超音波による石膏結晶化の促進

超音波による混合と分散は、石膏（CaSO₄･2H₂O）の結晶化と凝結反応を促進します。
石膏スラリーに強力超音波を適用すると、結晶化が促進され、凝結時間が短縮されます。
凝結が速くなることに加え、製造された壁用ボードの密度も低下します。
補強用ナノ材料（CNT、ナノファイバー、シリカなど）を超音波によって石膏中に分散させると、高い機械的強度と低い気孔率が得られます。

石膏製造を改善する超音波技術

硫酸カルシウム半水和物と水の凝結反応を開始するには、硫酸カルシウム半水和物を水中に均一に分散させ、均質なスラリーを調製する必要があります。超音波分散により粒子が十分に濡れ、半水和物の完全な水和が実現します。石膏スラリーの超音波混合は、結晶化を促進することで凝結時間を短縮します。
凝結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混合できます。

超音波分散の動作原理

高出力超音波を液体またはスラリーに結合させると、超音波によるキャビテーションが発生します。超音波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、「feat」という修飾語を伴う加熱・冷却速度、そして高圧など、局所的に極端な条件を生み出します。これらのキャビテーションによるせん断力は分子間の結合力を上回り、分子を解凝集して単一粒子として分散させます。さらに、粒子はキャビテーションによる液体ジェットで加速されて互いに衝突し、ナノサイズ、さらには一次粒子サイズにまで微細化されます。この現象は超音波湿式粉砕として知られています。
強力超音波は溶液中に核生成部位を形成し、結晶化を促進します。
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産業用超音波分散機

添加剤の超音波分散

多くの化学プロセスでは、プラスター、凝結型目地材、石膏セメントの配合を改善し、凝結時間を短縮するために、超音波処理を用いて添加剤を配合物に混合します。こうした添加剤には、凝結遅延剤（タンパク質、有機酸など）、粘度調整剤（高性能減水剤など）、焼け防止剤、ホウ酸、耐水性を付与する薬剤（ポリシロキサン、ワックスエマルションなど）、ガラス繊維、耐火性向上剤（バーミキュライト、粘土および／またはフュームドシリカなど）、高分子化合物（PVA、PVOHなど）、その他の従来の添加剤が含まれます。
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産業用超音波システム

Hielscher Ultrasonicsは、卓上用途および産業用途向け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ーを提供しています。当社の UIP16000 （16kW）は、世界で最も高出力の超音波プロセッサーです。この16kW超音波システムは、高粘度のスラリー（最大10,000cp）であっても、大量に容易に処理できます。最大200µmの高振幅（ご要望に応じて、さらに高い振幅も可能）により材料を適切に処理し、所望の分散、解凝集、粉砕の程度を実現します。この強力な超音波処理によって、速い凝結速度と優れた石膏製品を得るための、ナノ粒子化されたスラリーが生成されます。
Hielscherの超音波装置は堅牢であるため、高負荷条件や過酷な環境下でも24/7の連続運転が可能です。
以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力を示しています。

バッチ容量	流量	推奨装置
10–2000mL	20–400mL/min	UP200Ht, UP400St
0.1–20L	0.2–4L/min	UIP2000hdT
10–100L	2–10L/min	UIP4000
該当なし	10–100L/min	UIP16000
該当なし	より大きな流量	複数台で構成される装置群： UIP16000

当社は、超音波処理における長年の経験を活かし、初期の実現可能性調査から産業規模でのプロセス導入まで、お客様に助言を提供します。

プロセスの開発と最適化に、当社の超音波プロセスラボと技術センターをご活用ください！

文献・参考資料

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凝結に及ぼす強力超音波の影響；発表先：第17回国際建築材料会議、23rd – 26th September 2009、ワイマール。
Rössler, Ch. (2009): セメント懸濁液の流動挙動と凝結挙動に及ぼす強力超音波の影響；収録：第17回国際建築材料会議ibausil論文集、編者：Finger-Institut für Baustoffkunde, Bauhaus-Universität Weimar、頁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、第549巻、2012年、597–600頁。

知っておきたい基礎知識

石膏ボードの製造

石膏ボードの製造工程では、焼石膏 – いわゆる硫酸カルシウム半水和物 – の水性スラリーを上下の紙シートの間に広げます。こうして形成された製品は、スラリーが凝結するまでコンベヤーベルト上で連続的に移動させる必要があります。その後、石膏ボード内の余分な水が蒸発するまでシートを乾燥させます。石膏壁用ボードの製造では、製造工程やボード自体を改善するために、スラリーにさまざまな物質を添加することが知られています。例えば、発泡剤を混入して一定量の空気を取り込み、最終的な壁用ボードの密度を低下させることで、スラリーを軽量化するのが一般的です。

硫酸カルシウム

硫酸カルシウム（英語表記：calcium sulfateまたはcalcium sulphate）は、化学式CaSO₄ で表される無機化合物およびその関連水和物です。無水のγ-無水石膏の形態では、汎用乾燥剤として使用されます。CaSO₄ の特定の水和物は、焼石膏として知られています。もう一つの重要な水和物は、天然に鉱物として産出する石膏です。特に石膏は、建築材料、充填材、ポリマーへの使用など、産業用途で広く利用されています。CaSO₄ のすべての形態は白色の固体で、水にはほとんど溶けません。硫酸カルシウムは水の永久硬度の原因となります。
無機化合物CaSO₄ には、三段階の水和状態があります。

無水状態（鉱物名：「無水石膏」）、化学式：CaSO₄.
二水和物（鉱物名：「石膏」）、化学式：CaSO₄(H₂O)₂.
半水和物、化学式：CaSO₄(H2₂O)0.5。特定の半水和物は、α型半水和物とβ型半水和物に区別できます。

水和反応と脱水反応
加熱すると、石膏は部分的に脱水した鉱物 – いわゆる硫酸カルシウム半水和物、焼石膏、またはプラスター・オブ・パリ – に変化します。焼石膏の化学式はCaSO₄·(nH₂O)で、0.5 ≤ n ≤ 0.8です。結晶構造内に結合している水を除去するには、100°C–150°C（212°F–302°F）の温度が必要です。正確な加熱温度と時間は、周囲の湿度によって異なります。工業的な焼成では、170°C（338°F）にも達する温度が用いられます。しかし、これらの温度ではγ-無水石膏の生成が始まります。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よりも、水を水蒸気として追い出すために使われる傾向があります。鉱物の温度は、水がなくなるまではゆっくりと上昇し、その後はより速く上昇します。部分脱水の反応式は以下のとおりです。

この反応の吸熱性は、住宅やその他の構造物に耐火性を付与する石膏ボードの性能に関わります。火災時には、石膏から水が失われるため、石膏ボードの背後にある構造体は比較的低温に保たれます。これにより、木材部材の燃焼や高温での鋼材の強度低下による骨組みの損傷、およびそれに伴う構造物の崩壊が防止・遅延されます。より高い温度では、硫酸カルシウムは酸素を放出し、それによって酸化剤として作用します。この材料特性はアルミノテルミー法に利用されます。再水和しても単に液状または半液状のペーストになるか、粉末状のままとどまる大多数の鉱物とは異なり、焼石膏には特異な性質があります。周囲温度で水と混合すると、化学的には優先的に形成される二水和物の形態に戻り、同時に物理的には、以下の反応式に示すように、剛性があり比較的強固な石膏の結晶格子へと「凝結」します。

この発熱反応により、石膏をさまざまな形状に容易に成形できます。例えば、乾式壁用の板、黒板用チョークの棒、型や固定具（骨折した骨の固定用、または金属鋳造用など）です。ポリマーと混合したものは、骨修復用セメントとして使用されてきました。
180°Cに加熱すると、ほぼ無水の形態である、いわゆるγ-無水石膏（CaSO₄·nH₂O、n = 0–0.05）が生成します。γ-無水石膏は、水と反応して二水和物の状態に戻る速度が遅いため、市販の乾燥剤として広く使用されています。250°Cを超えて加熱すると、完全に無水のβ-無水石膏が生成します。β-無水石膏は、極めて細かく粉砕しない限り、地質学的な時間尺度にわたっても水と反応しません。

プラスター

プラスターは、壁や天井の保護用および／または装飾用の塗布材料として、また装飾用建築部材の型成形、繰形の製作、鋳込みに使用される建築材料です。
スタッコは、浮き彫り装飾を作るために使用されるプラスター仕上げです。
最も一般的なプラスターは、石膏、石灰、またはセメントのいずれかを主成分として配合されます。プラスターは乾燥粉末（石膏粉末）として製造されます。この粉末を水と混合すると、硬めながら加工可能なペーストが形成されます。水との発熱反応は結晶化過程を通じて熱を放出し、その後、水和したプラスターが硬化します。

石膏プラスター

石膏プラスター、すなわち焼石膏は、石膏を熱処理（約300°F / 150°C）することで製造されます。
CaSO₄·2H₂O + 熱 → CaSO₄·0.5H₂O + 1.5H₂O（水蒸気として放出）。
乾燥粉末を水と混合すると、石膏を再形成できます。改質していないプラスターの凝結を開始するには、乾燥粉末を水と混合します。約10分後に凝結反応が始まり、約45分後に完了します。しかし、石膏の完全な凝結に達するのは約72時間後です。プラスターまたは石膏を266°F / 130°Cを超えて加熱すると、半水和物が生成します。半水和物の粉末も、水中に分散させると石膏に変化させることができます。