גיבוש גבס מואץ באמצעות אולטרסאונד

ערבוב ופיזור אולטרסוניים מאיצים את הגיבוש ואת תגובת ההתקשרות של גבס (CaSO₄･2H₂O).
הפעלת אולטרסאונד בהספק גבוה על תרחיף הגבס מאיצה את הגיבוש ובכך מקצרת את זמן ההתקשרות.
מלבד התקשרות מהירה יותר, לוחות הקיר המיוצרים מתאפיינים בצפיפות מופחתת.
הפיזור האולטרסוני של ננו־חומרים מחזקים (למשל CNTs, ננו־סיבים או סיליקה) בתוך גבס מניב חוזק מכני גבוה ונקבוביות נמוכה.

אולטרסאונד לשיפור ייצור הגבס

כדי להתחיל את תגובת ההתקשרות של סידן גופרתי המיהידרט ומים, יש לפזר את הסידן הגופרתי ההמיהידרטי באופן אחיד במים, כך שייווצר תרחיף הומוגני. הפיזור האולטרסוני מבטיח הרטבה מלאה של החלקיקים, כך שמושגת הידרציה מלאה של ההמיהידרט. הערבוב האולטרסוני של תרחיף הגבס מקצר את זמן ההתקשרות בזכות גיבוש מואץ.
ניתן גם לשלב בתרחיף הגבס רכיבים נוספים, כגון מאיצים וננו־חומרים מחזקים, באופן אחיד מאוד.

עקרון הפעולה של פיזור אולטרסוני

כאשר אולטרסאונד בהספק גבוה מועבר לנוזל או לתרחיף, מתרחשת קוויטציה הנוצרת באמצעות אולטרסאונד. קוויטציה אולטרסונית יוצרת תנאים מקומיים קיצוניים, ובהם כוחות גזירה גבוהים, סילוני נוזל, מערבולות זעירות, טמפרטורות גבוהות, קצבי חימום וקירור המתוארים כ־"feat", וכן לחצים גבוהים. כוחות הגזירה הנובעים מקוויטציה מתגברים על כוחות הקישור בין המולקולות, כך שהצברים שלהן מתפרקים והן מתפזרות כחלקיקים בודדים. נוסף על כך, החלקיקים מואצים באמצעות סילוני הנוזל הנוצרים בקוויטציה, כך שהם מתנגשים זה בזה ובכך מתפרקים לגודל ננומטרי ואף לגודל החלקיקים הראשוניים. תופעה זו מוכרת בשם טחינה רטובה אולטרסונית.
אולטרסאונד בהספק גבוה יוצר אתרי התגרענות בתמיסה, וכך מושג גיבוש מואץ.
לחצו כאן למידע נוסף על סונו־גיבוש – גיבוש בסיוע אולטרסאונד!

מערכת אולטרסאונד בהספק גבוה לפיזור בנפחים גדולים

מכשיר פיזור אולטרסוני תעשייתי

פיזור אולטרסוני של תוספים

בתהליכים כימיים רבים משתמשים בסוניקציה כדי לערבב בתערובת תוספים כגון מעכבי התקשרות (למשל חלבונים וחומצות אורגניות), מווסתי צמיגות (למשל סופרפלסטיצייזרים), חומרים נגד בעירה, חומצה בורית, כימיקלים המקנים עמידות למים (למשל פוליסילוקסאנים ותחליבי שעווה), סיבי זכוכית, משפרי עמידות לאש (למשל ורמיקוליט, חרסיות ו/או סיליקה פירוגנית), תרכובות פולימריות (למשל PVA, PVOH) ותוספים מקובלים אחרים, כדי לשפר את ההרכב של טיח, חומרי מילוי מתקשרים למישקים וצמנטי גבס ולקצר את זמן ההתקשרות של התערובת.
לחצו כאן למידע נוסף על ערבוב ושילוב אולטרסוניים של תוספים!

מערכות אולטרסוניות תעשייתיות

Hielscher Ultrasonics היא הספק המוביל שלכם למערכות אולטרסוניות בהספק גבוה ליישומים שולחניים ותעשייתיים. Hielscher מציעה מעבדים אולטרסוניים תעשייתיים עוצמתיים ועמידים. המעבד שלנו UIP16000 (16kW) הוא המעבד האולטרסוני העוצמתי ביותר בעולם. מערכת אולטרסאונד זו, בהספק 16kW, מעבדת בקלות נפחים גדולים אפילו של תרחיפים בעלי צמיגות גבוהה מאוד (עד 10,000cp). אמפליטודות גבוהות של עד 200µm (וגבוהות יותר לפי בקשה) מבטיחות שהחומר יעבור טיפול נאות, כך שתושג הרמה הרצויה של פיזור, פירוק צברים וטחינה. סוניקציה אינטנסיבית זו מייצרת תרחיפים המכילים חלקיקים ננומטריים, המאפשרים קצבי התקשרות מהירים ומוצרי גבס באיכות מעולה.
עמידותו של הציוד האולטרסוני של Hielscher מאפשרת הפעלה 24/7 בעומסי עבודה כבדים ובסביבות תובעניות.
הטבלה שלהלן מציגה את כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו:

נפח אצווה	ספיקת זרימה	מכשירים מומלצים
10 עד 2000mL	20 עד 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0.1 עד 20L	0.2 עד 4L/min	UIP2000hdT
10 עד 100L	2 עד 10L/min	UIP4000
n.a.	10 עד 100L/min	UIP16000
n.a.	גבוהה יותר	אשכול של UIP16000

ניסיוננו הרב בעיבוד אולטרסוני מסייע לנו לייעץ ללקוחותינו החל מבדיקות ההיתכנות הראשוניות ועד ליישום התהליך בקנה מידה תעשייתי.

השתמשו במעבדת התהליכים האולטרסוניים ובמרכז הטכני שלנו לפיתוח ולמיטוב התהליך שלכם!

ספרות ומקורות

Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): השפעת אולטרסאונד רב־עוצמה על הנזילות וההתקשרות של עיסות צמנט פורטלנד; במסגרת: הכנס הבינלאומי ה־17 לחומרי בנייה, 23rd – 26th September 2009, ויימאר.
Rössler, Ch. (2009): השפעת אולטרסאונד רב־עוצמה על התנהגות הזרימה וההתקשרות של תרחיפי צמנט; בתוך: קובץ מאמרי הכנס הבינלאומי ה־17 לחומרי בנייה ibausil, בעריכת מכון Finger לחקר חומרי בנייה, אוניברסיטת באוהאוס ויימאר, עמ׳ 1 – 0259 – 1 – 0264.
Zhongbiao, Man; Chen, Yuehui; Yang, Miao (2012): הכנה ותכונות של חומרים מרוכבים משעריות גבישיות של סידן גופרתי ומגומי טבעי. Advanced Materials Research כרך 549, 2012. 597-600.

נושאים קשורים

עובדות שכדאי לדעת

ייצור לוחות גבס

במהלך תהליך הייצור של לוחות גבס, תרחיף מימי של גבס קלוי – המכונה סידן גופרתי המיהידרט – נפרש בין יריעות הנייר העליונה והתחתונה. יש להניע את המוצר שנוצר כך ברציפות על מסוע עד שהתרחיף מתקשר. לאחר מכן מייבשים את הלוח עד שעודפי המים בלוח הגבס מתאדים. בייצור לוחות גבס לקירות מקובל להוסיף לתרחיף חומרים שונים לשיפור תהליך הייצור או הלוח עצמו. לדוגמה, מקובל להפחית את משקל התרחיף באמצעות שילוב חומרי הקצפה, כדי להקנות לו מידה מסוימת של אוורור המפחיתה את צפיפות לוח הקיר הסופי.

סידן גופרתי

סידן גופרתי (או סולפט הסידן) הוא תרכובת אי־אורגנית שנוסחתה CaSO₄ , ולה הידרטים קשורים. בצורתו נטולת המים, γ-אנהידריט, הוא משמש כחומר מייבש לשימוש כללי. הידרט מסוים של CaSO₄ מוכר בשם גבס פריז. הידרט חשוב נוסף הוא גבס, המופיע בטבע כמינרל. גבס בפרט נמצא בשימוש נרחב ביישומים תעשייתיים, למשל כחומר בנייה, כחומר מילוי, בפולימרים וכדומה. כל הצורות של CaSO₄ מופיעות כמוצקים לבנים ומסיסות בקושי במים. סידן גופרתי גורם לקשיות קבועה במים.
התרכובת האי־אורגנית CaSO₄ מופיעה בשלוש דרגות הידרציה:

מצב נטול מים (שם המינרל: "אנהידריט") שנוסחתו CaSO₄.
דיהידרט (שם המינרל: "גבס") שנוסחתו CaSO₄(H₂O)₂.
המיהידרט שנוסחתו CaSO₄(H2₂O)0.5. ניתן להבחין בין צורות מסוימות של המיהידרט: אלפא־המיהידרט ובטא־המיהידרט.

תגובות הידרציה ודהידרציה
כאשר מחממים גבס, הוא הופך למינרל שעבר דהידרציה חלקית – המכונה סידן גופרתי המיהידרט, גבס קלוי או גבס פריז. נוסחתו של גבס קלוי היא CaSO₄·(nH₂O), כאשר 0.5 ≤ n ≤ 0.8. טמפרטורות שבין 100°C ל־150°C ‏(212°F – 302°F) נדרשות לסילוק המים הקשורים במבנה שלו. טמפרטורת החימום המדויקת ומשך החימום תלויים בלחות הסביבה. בקלייה תעשייתית משתמשים בטמפרטורות המגיעות עד 170°C ‏(338°F). עם זאת, בטמפרטורות אלה מתחילה היווצרות של γ-אנהידריט. אנרגיית החום המסופקת לגבס בשלב זה (חום ההידרציה) נוטה לשמש לסילוק מים (כאדי מים) במקום להעלות את טמפרטורת המינרל, העולה באיטיות עד שהמים נעלמים ולאחר מכן עולה מהר יותר. המשוואה לדהידרציה החלקית היא:

התכונה האנדותרמית של תגובה זו רלוונטית לביצועיהם של לוחות גבס, ומקנה עמידות באש למבני מגורים ולמבנים אחרים. בזמן שרפה, השלד שמאחורי לוח הגבס יישאר קריר יחסית כאשר הגבס מאבד מים, וכך תימנע ותעוכב פגיעה בשלד (עקב בעירת רכיבי עץ או אובדן חוזק הפלדה בטמפרטורות גבוהות) וקריסת המבנה הנובעת ממנה. בטמפרטורות גבוהות יותר, סידן גופרתי משחרר חמצן ובכך פועל כחומר מחמצן. תכונה זו של החומר משמשת באלומינותרמיה. בניגוד לרוב המינרלים, שבמהלך הידרציה חוזרת פשוט יוצרים עיסות נוזליות או נוזליות למחצה, או נשארים אבקתיים, לגבס קלוי יש תכונה יוצאת דופן. כאשר מערבבים אותו עם מים בטמפרטורת הסביבה, הוא חוזר מבחינה כימית לצורת הדיהידרט המועדפת, ובמקביל הוא "מתקשר" מבחינה פיזיקלית ויוצר סריג גבישי גבס קשיח וחזק יחסית, כפי שמוצג במשוואה שלהלן:

תגובה אקסותרמית זו מקלה מאוד על יציקת גבס לצורות שונות, ובהן לוחות לקירות גבס, מקלות גיר ללוחות כתיבה ותבניות (למשל לקיבוע עצמות שבורות או ליציקות מתכת). בתערובת עם פולימרים, הוא שימש כצמנט לתיקון עצמות.
בחימום ל-180°C נוצרת צורה כמעט נטולת מים, המכונה γ-אנהידריט (CaSO₄·nH₂O כאשר n = 0 עד 0.05). γ-אנהידריט מגיב עם מים רק באיטיות וחוזר למצב הדיהידרט, ולכן הוא משמש בהיקף נרחב כחומר ייבוש מסחרי. בחימום מעל 250°C נוצרת הצורה נטולת המים לחלוטין של β-אנהידריט. β-אנהידריט אינו מגיב עם מים, אפילו לאורך פרקי זמן גאולוגיים, אלא אם כן הוא טחון דק מאוד.

טיח

טיח הוא חומר בנייה המשמש כציפוי מגן ו/או דקורטיבי לקירות ולתקרות, וכן לעיצוב, להכנת פיתוחים וליציקת רכיבי בנייה דקורטיביים.
סטוקו הוא עבודת טיח המשמשת ליצירת עיטורי תבליט.
סוגי הטיח הנפוצים ביותר מבוססים על גבס, סיד או צמנט כמרכיב העיקרי. טיח מיוצר כאבקה יבשה (אבקת גבס). כאשר מערבבים את האבקה עם מים, נוצרת עיסה נוקשה אך נוחה לעיבוד. התגובה האקסותרמית עם המים משחררת חום בתהליך התגבשות, ולאחר מכן הטיח שעבר הידרציה מתקשה.

טיח גבס

טיח גבס, או גבס פריז, מיוצר באמצעות טיפול תרמי (כ-300°F / 150°C) בגבס:
CaSO₄·2H₂O + חום → CaSO₄·0.5H₂O + 1.5H₂O (משתחררים כאדי מים).
ניתן ליצור מחדש גבס באמצעות ערבוב האבקה היבשה עם מים. כדי להתחיל את ההתקשרות של טיח ללא תוספים משנים, מערבבים את האבקה היבשה עם מים. לאחר כ-10 דקות מתחילה תגובת ההתקשרות, והיא מסתיימת לאחר כ-45 דקות. עם זאת, התקשרות מלאה של הגבס מושגת לאחר כ-72 שעות. אם מחממים טיח או גבס מעל 266°F / 130°C, נוצר המיהידרט. ניתן גם להפוך אבקת המיהידרט לגבס באמצעות פיזורה במים.