Kristalisasi Gipsum yang Dipercepat secara Ultrasonik
- Pencampuran dan pendispersian ultrasonik mempercepat kristalisasi dan reaksi pengikatan gipsum (CaSO4･2H2O).
- Penerapan ultrasonik berdaya tinggi pada slurry gipsum mempercepat kristalisasi sehingga mempersingkat waktu pengikatan.
- Selain mengalami pengikatan yang lebih cepat, papan dinding yang dihasilkan memiliki densitas yang lebih rendah.
- Pendispersian ultrasonik bahan nano penguat (misalnya CNT, serat nano, atau silika) ke dalam gipsum menghasilkan kekuatan mekanis yang tinggi dan porositas yang rendah.
Ultrasonik untuk Meningkatkan Produksi Gipsum
Untuk memulai reaksi pengikatan kalsium sulfat hemihidrat dan air, kalsium sulfat hemihidrat harus didispersikan secara merata ke dalam air sehingga terbentuk slurry yang homogen. Dispersi ultrasonik memastikan partikel terbasahi sepenuhnya sehingga hidrasi hemihidrat berlangsung secara menyeluruh. Pencampuran ultrasonik slurry gipsum mempersingkat waktu pengikatan karena kristalisasi berlangsung lebih cepat.
Bahan tambahan seperti akselerator dan bahan nano penguat juga dapat dicampurkan secara sangat merata ke dalam slurry gipsum.
Prinsip Kerja Pendispersian Ultrasonik
Ketika ultrasonik berdaya tinggi dikopelkan ke dalam cairan atau slurry, terjadi kavitasi yang dihasilkan secara ultrasonik. Kavitasi ultrasonik menciptakan kondisi ekstrem secara lokal, termasuk gaya geser yang tinggi, jet cairan, turbulensi mikro, suhu tinggi, laju pemanasan dan pendinginan «feat», serta tekanan tinggi. Gaya geser akibat kavitasi tersebut mengatasi gaya ikat antarmolekul sehingga molekul mengalami deaglomerasi dan terdispersi sebagai partikel tunggal. Selain itu, partikel dipercepat oleh jet cairan akibat kavitasi sehingga saling bertumbukan dan terpecah hingga berukuran nano atau bahkan mencapai ukuran partikel primer. Fenomena ini dikenal sebagai penggilingan basah ultrasonik.
Ultrasonik berdaya tinggi menciptakan situs nukleasi di dalam larutan sehingga kristalisasi berlangsung lebih cepat.
Klik di sini untuk mempelajari lebih lanjut tentang sonokristalisasi – kristalisasi berbantuan ultrasonik!
Disperser ultrasonik industri
Dispersi Ultrasonik Bahan Aditif
Dalam banyak proses kimia, sonikasi digunakan untuk mencampurkan bahan aditif seperti bahan penghambat pengikatan (misalnya protein, asam organik), pengubah viskositas (misalnya superplasticizer), bahan antipembakaran, asam borat, bahan kimia penahan air (misalnya polisiloksana, emulsi lilin), serat kaca, peningkat ketahanan terhadap api (misalnya vermikulit, lempung dan/atau silika pirogenik), senyawa polimer (misalnya PVA, PVOH), dan bahan aditif konvensional lainnya ke dalam formulasi untuk meningkatkan formulasi plester, kompon sambungan tipe pengikatan, dan semen gipsum serta mempersingkat waktu pengikatannya.
Klik di sini untuk mempelajari lebih lanjut tentang pencampuran dan pembauran bahan aditif secara ultrasonik!
Sistem Ultrasonik Industri
Hielscher Ultrasonics adalah pemasok utama Anda untuk sistem ultrasonik berdaya tinggi bagi aplikasi di atas meja laboratorium dan aplikasi industri. Hielscher menawarkan prosesor ultrasonik industri yang bertenaga dan tangguh. UIP16000 (16kW) kami merupakan prosesor ultrasonik paling bertenaga di dunia. Sistem ultrasonik 16kW ini dengan mudah memproses slurry bervolume besar, bahkan yang sangat kental (hingga 10.000cp). Amplitudo tinggi hingga 200µm (dan lebih tinggi atas permintaan) memastikan bahan diproses dengan tepat sehingga tingkat dispersi, deaglomerasi, dan penggilingan yang diinginkan tercapai. Sonikasi intensif ini menghasilkan slurry berpartikel nano untuk laju pengikatan yang cepat dan produk gipsum yang unggul.
Ketangguhan peralatan ultrasonik Hielscher memungkinkan pengoperasian 24/7 dengan beban kerja berat dan dalam lingkungan yang menuntut.
Tabel di bawah ini memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator ultrasonik kami:
| Volume Batch | Laju Alir | Perangkat yang Direkomendasikan |
|---|---|---|
| 10 hingga 2000mL | 20 hingga 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 hingga 20L | 0,2 hingga 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 hingga 100L | 2 hingga 10L/min | UIP4000 |
| tidak berlaku | 10 hingga 100L/min | UIP16000 |
| tidak berlaku | lebih besar | kelompok unit UIP16000 |
Pengalaman panjang kami dalam pemrosesan ultrasonik membantu kami memberikan konsultasi kepada pelanggan sejak studi kelayakan awal hingga penerapan proses pada skala industri.
Literatur/referensi
- Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): Pengaruh Power-Ultrasound pada Fluiditas dan Pengaturan Pasta Semen Portland; at: 17th International Conference on Building Materials 23rd – 26th September 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): Preparation and properties of calcium sulphate whisker/natural rubber composites. Advanced Materials Research vol. 549, 2012. 597–600.
Fakta yang Perlu Diketahui
Produksi Papan Gipsum
Selama proses pembuatan papan gipsum, slurry gipsum terkalsinasi berbasis air – yang disebut kalsium sulfat hemihidrat – diratakan di antara lembaran kertas atas dan bawah. Produk yang terbentuk harus terus digerakkan di atas sabuk konveyor hingga slurry mengikat. Lembaran tersebut kemudian dikeringkan hingga kelebihan air di dalam papan gipsum menguap. Dalam produksi papan dinding gipsum, berbagai zat lazim ditambahkan ke dalam slurry untuk meningkatkan proses produksi atau mutu papan itu sendiri. Misalnya, berat slurry biasanya dikurangi dengan menambahkan bahan pembusa untuk memberikan tingkat aerasi tertentu yang menurunkan densitas papan dinding akhir.
Kalsium Sulfat
Kalsium sulfat (dalam bahasa Inggris: calcium sulfate atau calcium sulphate) adalah senyawa anorganik dengan rumus CaSO4 beserta hidrat terkaitnya. Dalam bentuk anhidrat γ-anhidrit, senyawa ini digunakan sebagai desikan serbaguna. Salah satu hidrat CaSO4 dikenal sebagai plaster of Paris. Hidrat penting lainnya adalah gipsum, yang terdapat secara alami sebagai mineral. Gipsum khususnya banyak digunakan untuk aplikasi industri, misalnya sebagai bahan bangunan, bahan pengisi, dalam polimer, dan sebagainya. Semua bentuk CaSO4 berupa padatan putih dan sukar larut dalam air. Kalsium sulfat menyebabkan kesadahan permanen pada air.
Senyawa anorganik CaSO4 terdapat dalam tiga tingkat hidrasi:
- keadaan anhidrat (nama mineral: “anhidrit”) dengan rumus CaSO4.
- dihidrat (nama mineral: “gipsum”) dengan rumus CaSO4(H2O)2.
- hemihidrat dengan rumus CaSO4(H22O)0.5. Hemihidrat tertentu dapat dibedakan menjadi alfa-hemihidrat dan beta-hemihidrat.
Reaksi Hidrasi dan Dehidrasi
Ketika panas diberikan, gipsum berubah menjadi mineral yang terdehidrasi sebagian – yang disebut kalsium sulfat hemihidrat, gipsum terkalsinasi, atau plaster of Paris. Gipsum terkalsinasi memiliki rumus CaSO4·(nH2O), dengan 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Suhu antara 100°C dan 150°C (212°F – 302°F) diperlukan untuk menghilangkan air yang terikat dalam strukturnya. Suhu dan waktu pemanasan yang tepat bergantung pada kelembapan lingkungan. Suhu hingga 170°C (338°F) diterapkan untuk kalsinasi industri. Namun, pada suhu tersebut, pembentukan γ-anhidrit mulai terjadi. Energi panas yang diberikan kepada gipsum pada tahap ini (panas hidrasi) cenderung digunakan untuk mengeluarkan air (sebagai uap air), alih-alih meningkatkan suhu mineral, yang naik perlahan hingga air habis, kemudian meningkat lebih cepat. Persamaan untuk dehidrasi parsial adalah sebagai berikut:
Sifat endotermik reaksi ini berperan dalam kinerja papan dinding kering, memberikan ketahanan terhadap api pada bangunan tempat tinggal dan struktur lainnya. Saat terjadi kebakaran, struktur di belakang lembaran papan dinding kering akan tetap relatif dingin seiring hilangnya air dari gipsum, sehingga mencegah dan memperlambat kerusakan rangka (akibat pembakaran komponen kayu atau hilangnya kekuatan baja pada suhu tinggi) dan keruntuhan struktur yang diakibatkannya. Pada suhu yang lebih tinggi, kalsium sulfat melepaskan oksigen sehingga bertindak sebagai oksidator. Karakteristik bahan ini digunakan dalam aluminotermi. Berbeda dengan kebanyakan mineral, yang ketika direhidrasi hanya membentuk pasta cair atau semicair, atau tetap berupa serbuk, gipsum terkalsinasi memiliki sifat yang tidak biasa. Ketika dicampur dengan air pada suhu lingkungan, secara kimia senyawa ini kembali ke bentuk dihidrat yang lebih disukai, sementara secara fisik mengalami “pengikatan” menjadi kisi kristal gipsum yang kaku dan relatif kuat seperti ditunjukkan dalam persamaan di bawah ini:
Reaksi eksotermik ini membuat gipsum sangat mudah dicetak menjadi berbagai bentuk, termasuk lembaran untuk dinding kering, batang kapur tulis, dan cetakan (misalnya untuk mengimobilisasi tulang yang patah, atau untuk pengecoran logam). Ketika dicampur dengan polimer, gipsum telah digunakan sebagai semen perbaikan tulang.
Ketika dipanaskan hingga 180°C, terbentuk bentuk yang hampir bebas air, yang disebut γ-anhidrit (CaSO4·nH2O dengan n = 0 hingga 0,05). γ-Anhidrit hanya bereaksi lambat dengan air untuk kembali ke keadaan dihidrat, sehingga banyak digunakan sebagai desikan komersial. Ketika dipanaskan di atas 250°C, terbentuk β-anhidrit yang sepenuhnya anhidrat. β-anhidrit tidak bereaksi dengan air, bahkan dalam rentang waktu geologis, kecuali jika digiling sangat halus.
Plester
Plester adalah bahan bangunan yang digunakan sebagai bahan pelapis pelindung dan/atau dekoratif untuk dinding dan plafon, serta untuk membentuk, membuat profil, dan mencetak elemen bangunan dekoratif.
Stuko adalah hasil pengerjaan plester yang digunakan untuk menghasilkan dekorasi relief.
Jenis plester yang paling umum diformulasikan dengan gipsum, kapur, atau semen sebagai bahan utama. Plester diproduksi sebagai serbuk kering (serbuk gipsum). Ketika serbuk dicampur dengan air, terbentuk pasta yang kaku tetapi dapat dikerjakan. Reaksi eksotermik dengan air melepaskan panas melalui proses kristalisasi, kemudian plester yang terhidrasi mengeras.
Plester Gipsum
Plester gipsum, atau plaster of Paris, diproduksi melalui perlakuan panas (sekitar 300°F / 150°C) terhadap gipsum:
CaSO4·2H2O + panas → CaSO4·0.5H2O + 1.5H2O (dilepaskan sebagai uap).
Gipsum dapat dibentuk kembali dengan mencampurkan serbuk kering dengan air. Untuk memulai pengikatan plester yang tidak dimodifikasi, serbuk kering dicampur dengan air. Setelah sekitar 10 menit, reaksi pengikatan dimulai dan selesai setelah sekitar 45 menit. Namun, pengikatan gipsum secara menyeluruh tercapai setelah sekitar 72 jam. Jika plester atau gipsum dipanaskan di atas 266°F / 130°C, hemihidrat terbentuk. Serbuk hemihidrat juga dapat diubah menjadi gipsum ketika didispersikan dalam air.