Cristallizzazione del gesso accelerata mediante ultrasuoni
- La miscelazione e la dispersione a ultrasuoni accelerano la cristallizzazione e la reazione di presa del gesso (CaSO4･2H2O).
- L’applicazione di ultrasuoni di potenza alla sospensione di gesso accelera la cristallizzazione, riducendo così il tempo di presa.
- Oltre a una presa più rapida, i pannelli per pareti prodotti presentano una densità ridotta.
- La dispersione a ultrasuoni di nanomateriali di rinforzo (ad es. CNT, nanofibre o silice) nel gesso consente di ottenere un’elevata resistenza meccanica e una bassa porosità.
Ultrasuoni per migliorare la produzione del gesso
Per avviare la reazione di presa tra il solfato di calcio emiidrato e l’acqua, il solfato di calcio emiidrato deve essere disperso uniformemente nell’acqua, in modo da preparare una sospensione omogenea. La dispersione a ultrasuoni garantisce che le particelle siano completamente bagnate, consentendo la completa idratazione dell’emiidrato. La miscelazione a ultrasuoni della sospensione di gesso riduce il tempo di presa grazie a una cristallizzazione accelerata.
Anche altri ingredienti, come acceleranti e nanomateriali di rinforzo, possono essere miscelati in modo molto uniforme nella sospensione di gesso.
Principio di funzionamento della dispersione a ultrasuoni
Quando gli ultrasuoni ad alta potenza vengono accoppiati a un liquido o a una sospensione, si verifica una cavitazione generata dagli ultrasuoni. La cavitazione ultrasonica crea localmente condizioni estreme, tra cui elevate forze di taglio, getti di liquido, microturbolenze, alte temperature, velocità di riscaldamento e raffreddamento «feat», nonché alte pressioni. Queste forze di taglio dovute alla cavitazione superano le forze di legame tra le molecole, che vengono così deagglomerate e disperse come singole particelle. Inoltre, le particelle vengono accelerate dai getti di liquido generati dalla cavitazione, collidendo tra loro e venendo così ridotte a dimensioni nanometriche o persino alle dimensioni delle particelle primarie. Questo fenomeno è noto come macinazione a umido a ultrasuoni.
Gli ultrasuoni di potenza creano siti di nucleazione nella soluzione, consentendo una cristallizzazione accelerata.
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Dispersore industriale a ultrasuoni
Dispersione a ultrasuoni degli additivi
In molti processi chimici, la sonicazione viene utilizzata per incorporare nella formulazione additivi come agenti ritardanti (ad es. proteine, acidi organici), modificatori di viscosità (ad es. superfluidificanti), agenti antibruciatura, acido borico, sostanze chimiche idroresistenti (ad es. polisilossani, emulsioni di cera), fibre di vetro, additivi che migliorano la resistenza al fuoco (ad es. vermiculite, argille e/o silice pirogenica), composti polimerici (ad es. PVA, PVOH) e altri additivi convenzionali, per migliorare la formulazione di intonaci, stucchi per giunti a presa chimica e leganti a base di gesso e ridurne il tempo di presa.
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Sistemi industriali a ultrasuoni
Hielscher Ultrasonics è il tuo fornitore di riferimento per sistemi a ultrasuoni ad alta potenza destinati ad applicazioni da banco e industriali. Hielscher offre processori industriali a ultrasuoni potenti e robusti. Il nostro UIP16000 (16kW) è il processore a ultrasuoni più potente al mondo. Questo sistema a ultrasuoni da 16kW tratta facilmente grandi volumi di sospensioni anche altamente viscose (fino a 10.000cp). Ampiezze elevate, fino a 200µm (e superiori su richiesta), garantiscono un trattamento adeguato del materiale, consentendo di ottenere il livello desiderato di dispersione, deagglomerazione e macinazione. Questa sonicazione intensa produce sospensioni contenenti nanoparticelle, per una presa rapida e prodotti in gesso di qualità superiore.
La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente il funzionamento 24/7 in condizioni di servizio gravose e in ambienti impegnativi.
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:
| Volume del lotto | Portata | Dispositivi consigliati |
|---|---|---|
| Da 10 a 2000mL | Da 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| Da 0,1 a 20L | Da 0,2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| Da 10 a 100L | Da 2 a 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | Da 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | superiore | gruppo di UIP16000 |
La nostra lunga esperienza nel trattamento a ultrasuoni ci consente di fornire consulenza ai clienti, dai primi studi di fattibilità fino all’implementazione del processo su scala industriale.
Bibliografia e riferimenti
- Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): Influenza degli ultrasuoni di potenza sulla fluidità e sulla presa delle paste di cemento Portland; presentato alla: 17ª Conferenza internazionale sui materiali da costruzione, 23–26 settembre 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): Preparazione e proprietà dei compositi di whisker di solfato di calcio/gomma naturale. Advanced Materials Research vol. 549, 2012. 597–600.
Informazioni utili
Produzione di lastre di cartongesso
Durante il processo di produzione delle lastre di cartongesso, una sospensione acquosa di gesso calcinato – il cosiddetto solfato di calcio emiidrato – viene distribuita tra i fogli di carta superiore e inferiore. Il prodotto così ottenuto deve avanzare continuamente su un nastro trasportatore fino alla presa della sospensione. La lastra viene quindi essiccata finché l’acqua in eccesso nel cartongesso non è evaporata. Nella produzione di pannelli di cartongesso per pareti, è pratica nota aggiungere varie sostanze alla sospensione per migliorare il processo produttivo o il pannello stesso. Ad esempio, è comune alleggerire la sospensione incorporando agenti schiumogeni per ottenere un grado di aerazione che riduca la densità del pannello finale.
Solfato di calcio
Il solfato di calcio (in inglese «calcium sulfate» o «calcium sulphate») è un composto inorganico con formula CaSO4 e relativi idrati. Nella forma anidra di γ-anidrite, viene utilizzato come essiccante per uso generale. Un particolare idrato di CaSO4 è noto come gesso di Parigi. Un altro idrato importante è il gesso, presente in natura come minerale. In particolare, il gesso è ampiamente utilizzato nelle applicazioni industriali, ad es. come materiale da costruzione, carica, nei polimeri ecc. Tutte le forme di CaSO4 si presentano come solidi bianchi e sono scarsamente solubili in acqua. Il solfato di calcio causa durezza permanente nell’acqua.
Il composto inorganico CaSO4 presenta tre livelli di idratazione:
- stato anidro (nome del minerale: «anidrite») con formula CaSO4.
- diidrato (nome del minerale: «gesso») con formula CaSO4(H2O)2.
- emiidrato con formula CaSO4(H22O)0.5. Si possono distinguere emiidrati specifici come alfa-emiidrato e beta-emiidrato.
Reazioni di idratazione e disidratazione
Quando viene riscaldato, il gesso si trasforma in un minerale parzialmente disidratato – il cosiddetto solfato di calcio emiidrato, gesso calcinato o gesso di Parigi. Il gesso calcinato ha formula CaSO4·(nH2O), dove 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Sono necessarie temperature comprese tra 100°C e 150°C (212°F – 302°F) per rimuovere l’acqua legata nella sua struttura. La temperatura e la durata esatte del riscaldamento dipendono dall’umidità ambientale. Per la calcinazione industriale si utilizzano temperature fino a 170°C (338°F). Tuttavia, a queste temperature inizia la formazione di γ-anidrite. L’energia termica fornita al gesso in questa fase (il calore di idratazione) tende a essere impiegata per espellere l’acqua (sotto forma di vapore acqueo) anziché per aumentare la temperatura del minerale, che sale lentamente fino alla completa eliminazione dell’acqua, per poi aumentare più rapidamente. L’equazione della disidratazione parziale è la seguente:
Il carattere endotermico di questa reazione è rilevante per le prestazioni del cartongesso, conferendo resistenza al fuoco agli edifici residenziali e ad altre strutture. Durante un incendio, la struttura dietro una lastra di cartongesso rimane relativamente fresca mentre il gesso perde acqua, prevenendo e ritardando così i danni all’ossatura portante (dovuti alla combustione degli elementi in legno o alla perdita di resistenza dell’acciaio ad alte temperature) e il conseguente collasso strutturale. A temperature più elevate, il solfato di calcio rilascia ossigeno e agisce quindi come agente ossidante. Questa caratteristica del materiale viene sfruttata nell’alluminotermia. A differenza della maggior parte dei minerali, che quando vengono reidratati formano semplicemente paste liquide o semiliquide oppure rimangono polverulenti, il gesso calcinato presenta una proprietà insolita. Quando viene miscelato con acqua a temperatura ambiente, ritorna chimicamente alla forma diidrata preferita, mentre fisicamente «fa presa» formando un reticolo cristallino di gesso rigido e relativamente resistente, come mostrato nell’equazione seguente:
Questa reazione esotermica rende molto semplice colare il gesso in varie forme, tra cui lastre per pareti in cartongesso, bastoncini di gesso per lavagne e stampi (ad es. per immobilizzare ossa fratturate o per getti metallici). Miscelato con polimeri, è stato utilizzato come cemento per la riparazione ossea.
Quando viene riscaldato a 180°C, si forma una variante quasi priva d’acqua, la cosiddetta γ-anidrite (CaSO4·nH2O dove n = da 0 a 0,05). La γ-anidrite reagisce solo lentamente con l’acqua per ritornare allo stato diidrato, ed è quindi ampiamente utilizzata come essiccante commerciale. Quando viene riscaldata oltre 250°C, si forma la variante completamente anidra, la β-anidrite. La β-anidrite non reagisce con l’acqua, nemmeno su scale temporali geologiche, a meno che non sia macinata molto finemente.
Intonaco
L’intonaco è un materiale da costruzione utilizzato come rivestimento protettivo e/o decorativo per pareti e soffitti, nonché per modellare, realizzare modanature e colare elementi decorativi da costruzione.
Lo stucco è una lavorazione dell’intonaco utilizzata per produrre decorazioni in rilievo.
I tipi di intonaco più comuni sono formulati con gesso, calce o cemento come ingrediente principale. L’intonaco viene prodotto sotto forma di polvere secca (polvere di gesso). Quando la polvere viene miscelata con acqua, si forma una pasta consistente ma lavorabile. La reazione esotermica con l’acqua libera calore attraverso un processo di cristallizzazione, quindi l’intonaco idratato indurisce.
Intonaco a base di gesso
Il gesso da intonaco, o gesso di Parigi, viene prodotto mediante un trattamento termico (circa 300°F / 150°C) del gesso:
CaSO4·2H2O + calore → CaSO4·0.5H2O + 1.5H2O (rilasciata sotto forma di vapore).
Il gesso può essere ricostituito miscelando la polvere secca con acqua. Per avviare la presa del gesso non modificato, la polvere secca viene miscelata con acqua. Dopo circa 10 minuti inizia la reazione di presa, che si conclude dopo circa 45 minuti. Tuttavia, la presa completa del gesso viene raggiunta dopo circa 72 ore. Se l’intonaco o il gesso viene riscaldato oltre 266°F / 130°C, si forma l’emiidrato. Anche la polvere di emiidrato può essere trasformata in gesso quando viene dispersa in acqua.