure et inférieure. Le produit ainsi créé doit avancer en continu sur un convoyeur à bande jusqu’à la prise de la suspension. La plaque est ensuite séchée jusqu’à évaporation de l’eau excédentaire qu’elle contient. Dans la production de plaques de plâtre, il est courant d’ajouter diverses substances à la suspension pour améliorer le procédé de fabrication ou la plaque elle-même. Par exemple, on allège habituellement la suspension en y incorporant des agents moussants qui lui confèrent un certain degré d’aération, réduisant ainsi la densité de la plaque finale.
Sulfate de calcium
Le sulfate de calcium est un composé inorganique de formule CaSO4 et possédant des hydrates associés. Sous sa forme anhydre de γ-anhydrite, il est utilisé comme dessiccant à usage général. Un hydrate particulier de CaSO4 est connu sous le nom de plâtre de Paris. Un autre hydrate important est le gypse, qui se trouve naturellement sous forme de minéral. Le gypse, en particulier, est largement utilisé dans les applications industrielles, par exemple comme matériau de construction, comme charge, dans les polymères, etc. Toutes les formes de CaSO4 se présentent sous forme de solides blancs et sont très peu solubles dans l’eau. Le sulfate de calcium est responsable de la dureté permanente de l’eau.
Le composé inorganique CaSO4 existe à trois degrés d’hydratation :
- état anhydre (nom du minéral : « anhydrite ») de formule CaSO4.
- dihydrate (nom du minéral : « gypse ») de formule CaSO4(H2O)2.
- hémihydrate de formule CaSO4(H22O)0.5. On distingue notamment l’alpha-hémihydrate et le bêta-hémihydrate.
Réactions d’hydratation et de déshydratation
Sous l’effet de la chaleur, le gypse se transforme en un minéral partiellement déshydraté – appelé sulfate de calcium hémihydraté, gypse calciné ou plâtre de Paris. Le gypse calciné a pour formule CaSO4·(nH2O), où 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Des 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 utilisées pour la calcination industrielle. Toutefois, à ces températures, la formation de γ-anhydrite commence. L’énergie thermique apportée au gypse à ce stade (la chaleur d’hydratation) sert principalement à évacuer l’eau (sous forme de vapeur d’eau), plutôt qu’à augmenter la température du minéral. Celle-ci augmente lentement jusqu’à l’élimination de l’eau, puis plus rapidement. L’équation de la déshydratation partielle est la suivante :
Le caractère endothermique de cette réaction contribue aux performances des plaques de plâtre en conférant une résistance au feu aux bâtiments résidentiels et aux autres constructions. En cas d’incendie, la structure située derrière une plaque de plâtre reste relativement froide à mesure que le gypse perd son eau, ce qui prévient et retarde les dommages à l’ossature (dus à la combustion des éléments en bois ou à la perte de résistance de l’acier à haute température) et l’effondrement structurel qui en résulte. À des températures plus élevées, le sulfate de calcium libère de l’oxygène et agit ainsi comme agent oxydant. Cette caractéristique du matériau est utilisée en 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 possède une propriété inhabituelle. Lorsqu’il est mélangé à de l’eau à température ambiante, il retrouve chimiquement la forme dihydratée privilégiée, tandis qu’il « fait prise » physiquement pour former un réseau cristallin de gypse rigide et relativement résistant, comme le montre l’équation ci-dessous :
Cette réaction exothermique permet de mouler facilement le gypse sous diverses formes, notamment des plaques de plâtre, des bâtons de craie pour tableaux et des moulages (p. ex. pour immobiliser des os fracturés ou pour la coulée de métaux). Mélangé à des polymères, il a été utilisé comme ciment de réparation osseuse.
Lorsqu’il est chauffé à 180°C, une forme presque dépourvue 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, ce qui explique son utilisation courante comme dessiccant commercial. Lorsqu’elle est chauffée au-dessus de 250°C, la forme entièrement anhydre de β-anhydrite apparaît. La β-anhydrite ne réagit pas avec l’eau, même à des échelles de temps géologiques, à moins d’être très finement broyée.
Enduit
L’enduit est un matériau de construction utilisé comme revêtement protecteur et/ou décoratif pour les murs et les plafonds, ainsi que pour le moulage et la réalisation de moulures et d’éléments décoratifs de construction. Le stuc est un ouvrage en enduit utilisé pour réaliser des décorations en relief.
Les types d’enduits les plus courants sont formulés à partir de gypse, de chaux ou de ciment comme ingrédient principal. L’enduit est produit sous forme de poudre sèche (poudre de gypse). Lorsque la poudre est mélangée à de l’eau, une pâte ferme mais malléable se forme. La réaction exothermique avec l’eau dégage de la chaleur par un processus de cristallisation, puis l’enduit hydraté durcit.
Plâtre de gypse
Le plâtre de gypse, ou plâtre de Paris, est produit par traitement thermique (environ 300°F / 150°C) du gypse :
CaSO4·2H2O + chaleur → CaSO4·0.5H2O + 1.5H2O (libérée sous forme de vapeur).
Le gypse peut être reconstitué en mélangeant la poudre sèche avec de l’eau. Pour amorcer la prise d’un plâtre non modifié, la poudre sèche est mélangée à de l’eau. Après environ 10 minutes, la réaction de prise commence et s’achève après environ 45 minutes. Toutefois, la prise complète du gypse est atteinte après environ 72 heures. Si le plâtre ou le gypse est chauffé au-dessus de 266°F / 130°C, un hémihydrate se forme. La poudre d’hémihydrate peut également être transformée en gypse lorsqu’elle est dispersée dans l’eau.