A gipsz ultrahanggal gyorsított kristályosodása
- Az ultrahangos keverés és diszpergálás felgyorsítja a gipsz kristályosodását és kötési reakcióját (CaSO4･2H2O).
- A nagy teljesítményű ultrahang alkalmazása a gipsziszapban felgyorsítja a kristályosodást, ezáltal csökkenti a kötési időt.
- A gyorsabb kötés mellett az előállított falburkoló lapok sűrűsége is kisebb.
- Az erősítő nanoanyagok (pl. CNT-k, nanoszálak vagy szilícium-dioxid) ultrahangos diszpergálása a gipszben nagy mechanikai szilárdságot és alacsony porozitást eredményez.
Ultrahang a gipszgyártás javítására
A kalcium-szulfát-hemihidrát és a víz kötési reakciójának elindításához a kalcium-szulfát-hemihidrátot egyenletesen kell diszpergálni a vízben, hogy homogén iszap keletkezzen. Az ultrahangos diszpergálás biztosítja a részecskék teljes nedvesítését, így a hemihidrát teljes hidratációja érhető el. A gipsziszap ultrahangos keverése a felgyorsított kristályosodás révén lerövidíti a kötési időt.
További összetevők, például kötésgyorsítók és erősítő nanoanyagok is igen egyenletesen keverhetők a gipsziszapba.
Az ultrahangos diszpergálás működési elve
Amikor nagy teljesítményű ultrahangot csatolnak be egy folyadékba vagy iszapba, ultrahang által keltett kavitáció lép fel. Az ultrahangos kavitáció helyileg szélsőséges körülményeket hoz létre, többek között nagy nyíróerőket, folyadéksugarakat, mikroturbulenciát, magas hőmérsékletet, „feat” felfűtési és hűtési sebességeket, valamint nagy nyomást. Ezek a kavitációs nyíróerők legyőzik a molekulák közötti kötőerőket, így azok deagglomerálódnak, és különálló részecskékként diszpergálódnak. Ezenkívül a kavitációs folyadéksugarak felgyorsítják a részecskéket, amelyek így egymásnak ütköznek, és nanoméretűre vagy akár az elsődleges részecskék méretére aprózódnak. E jelenség neve ultrahangos nedves őrlés.
A nagy teljesítményű ultrahang kristálygócképződési helyeket hoz létre az oldatban, így felgyorsítja a kristályosodást.
Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni a szonokristályosításról – az ultrahanggal segített kristályosításról!
Ipari ultrahangos diszpergáló
Adalékanyagok ultrahangos diszpergálása
Számos kémiai folyamatban ultrahangos kezeléssel kevernek a készítménybe adalékanyagokat, például kötéskésleltetőket (pl. fehérjéket, szerves savakat), viszkozitásmódosítókat (pl. szuperfolyósítókat), megégés elleni szereket, bórsavat, vízállóságot biztosító vegyszereket (pl. polisziloxánokat, viaszemulziókat), üvegszálakat, tűzállóságot javító anyagokat (pl. vermikulitot, agyagokat és/vagy pirogén szilícium-dioxidot), polimer vegyületeket (pl. PVA-t, PVOH-t) és más hagyományos adalékanyagokat a vakolatok, kötő hézagkitöltő anyagok és gipszcementek összetételének javítása, valamint kötési idejük csökkentése érdekében.
Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni az adalékanyagok ultrahangos keveréséről és elegyítéséről!
Ipari ultrahangos rendszerek
A Hielscher Ultrasonics az Ön vezető beszállítója a nagy teljesítményű ultrahangos rendszerek terén, asztali és ipari alkalmazásokhoz. A Hielscher nagy teljesítményű és robusztus ipari ultrahangos processzorokat kínál. Az általunk kínált UIP16000 (16kW) a világ legerősebb ultrahangos processzora. Ez a 16kW teljesítményű ultrahangos rendszer még az igen nagy viszkozitású (akár 10 000cp) iszapok nagy mennyiségét is könnyedén feldolgozza. Az akár 200µm értékű nagy amplitúdók (kérésre ennél nagyobbak is) biztosítják az anyag megfelelő kezelését, így elérhető a diszpergálás, a deagglomerálás és az őrlés kívánt mértéke. Ez az intenzív ultrahangos kezelés nanorészecskéket tartalmazó iszapokat állít elő, amelyek gyors kötést és kiváló gipsztermékeket tesznek lehetővé.
A Hielscher ultrahangos berendezéseinek robusztussága lehetővé teszi a 24/7 üzemelést nagy igénybevétel mellett és nehéz üzemi körülmények között.
Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:
| Adagtérfogat | Térfogatáram | Ajánlott készülékek |
|---|---|---|
| 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. | nagyobb | készülékcsoport: UIP16000 |
Az ultrahangos feldolgozásban szerzett sokéves tapasztalatunk révén tanácsadással támogatjuk ügyfeleinket az első megvalósíthatósági tanulmányoktól a folyamat ipari léptékű megvalósításáig.
Szakirodalom és hivatkozások
- Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): A nagy teljesítményű ultrahang hatása a portlandcement-pépek folyóképességére és kötésére; a 17. Nemzetközi Építőanyag-konferencián, 23rd – 26th September 2009, Weimar.
- Rössler, Ch. (2009): A nagy teljesítményű ultrahang hatása a cementszuszpenziók folyási és kötési viselkedésére; megjelent: a 17. ibausil Nemzetközi Építőanyag-konferencia konferenciakötetében, szerk. Finger-Institut für Baustoffkunde, Bauhaus-Universität Weimar, 1 – 0259 – 1 – 0264. o.
- Zhongbiao, Man; Chen, Yuehui; Yang, Miao (2012): Kalcium-szulfát-tűkristály/természetes kaucsuk kompozitok előállítása és tulajdonságai. Advanced Materials Research, 549. kötet, 2012. 597–600.
Hasznos tudnivalók
A gipszkarton gyártása
A gipszkarton gyártása során égetett gipsz – úgynevezett kalcium-szulfát-hemihidrát – vizes iszapját terítik el a felső és az alsó papírlap között. Az így létrehozott terméket folyamatosan továbbítani kell egy szállítószalagon, amíg az iszap meg nem köt. A lapot ezután addig szárítják, amíg a gipszkartonban lévő felesleges víz el nem párolog. A gipsz falburkoló lapok gyártásában ismert eljárás, hogy különféle anyagokat adnak az iszaphoz a gyártási folyamat vagy maga a lap javítása érdekében. Például szokásos az iszap tömegének csökkentése habosítószerek hozzáadásával, amelyek bizonyos mértékű levegőbevitelt biztosítanak, ezáltal csökkentve a kész falburkoló lap sűrűségét.
Kalcium-szulfát
A kalcium-szulfát (calcium sulfate vagy calcium sulphate) a CaSO4 képletű szervetlen vegyület és annak kapcsolódó hidrátjai. Vízmentes γ-anhidrit formájában általános célú szárítószerként használják. A CaSO4 egyik hidrátja égetett gipszként ismert. Egy másik fontos hidrát a gipsz, amely a természetben ásványként fordul elő. Különösen a gipszet használják széles körben ipari alkalmazásokban, például építőanyagként, töltőanyagként, polimerekben stb. A CaSO4 minden formája fehér szilárd anyag, és vízben alig oldódik. A kalcium-szulfát a víz állandó keménységét okozza.
A CaSO4 szervetlen vegyület három hidratációs fokozatban fordul elő:
- vízmentes állapot (ásványtani neve: „anhidrit”), képlete CaSO4.
- dihidrát (ásványtani neve: „gipsz”), képlete CaSO4(H2O)2.
- hemihidrát, képlete CaSO4(H22O)0.5. Az egyes hemihidrátok alfa-hemihidrátként és béta-hemihidrátként különböztethetők meg.
Hidratációs és dehidratációs reakciók
Hő hatására a gipsz részlegesen dehidratált ásvánnyá alakul – az úgynevezett kalcium-szulfát-hemihidráttá, más néven égetett gipsszé. Az égetett gipsz képlete CaSO4·(nH2O), ahol 0,5 ≤ n ≤ 0,8. A szerkezetében kötött víz eltávolításához 100°C és 150°C közötti hőmérséklet (212°F–302°F) szükséges. A pontos fűtési hőmérséklet és idő a környezet páratartalmától függ. Az ipari kalcinálás során akár 170°C (338°F) hőmérsékletet is alkalmaznak. Ezen a hőmérsékleten azonban megkezdődik a γ-anhidrit képződése. A gipsznek ebben a szakaszban átadott hőenergia (a hidratációs hő) jellemzően a víz eltávolítására fordítódik (vízgőz formájában), nem pedig az ásvány hőmérsékletének emelésére; ez a hőmérséklet lassan emelkedik, amíg a víz el nem távozik, majd gyorsabban nő. A részleges dehidratáció egyenlete a következő:
E reakció endoterm jellege lényeges a gipszkarton működése szempontjából, mivel tűzállóságot biztosít a lakóépületeknek és más építményeknek. Tűz esetén a gipszkartonlap mögötti szerkezet viszonylag hűvös marad, miközben a gipszből víz távozik, ezáltal megelőzve és késleltetve a tartóváz károsodását (a faelemek égése vagy az acél magas hőmérsékleten bekövetkező szilárdságvesztése révén), valamint az ebből következő szerkezeti összeomlást. Magasabb hőmérsékleten a kalcium-szulfát oxigént bocsát ki, és ezáltal oxidálószerként működik. Ezt az anyagtulajdonságot az aluminotermiában használják ki. A legtöbb ásvánnyal szemben, amelyek újrahidratáláskor egyszerűen folyékony vagy félfolyékony pépet képeznek, illetve porszerűek maradnak, az égetett gipsz szokatlan tulajdonsággal rendelkezik. Környezeti hőmérsékleten vízzel keverve kémiailag visszaalakul a kedvezményezett dihidrát formává, miközben fizikailag merev és viszonylag erős gipszkristály-ráccsá „köt meg”, ahogy az alábbi egyenlet mutatja:
Ez az exoterm reakció teszi olyan egyszerűvé a gipsz különféle alakzatokká öntését, többek között gipszkartonlapokká, táblakrétarudakká és formákká (pl. törött csontok rögzítéséhez vagy fémöntvények készítéséhez). Polimerekkel keverve csonthelyreállító cementként is használták.
180°C-ra hevítve egy csaknem vízmentes forma, úgynevezett γ-anhidrit (CaSO4·nH2O, ahol n = 0–0,05) képződik. A γ-anhidrit csak lassan reagál vízzel, hogy visszatérjen a dihidrát állapotba, ezért széles körben használják kereskedelmi szárítószerként. 250°C fölé hevítve a teljesen vízmentes β-anhidrit forma jön létre. A β-anhidrit még geológiai időskálán sem reagál vízzel, kivéve, ha nagyon finomra őrlik.
Vakolat
A vakolat olyan építőanyag, amelyet falak és mennyezetek védő- és/vagy díszítőbevonataként, valamint dekoratív épületelemek formázására, profilképzésére és öntésére használnak.
A stukkó domborműves díszítések készítésére használt vakolatmunka.
A leggyakoribb vakolattípusok fő összetevője gipsz, mész vagy cement. A vakolatot száraz por formájában állítják elő (gipszpor). A port vízzel összekeverve sűrű, de megmunkálható pép keletkezik. A vízzel végbemenő exoterm reakció kristályosodási folyamat révén hőt szabadít fel, majd a hidratált vakolat megkeményedik.
Gipszvakolat
A gipszvakolatot, más néven égetett gipszet, a gipsz hőkezelésével (kb. 300°F / 150°C) állítják elő:
CaSO4·2H2O + hő → CaSO4·0.5H2O + 1.5H2O (gőzként szabadul fel).
A száraz por vízzel történő összekeverésével a gipsz újra kialakítható. A módosítatlan gipszvakolat kötésének elindításához a száraz port vízzel keverik össze. A kötési reakció kb. 10 perc elteltével kezdődik meg, és kb. 45 perc elteltével fejeződik be. A gipsz teljes kötése azonban kb. 72 óra elteltével érhető el. Ha a vakolatot vagy a gipszet 266°F / 130°C fölé hevítik, hemihidrát képződik. A hemihidrátpor vízben diszpergálva szintén gipsszé alakítható.