초음파로 촉진하는 석고 결정화

초음파 혼합 및 분산은 석고(CaSO₄･2H₂O)의 결정화 및 응결 반응을 촉진합니다.
석고 슬러리에 고출력 초음파를 적용하면 결정화가 촉진되어 응결 시간이 단축됩니다.
응결이 빨라질 뿐만 아니라, 생산된 벽판의 밀도도 낮아집니다.
보강용 나노 소재(예: CNTs, 나노 섬유 또는 실리카)를 초음파로 석고에 분산시키면 기계적 강도가 높아지고 기공률이 낮아집니다.

석고 제조 공정 개선을 위한 초음파

황산칼슘 반수화물과 물의 응결 반응을 시작하려면 황산칼슘 반수화물을 물에 균일하게 분산시켜 균질한 슬러리를 준비해야 합니다. 초음파 분산은 입자를 완전히 젖게 하여 반수화물의 완전한 수화를 가능하게 합니다. 석고 슬러리를 초음파로 혼합하면 결정화가 촉진되어 응결 시간이 단축됩니다.
촉진제와 보강용 나노 소재 같은 추가 성분도 석고 슬러리에 매우 균일하게 혼합할 수 있습니다.

초음파 분산의 작동 원리

고출력 초음파가 액체나 슬러리에 전달되면 초음파에 의한 캐비테이션이 발생합니다. 초음파 캐비테이션은 높은 전단력, 액체 제트, 미세 난류, 고온, 빠른 가열 및 냉각 속도, 고압을 포함하는 극한 조건을 국소적으로 형성합니다. 이러한 캐비테이션 전단력은 분자 사이의 결합력을 극복하여 응집을 해체하고 개별 입자로 분산시킵니다. 또한 입자는 캐비테이션에 의한 액체 제트로 가속되어 서로 충돌하며, 그 결과 나노 크기 또는 심지어 일차 입자 크기까지 분쇄됩니다. 이 현상은 초음파 습식 분쇄로 알려져 있습니다.
고출력 초음파는 용액 내에 핵생성 부위를 형성하여 결정화를 촉진합니다.
초음파 결정화 – 초음파 보조 결정화에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요!

산업용 초음파 분산기

첨가제의 초음파 분산

많은 화학 공정에서 초음파 처리는 지연제(예: 단백질, 유기산), 점도 조절제(예: 고성능 감수제), 연소 방지제, 붕산, 내수성 화학물질(예: 폴리실록산, 왁스 에멀전), 유리 섬유, 내화성 향상제(예: 질석, 점토 및/또는 흄드 실리카), 고분자 화합물(예: PVA, PVOH) 및 기타 통상적인 첨가제를 배합물에 혼합하는 데 사용되며, 이를 통해 플라스터, 응결형 줄눈재 및 석고 시멘트의 배합을 개선하고 응결 시간을 단축합니다.
첨가제의 초음파 혼합 및 블렌딩에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요!

산업용 초음파 시스템

Hielscher Ultrasonics는 실험대용 및 산업용 고출력 초음파 시스템을 공급하는 최고의 공급업체입니다. Hielscher는 강력하고 견고한 산업용 초음파 프로세서를 제공합니다. 당사의 UIP16000 (16kW)은 전 세계에서 가장 강력한 초음파 프로세서입니다. 이 16kW 초음파 시스템은 점도가 높은 슬러리(최대 10,000cp)도 대량으로 손쉽게 처리합니다. 최대 200µm의 높은 진폭(요청 시 그 이상도 가능)은 재료를 적절히 처리하여 원하는 수준의 분산, 응집 해체 및 분쇄를 달성할 수 있게 합니다. 이러한 강력한 초음파 처리는 나노 입자로 이루어진 슬러리를 생성하여 빠른 응결 속도와 우수한 석고 제품을 구현합니다.
Hielscher 초음파 장비의 견고함은 고부하 조건과 까다로운 환경에서도 24/7 운전을 가능하게 합니다.
아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다.

배치 부피	유량	권장 장치
10–2000mL	20–400mL/min	UP200Ht, UP400St
0.1–20L	0.2–4L/min	UIP2000hdT
10–100L	2–10L/min	UIP4000
해당 없음	10–100L/min	UIP16000
해당 없음	더 높은 유량	클러스터로 구성한 UIP16000

초음파 처리 분야에서 쌓은 오랜 경험을 바탕으로 초기 타당성 연구부터 산업 규모의 공정 구현까지 고객에게 자문을 제공합니다.

공정 개발과 최적화를 위해 당사의 초음파 공정 실험실과 기술 센터를 활용하십시오!

문헌 및 참고자료

Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): 고출력 초음파가 포틀랜드 시멘트 페이스트의 유동성과 응결에 미치는 영향; 발표: 제17회 국제 건축 재료 학술대회, 23rd – 26th September 2009, 바이마르.
Rössler, Ch. (2009): 고출력 초음파가 시멘트 현탁액의 유동 및 응결 거동에 미치는 영향; 수록: 제17회 국제 건축 재료 학술대회 ibausil 논문집, 편집: Finger-Institut für Baustoffkunde, Bauhaus-Universität Weimar, 쪽 1 – 0259 – 1 – 0264.
Zhongbiao, Man; Chen, Yuehui; Yang, Miao (2012): 황산칼슘 위스커/천연고무 복합재의 제조 및 특성. Advanced Materials Research 권 549, 2012. 597-600.

알아두면 좋은 사실

석고보드 생산

석고보드 제조 공정에서는 소석고 – 이른바 황산칼슘 반수화물 – 의 수성 슬러리를 위아래 종이 시트 사이에 펼칩니다. 이렇게 만들어진 제품은 슬러리가 응결될 때까지 컨베이어 벨트 위에서 계속 이동시켜야 합니다. 그런 다음 석고보드 내부의 과잉 수분이 증발할 때까지 시트를 건조합니다. 석고 벽판 생산에서는 생산 공정이나 보드 자체를 개선하기 위해 슬러리에 다양한 물질을 첨가하는 방법이 알려져 있습니다. 예를 들어, 발포제를 혼입하여 일정량의 기포를 형성함으로써 슬러리의 무게를 줄이는 것이 일반적이며, 이는 최종 벽판의 밀도를 낮춥니다.

황산칼슘

황산칼슘(영어로 calcium sulfate 또는 calcium sulphate, 화학식: CaSO₄ )은 무기 화합물 및 그 관련 수화물을 가리킵니다. 무수 형태인 γ-무수석고는 범용 건조제로 사용됩니다. 특정 수화물(화학식: CaSO₄ )은 소석고로 알려져 있습니다. 또 다른 중요한 수화물은 석고이며, 자연에서 광물로 산출됩니다. 특히 석고는 건축 자재, 충전재, 고분자 내 첨가 재료 등으로 산업 분야에서 널리 사용됩니다. 모든 형태(화학식: CaSO₄ )는 백색 고체이며 물에 거의 녹지 않습니다. 황산칼슘은 물에 영구 경도를 유발합니다.
무기 화합물(화학식: CaSO₄ )은 세 가지 수화 상태로 존재합니다:

무수 상태(광물명: “무수석고”)의 화학식은 CaSO₄.
이수화물(광물명: “석고”), 화학식: CaSO₄(H₂O)₂.
반수화물의 화학식은 CaSO₄(H2₂O)0.5입니다. 특정 반수화물은 알파 반수화물과 베타 반수화물로 구분할 수 있습니다.

수화 및 탈수 반응
열을 가하면 석고는 부분적으로 탈수된 광물 – 이른바 황산칼슘 반수화물 또는 소석고 – 로 전환됩니다. 소석고의 화학식은 CaSO₄·(nH₂O)이며, 여기서 0.5 ≤ n ≤ 0.8입니다. 구조 내에 결합된 물을 제거하려면 100°C와 150°C 사이의 온도(212°F – 302°F)가 필요합니다. 정확한 가열 온도와 시간은 주변 습도에 따라 달라집니다. 산업용 하소에는 최고 170°C(338°F)의 온도가 적용됩니다. 그러나 이 온도에서는 γ-무수석고가 형성되기 시작합니다. 이때 석고에 전달되는 열에너지(수화열)는 광물의 온도를 높이기보다는 물을 수증기로 방출시키는 데 사용되는 경향이 있습니다. 광물의 온도는 물이 모두 빠져나갈 때까지 서서히 상승하다가 그 이후에는 더 빠르게 상승합니다. 부분 탈수 반응식은 다음과 같습니다:

이 반응의 흡열 특성은 석고보드의 성능과 관련이 있으며, 주거용 건축물과 기타 구조물에 내화성을 부여합니다. 화재 시 석고에서 수분이 빠져나가면서 석고보드 뒤의 구조체는 비교적 낮은 온도를 유지하므로, 골조의 손상(목재 부재의 연소 또는 고온에서의 강재 강도 저하로 인한 손상)과 그에 따른 구조물 붕괴를 방지하고 지연시킵니다. 더 높은 온도에서 황산칼슘은 산소를 방출하여 산화제로 작용합니다. 이러한 재료 특성은 알루미늄 열환원법에 이용됩니다. 재수화되면 단순히 액상 또는 반액상의 페이스트를 형성하거나 분말 상태로 남는 대부분의 광물과 달리, 소석고는 특이한 성질을 지닙니다. 상온에서 물과 혼합하면 화학적으로는 더 안정적인 이수화물 형태로 되돌아가는 동시에, 물리적으로는 아래 반응식과 같이 단단하고 비교적 강도가 높은 석고 결정 격자로 “응결”합니다:

이 발열 반응 덕분에 석고를 석고보드용 판재, 칠판용 분필 막대, 주형(예: 부러진 뼈 고정용 또는 금속 주조용) 등 다양한 형태로 매우 쉽게 주조할 수 있습니다. 또한 고분자와 혼합하여 골 복구용 시멘트로 사용해 왔습니다.
180°C로 가열하면 수분이 거의 없는 형태인 이른바 γ-무수석고(CaSO₄·nH₂O, 여기서 n = 0–0.05)가 형성됩니다. γ-무수석고는 물과 매우 느리게만 반응하여 이수화물 상태로 되돌아가므로 상업용 건조제로 널리 사용됩니다. 250°C를 초과하여 가열하면 완전히 무수 상태인 β-무수석고가 생성됩니다. β-무수석고는 매우 미세하게 분쇄하지 않는 한 지질학적 시간 척도에서도 물과 반응하지 않습니다.

플라스터

플라스터는 벽과 천장의 보호 및/또는 장식용 피복재로 사용되며, 장식용 건축 요소를 성형하고 주조하는 데 사용되는 건축 자재입니다.
스터코는 부조 장식을 만드는 데 사용되는 플라스터 마감입니다.
가장 일반적인 플라스터는 석고, 석회 또는 시멘트를 주성분으로 배합합니다. 플라스터는 건조 분말(석고 분말) 형태로 생산됩니다. 이 분말을 물과 혼합하면 되직하지만 작업이 가능한 페이스트가 형성됩니다. 물과의 발열 반응은 결정화 과정을 통해 열을 방출하며, 이후 수화된 플라스터가 경화됩니다.

석고 플라스터

석고 플라스터, 즉 소석고는 석고를 열처리(약 300°F / 150°C)하여 생산합니다:
CaSO₄·2H₂O + 열 → CaSO₄·0.5H₂O + 1.5H₂O(수증기로 방출).
건조 분말을 물과 혼합하면 석고를 다시 형성할 수 있습니다. 개질하지 않은 플라스터의 응결을 시작하려면 건조 분말을 물과 혼합합니다. 약 10분 후 응결 반응이 시작되며 약 45분 후 완료됩니다. 그러나 석고가 완전히 응결하는 데는 약 72시간이 걸립니다. 플라스터 또는 석고를 266°F / 130°C를 초과하여 가열하면 반수화물이 형성됩니다. 반수화물 분말도 물에 분산시키면 석고로 전환될 수 있습니다.