Ultrazvučno ubrzana kristalizacija gipsa
- Ultrazvučno miješanje i dispergiranje ubrzavaju kristalizaciju i reakciju vezivanja gipsa (CaSO4･2H2O).
- Primjena ultrazvuka velike snage na gipsanu suspenziju ubrzava kristalizaciju i time skraćuje vrijeme vezivanja.
- Osim bržeg vezivanja, proizvedene zidne ploče imaju i manju gustoću.
- Ultrazvučno dispergiranje ojačavajućih nanomaterijala (npr. CNT-ova, nanovlakana ili silicijeva dioksida) u gips rezultira visokom mehaničkom čvrstoćom i niskom poroznošću.
Ultrazvuk za poboljšanu proizvodnju gipsa
Kako bi se pokrenula reakcija vezivanja kalcijeva sulfata hemihidrata i vode, kalcijev sulfat hemihidrat mora se ravnomjerno dispergirati u vodi tako da se pripremi homogena suspenzija. Ultrazvučno dispergiranje osigurava potpuno kvašenje čestica kako bi se postigla potpuna hidratacija hemihidrata. Ultrazvučno miješanje gipsane suspenzije skraćuje vrijeme vezivanja zahvaljujući ubrzanoj kristalizaciji.
Dodatni sastojci poput ubrzivača i ojačavajućih nanomaterijala također se mogu vrlo ravnomjerno umiješati u gipsanu suspenziju.
Načelo rada ultrazvučnog dispergiranja
Kada se ultrazvuk velike snage unese u tekućinu ili suspenziju, nastaje ultrazvučno generirana kavitacija. Ultrazvučna kavitacija stvara lokalno ekstremne uvjete koji uključuju velike smične sile, mlazove tekućine, mikroturbulencije, visoke temperature, brzine zagrijavanja i hlađenja „feat” te visoke tlakove. Te kavitacijske smične sile nadvladavaju sile vezivanja između molekula tako da se one deaglomeriraju i dispergiraju kao pojedinačne čestice. Nadalje, kavitacijski mlazovi tekućine ubrzavaju čestice tako da se one međusobno sudaraju i pritom usitnjavaju do nanoveličine ili čak do veličine primarnih čestica. Ta je pojava poznata kao ultrazvučno mokro mljevenje.
Ultrazvuk velike snage stvara mjesta nukleacije u otopini, čime se postiže ubrzana kristalizacija.
Kliknite ovdje kako biste saznali više o sonokristalizaciji – ultrazvučno potpomognutoj kristalizaciji!
Industrijski ultrazvučni dispergator
Ultrazvučno dispergiranje aditiva
U mnogim kemijskim procesima sonikacija se primjenjuje za umješavanje aditiva kao što su usporivači vezivanja (npr. proteini, organske kiseline), modifikatori viskoznosti (npr. superplastifikatori), sredstva protiv izgaranja, borna kiselina, kemikalije za otpornost na vodu (npr. polisiloksani, emulzije voska), staklena vlakna, sredstva za povećanje otpornosti na požar (npr. vermikulit, gline i/ili pirogeni silicijev dioksid), polimerni spojevi (npr. PVA, PVOH) i drugi uobičajeni aditivi u formulaciju kako bi se poboljšala formulacija žbuke, masa za ispunjavanje spojeva koje se stvrdnjavaju vezivanjem i gipsanih cemenata te skratilo njezino vrijeme vezivanja.
Kliknite ovdje kako biste saznali više o ultrazvučnom miješanju i umješavanju aditiva!
Industrijski ultrazvučni sustavi
Hielscher Ultrasonics vaš je vodeći dobavljač ultrazvučnih sustava velike snage za stolne i industrijske primjene. Hielscher nudi snažne i robusne industrijske ultrazvučne procesore. Naš UIP16000 (16kW) najsnažniji je ultrazvučni procesor na svijetu. Ovaj ultrazvučni sustav snage 16kW s lakoćom obrađuje velike volumene čak i vrlo viskoznih suspenzija (do 10.000cp). Visoke amplitude do 200µm (i više na zahtjev) osiguravaju odgovarajuću obradu materijala kako bi se postigao željeni stupanj dispergiranja, deaglomeracije i mljevenja. Ova intenzivna sonikacija proizvodi suspenzije s nanočesticama za brzo vezivanje i vrhunske proizvode od gipsa.
Robusnost ultrazvučne opreme Hielscher omogućuje rad 24/7 pri velikim opterećenjima i u zahtjevnim okruženjima.
Tablica u nastavku daje okvirni prikaz kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | skup uređaja UIP16000 |
Naše dugogodišnje iskustvo u ultrazvučnoj obradi omogućuje nam savjetovanje kupaca od prvih studija izvedivosti do provedbe procesa na industrijskoj razini.
Literatura i reference
- Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): Utjecaj ultrazvuka velike snage na tečljivost i vezivanje pasti portlandskog cementa; na: 17. međunarodnoj konferenciji o građevnim materijalima 23rd – 26th September 2009, Weimar.
- Rössler, Ch. (2009): Utjecaj ultrazvuka velike snage na tečenje i vezivanje cementnih suspenzija; u: Zbornik radova 17. međunarodne konferencije o građevnim materijalima ibausil, ur. Finger-Institut für Baustoffkunde, Bauhaus-Universität Weimar, str. 1 – 0259 – 1 – 0264.
- Zhongbiao, Man; Chen, Yuehui; Yang, Miao (2012): Priprema i svojstva kompozita od igličastih kristala kalcijeva sulfata i prirodnog kaučuka. Advanced Materials Research sv. 549, 2012. 597–600.
Korisne činjenice
Proizvodnja gipsanih ploča
Tijekom proizvodnje gipsanih ploča vodena suspenzija kalciniranog gipsa – takozvanog kalcijeva sulfata hemihidrata – raspoređuje se između gornjeg i donjeg papirnatog lista. Tako nastali proizvod mora se neprekidno pomicati na transportnoj traci dok suspenzija ne veže. Ploča se zatim suši dok višak vode u gipsanoj ploči ne ispari. U proizvodnji gipsanih zidnih ploča poznata je praksa dodavanja različitih tvari u suspenziju radi poboljšanja proizvodnog procesa ili same ploče. Primjerice, uobičajeno je smanjiti masu suspenzije dodavanjem sredstava za pjenjenje kako bi se postigao određeni stupanj aeracije koji smanjuje gustoću gotove zidne ploče.
Kalcijev sulfat
Kalcijev sulfat (ili kalcijev sulfat) anorganski je spoj s formulom CaSO4 i pripadajućim hidratima. U bezvodnom obliku γ-anhidrita koristi se kao univerzalno sredstvo za sušenje. Određeni hidrat spoja CaSO4 poznat je kao modelarski gips. Drugi važan hidrat jest gips, koji se u prirodi pojavljuje kao mineral. Posebno se gips široko upotrebljava u industriji, npr. kao građevni materijal, punilo, u polimerima itd. Svi oblici spoja CaSO4 pojavljuju se kao bijele krutine i slabo su topljivi u vodi. Kalcijev sulfat uzrokuje trajnu tvrdoću vode.
Anorganski spoj CaSO4 pojavljuje se u trima stupnjevima hidratacije:
- bezvodno stanje (naziv minerala: “anhidrit”) s formulom CaSO4.
- dihidrat (naziv minerala: “gips”) s formulom CaSO4(H2O)2.
- hemihidrat s formulom CaSO4(H22O)0.5. Pojedini hemihidrati mogu se razlikovati kao alfa-hemihidrat i beta-hemihidrat.
Reakcije hidratacije i dehidratacije
Zagrijavanjem se gips pretvara u djelomično dehidrirani mineral – takozvani kalcijev sulfat hemihidrat, kalcinirani gips ili modelarski gips. Kalcinirani gips ima formulu CaSO4·(nH2O), gdje je 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Temperature između 100°C i 150°C (212°F – 302°F) potrebne su za uklanjanje vode vezane u njegovoj strukturi. Točna temperatura i trajanje zagrijavanja ovise o vlažnosti okoline. Za industrijsku kalcinaciju primjenjuju se temperature do čak 170°C (338°F). Međutim, pri tim temperaturama počinje nastajanje γ-anhidrita. Toplinska energija koja se u toj fazi dovodi gipsu (toplina hidratacije) uglavnom se troši na uklanjanje vode (u obliku vodene pare), umjesto na povećanje temperature minerala, koja polako raste dok se sva voda ne ukloni, a zatim raste brže. Jednadžba djelomične dehidratacije glasi:
Endotermno svojstvo ove reakcije važno je za svojstva gipsanih ploča jer stambenim i drugim građevinama pruža otpornost na požar. U požaru konstrukcija iza gipsane ploče ostaje relativno hladna dok gips gubi vodu, čime se sprječava i usporava oštećenje nosive konstrukcije (zbog izgaranja drvenih elemenata ili gubitka čvrstoće čelika pri visokim temperaturama) i posljedično urušavanje konstrukcije. Pri višim temperaturama kalcijev sulfat oslobađa kisik i time djeluje kao oksidacijsko sredstvo. Ovo svojstvo materijala iskorištava se u aluminotermiji. Za razliku od većine minerala, koji pri ponovnoj hidrataciji jednostavno stvaraju tekuće ili polutekuće paste ili ostaju praškasti, kalcinirani gips ima neobično svojstvo. Kada se pomiješa s vodom pri temperaturi okoline, kemijski se vraća u preferirani dihidratni oblik, dok fizički „vezuje” u krutu i relativno čvrstu kristalnu rešetku gipsa, kako je prikazano u jednadžbi u nastavku:
Ova egzotermna reakcija omogućuje vrlo jednostavno lijevanje gipsa u različite oblike, uključujući ploče za suhu gradnju, štapiće krede za školsku ploču i kalupe (npr. za imobilizaciju slomljenih kostiju ili za metalne odljevke). Pomiješan s polimerima, upotrebljavao se kao cement za popravak kostiju.
Zagrijavanjem na 180°C nastaje oblik gotovo bez vode, takozvani γ-anhidrit (CaSO4·nH2O gdje je n = 0 do 0,05). γ-anhidrit samo polako reagira s vodom i vraća se u dihidratno stanje, pa se široko upotrebljava kao komercijalno sredstvo za sušenje. Zagrijavanjem iznad 250°C nastaje potpuno bezvodni oblik β-anhidrita. β-anhidrit ne reagira s vodom, čak ni tijekom geoloških vremenskih razdoblja, osim ako je vrlo fino samljeven.
Žbuka
Žbuka je građevni materijal koji se upotrebljava kao zaštitna i/ili dekorativna obloga za zidove i stropove te za oblikovanje, izradu profilacija i lijevanje dekorativnih građevnih elemenata.
Štukatura je žbukarski rad koji se upotrebljava za izradu reljefnih ukrasa.
Najčešće vrste žbuke formuliraju se s gipsom, vapnom ili cementom kao glavnim sastojkom. Žbuka se proizvodi kao suhi prah (gipsani prah). Kada se prah pomiješa s vodom, nastaje gusta pasta koja se može obrađivati. Egzotermna reakcija s vodom oslobađa toplinu procesom kristalizacije, a zatim hidratizirana žbuka očvršćuje.
Gipsana žbuka
Gipsana žbuka, odnosno pariški gips, proizvodi se toplinskom obradom (pribl. 300°F / 150°C) gipsa:
CaSO4·2H2O + toplina → CaSO4·0.5H2O + 1.5H2O (oslobađa se kao para).
Gips se može ponovno dobiti miješanjem suhog praha s vodom. Kako bi se pokrenulo vezivanje nemodificirane žbuke, suhi prah miješa se s vodom. Nakon pribl. 10 minuta započinje reakcija vezivanja, a završava nakon pribl. 45 minuta. Međutim, potpuno vezivanje gipsa postiže se nakon pribl. 72 sata. Ako se žbuka ili gips zagrijavaju iznad 266°F / 130°C, nastaje hemihidrat. Hemihidratni prah također se može pretvoriti u gips dispergiranjem u vodi.