超音波で加速する石膏の結晶化
- 超音波による混合・分散は、石膏（CaSO4・2H2O).
- 石膏スラリーに超音波をかけると結晶化が促進され、固化時間が短縮される。
- 硬化が早いだけでなく、製造された壁板は密度が低下している。
- 補強用ナノ材料（CNT、ナノファイバー、シリカなど）を石膏に超音波分散させることで、高い機械的強度と低い空隙率が得られる。
超音波による石膏製造の改善
硫酸カルシウム半水和物と水の凝結反応を開始するためには、硫酸カルシウム半水和物を水に均一に分散させ、均質なスラリーを調製する必要がある。超音波分散によって粒子が完全に濡れるので、半水和物の完全な水和が達成される。石膏スラリーの超音波混合は、結晶化の促進により硬化時間を早めます。
促進剤や補強用ナノ材料などの追加成分も、石膏スラリーに非常に均一に配合することができる。
超音波分散の動作原理
高出力の超音波が液体やスラリーに結合されると、超音波によってキャビテーションが発生する。 超音波キャビテーション キャビテーションは、高いせん断力、液体ジェット、微小乱流、高温、高速加熱・冷却、高圧など、局所的に極限状態を作り出す。これらのキャビテーションせん断力は、分子間の結合力に打ち勝つため、分子は凝集を解除され、単一粒子として分散される。さらに、粒子はキャビテーション液体ジェットによって加速され、互いに衝突してナノサイズ、あるいは一次粒子サイズにまで分解される。この現象は 超音波湿式粉砕.
パワー超音波は溶液中に核生成サイトを作り、結晶化を加速させる。
超音波結晶化について詳しくはこちら – 超音波アシスト結晶化！
工業用超音波分散機
添加剤の超音波分散
多くの化学プロセスにおいて、超音波処理は、遅延剤（タンパク質、有機酸など）、粘度調整剤（超可塑剤など）、燃焼防止剤、ホウ酸、耐水性化学物質（ポリシロキサン、ワックスエマルジョンなど）、ガラス繊維、耐火性向上剤（バーミキュライト、クレー、ヒュームドシリカなど）、高分子化合物（PVA、PVOHなど）、およびその他の従来の添加剤などの添加剤を製剤に混合するために使用される。バーミキュライト、クレーおよび／またはヒュームドシリカなど）、高分子化合物（PVA、PVOHなど）およびその他の従来の添加剤を配合し、石膏、凝結型目地材および石膏セメントの配合を改善し、凝結時間を短縮する。
添加物の超音波混合とブレンドについて詳しくはこちらをご覧ください！
産業用超音波システム
Hielscher Ultrasonicsは、ベンチトップおよび産業用アプリケーション用の高出力超音波システムのトップサプライヤーです。Hielscherは、強力で堅牢な産業用超音波プロセッサを提供しています。弊社の uip16000 (16kW)は、世界で最もパワフルな超音波処理装置です。この16kWの超音波処理装置は、高粘度のスラリー（最大10,000cp）でも簡単に大量処理できます。最大200µm（ご要望によりそれ以上）の高振幅により、材料が適切に処理され、所望のレベルの分散、脱凝集、粉砕が達成されます。この強力な超音波処理により、ナノ粒子化されたスラリーが生成され、速い固化速度と優れた石膏製品が得られます。
Hielscher社の超音波装置は堅牢であるため、過酷な環境下でも24時間365日の稼動が可能です。
下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：
| バッチ量 | 流量 | 推奨デバイス |
|---|---|---|
| 10〜2000mL | 20～400mL/分 | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1～20L | 0.2～4L/分 | UIP2000hdT |
| 10～100L | 2～10L/分 | UIP4000 |
| n.a. | 10～100L/分 | uip16000 |
| n.a. | より大きい | クラスタ uip16000 |
超音波処理における長年の経験により、最初のフィージビリティ・スタディから工業規模でのプロセス導入まで、お客様のご相談に応じることができます。
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文献／参考文献
- Peters, S; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009)： ポルトランドセメントペーストの流動性と硬化に及ぼすパワー超音波の影響にて発表：第17回建築材料国際会議 2009年9月23日-26日 ワイマール.
- Rössler, Ch. (2009)：Einfluss von Power-Ultraschall auf das Fließ- und Erstarrungsverhalten von Zementsuspension; 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)：硫酸カルシウムウィスカー/天然ゴム複合材料の調製と特性.Advanced Materials Research vol. 549, 2012.597-600.
知っておくべき事実
石膏ボードの製造
石膏ボードの製造工程では、焼成石膏の水性スラリーが使用される。 – いわゆる硫酸カルシウム半水和物 – を上下の紙の間に広げる。こうしてできた製品は、スラリーが固まるまでベルトコンベアーで移動させ続けなければならない。その後、石膏ボード中の余分な水分が蒸発するまでシートを乾燥させる。石膏ボードの製造では、製造工程やボードそのものを改良するために、スラリーに様々な物質を添加することが知られている。例えば、発泡剤を添加してスラリーの重量を軽くし、最終的な石膏ボードの密度を下げる通気性を持たせるのが一般的である。
硫酸カルシウム
硫酸カルシウム（または硫酸カルシウム）は、式CaSO4 および関連する水和物。γ-アンハイドライトの無水形態では、汎用乾燥剤として使用される。特定の水和物であるCaSO4 はパリ石膏として知られている。もうひとつの重要な水和物は石膏で、鉱物として天然に存在する。特に石膏は、建築材料、充填材、ポリマーなどの工業用途に広く使用されている。すべての形態のCaSO4 白い固形物として現れ、水にはほとんど溶けない。硫酸カルシウムは水に永久的な硬度をもたらす。
無機化合物CaSO4 は3段階の水和で起こる：
- 無水状態（鉱物名： “無水石英”)で表される。4.
- 二水和物（鉱物名： “石膏”)で表される。4(H2O)2.
- 半水和物で、式 CaSO4(H22O)0.5.特定の半水和物はα-半水和物とβ-半水和物として区別できる。
水和と脱水反応
熱を加えると、石膏は部分的に脱水した鉱物に変化する。 – いわゆる硫酸カルシウム半水和物、焼石膏、パリ石膏である。焼石膏は式CaSO4-nH2O）、ここで0.5≦n≦0.8である。100°Cから150°Cの間の温度。 – 302°F）が必要である。正確な加熱温度と時間は周囲の湿度によって異なる。工業的な脱炭酸には170℃（338°F）もの高温が適用される。しかし、これらの温度ではγ-無水石膏の形成が始まる。このとき石膏に供給される熱エネルギー（水和熱）は、鉱物の温度を上昇させるのではなく、（水蒸気として）水分を追い出すことに使われる傾向があり、水分がなくなるまでゆっくりと上昇し、その後さらに急速に上昇する。部分脱水の式は以下の通りである：
この反応の吸熱特性は乾式壁の性能に関係し、住宅やその他の構造物に耐火性を与える。火災の際、石膏から水分が失われるため、乾式壁シートの背後の構造物は比較的低温に保たれ、その結果、骨組みの損傷（高温での木材部材の燃焼や鋼材の強度低下）やそれに伴う構造物の崩壊を防ぎ、遅らせることができる。高温になると硫酸カルシウムは酸素を放出し、酸化剤として作用する。この物質特性はアルミノサーミーに利用されている。ほとんどの鉱物は、再水和されると単に液体または半液体のペースト状になるか、粉末状のままになるのとは対照的に、焼成石膏は珍しい性質を持っている。常温で水と混合すると、化学的には好ましい二水和物の形に戻るが、物理的には “セッティング” を、下式に示すように、硬くて比較的強い石膏結晶格子に変換する：
この発熱反応のおかげで、石膏を乾式壁用のシートや黒板用チョーク用の棒、骨折した骨を固定するための型や金属鋳造用の型など、さまざまな形に簡単に鋳造することができる。ポリマーと混ぜて骨修復セメントとしても使われている。
180℃に加熱すると、ほとんど水を含まない、いわゆるγ-アンハイドライト（CaSO4-nH2O（n=0～0.05）が形成される。γ-アンハイドライトは水とゆっくりとしか反応せず、二水和物の状態に戻るため、商業用乾燥剤として広く使用されている。250℃以上に加熱すると、完全に無水状態のβ-無水石膏が生成する。β-アンハイドライトは、非常に細かく粉砕しない限り、地質学的な時間スケールでも水と反応しない。
石膏
漆喰は建築材料であり、壁や天井の保護および/または装飾的なコーティング材として使用される。
漆喰は石膏細工のことで、レリーフ装飾に使われる。
最も一般的な石膏の種類は、石膏、石灰、セメントのいずれかを主成分としている。石膏は乾燥粉末（石膏粉）として製造される。この粉末を水と混ぜると、硬いが作業しやすいペースト状になる。水との発熱反応により、結晶化プロセスを通じて熱が放出され、水和した石膏が固まる。
石膏プラスター
石膏プラスター（パリ石膏）は、石膏を熱処理（約300°F / 150°C）することによって製造される：
CaSO4-2H2O + 熱 → CaSO4-0.5H2O + 1.5H2O（蒸気として放出）。
石膏は乾燥粉末を水と混ぜることで再形成できる。未変成石膏の硬化を開始するには、乾燥粉末を水と混合する。約10分後に凝結反応が起こり、約45分後に凝結が完了する。しかし、石膏の完全な硬化は約72時間後である。石膏や石膏を266°F / 130°C以上に加熱すると、半水和物が生成される。半水和物の粉末は、水に分散させると石膏にも変化する。