Ultrasoon versnelde kristallisatie van gips
- Ultrasoon mengen en dispergeren versnelt de kristallisatie en de uithardingsreactie van gips (CaSO4･2H2O).
- De toepassing van ultrageluid met hoog vermogen op de gipsslurry versnelt de kristallisatie en verkort daardoor de uithardingstijd.
- Naast een snellere uitharding hebben de geproduceerde wandplaten een lagere dichtheid.
- Het ultrasoon dispergeren van versterkende nanomaterialen (bijv. CNT’s, nanovezels of silica) in gips resulteert in een hoge mechanische sterkte en een lage porositeit.
Ultrasone technologie voor een verbeterde gipsproductie
Om de uithardingsreactie van calciumsulfaathemihydraat en water op gang te brengen, moet calciumsulfaathemihydraat gelijkmatig in water worden gedispergeerd, zodat een homogene slurry wordt bereid. De ultrasone dispersie zorgt ervoor dat de deeltjes volledig worden bevochtigd, zodat het hemihydraat volledig wordt gehydrateerd. Het ultrasoon mengen van de gipsslurry verkort de uithardingstijd door een versnelde kristallisatie.
Ook aanvullende ingrediënten, zoals versnellers en versterkende nanomaterialen, kunnen zeer gelijkmatig in de gipsslurry worden gemengd.
Werkingsprincipe van ultrasoon dispergeren
Wanneer ultrageluid met hoog vermogen in een vloeistof of slurry wordt gekoppeld, ontstaat ultrasoon opgewekte cavitatie. Ultrasone cavitatie creëert plaatselijk extreme omstandigheden, waaronder hoge afschuifkrachten, vloeistofstralen, microturbulenties, hoge temperaturen, “feat” verwarmings- en afkoelsnelheden en hoge drukken. Deze door cavitatie veroorzaakte afschuifkrachten overwinnen de bindingskrachten tussen moleculen, zodat deze worden gedeagglomereerd en als afzonderlijke deeltjes worden gedispergeerd. Bovendien worden deeltjes versneld door de vloeistofstralen die door cavitatie ontstaan, waardoor ze met elkaar botsen en zo worden verkleind tot nanogrootte of zelfs de grootte van primaire deeltjes. Dit verschijnsel staat bekend als ultrasoon natmalen.
Ultrageluid met hoog vermogen creëert kiemvormingsplaatsen in de oplossing, waardoor een versnelde kristallisatie wordt bereikt.
Klik hier voor meer informatie over sonokristallisatie – ultrasoon ondersteunde kristallisatie!
Industriële ultrasone dispergeerder
Ultrasone dispersie van additieven
In veel chemische processen wordt sonicatie gebruikt om additieven zoals vertragers (bijv. eiwitten, organische zuren), viscositeitsmodificatoren (bijv. superplastificeerders), middelen tegen verbranding, boorzuur, waterwerende chemicaliën (bijv. polysiloxanen, wasemulsies), glasvezels, middelen die de brandwerendheid verhogen (bijv. vermiculiet, klei en/of pyrogeen silica), polymere verbindingen (bijv. PVA, PVOH) en andere gangbare additieven in de formulering te mengen, om de formulering van pleister, uithardende voegmiddelen en gipscementen te verbeteren en de uithardingstijd ervan te verkorten.
Klik hier voor meer informatie over het ultrasoon mengen van additieven!
Industriële ultrasone systemen
Hielscher Ultrasonics is uw topleverancier van ultrasone systemen met hoog vermogen voor tafelopstellingen en industriële toepassingen. Hielscher biedt krachtige en robuuste industriële ultrasone processoren. Onze UIP16000 (16kW) is de krachtigste ultrasone processor ter wereld. Dit ultrasone systeem van 16kW verwerkt met gemak grote volumes, zelfs van zeer viskeuze slurry’s (tot 10.000cp). Hoge amplitudes tot 200µm (en hoger op aanvraag) zorgen ervoor dat het materiaal goed wordt behandeld, zodat de gewenste mate van dispersie, deagglomeratie en vermaling wordt bereikt. Deze intense sonicatie produceert slurry’s met nanodeeltjes voor een snelle uitharding en superieure gipsproducten.
Dankzij de robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher is 24/7 gebruik onder zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk.
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 10 tot 2000mL | 20 tot 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 tot 20L | 0,2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10L/min | UIP4000 |
| n.v.t. | 10 tot 100L/min | UIP16000 |
| n.v.t. | hoger | cluster van UIP16000 |
Onze jarenlange ervaring met ultrasone verwerking helpt ons onze klanten te adviseren, van de eerste haalbaarheidsstudies tot de implementatie van het proces op industriële schaal.
Literatuur/referenties
- Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): Invloed van ultrageluid met hoog vermogen op de vloeibaarheid en uitharding van portlandcementpasta’s; tijdens: 17th International Conference on Building Materials, 23 – 26 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): Bereiding en eigenschappen van composieten van calciumsulfaatwhiskers en natuurrubber. Advanced Materials Research vol. 549, 2012. 597–600.
Wetenswaardigheden
Productie van gipsplaten
Tijdens het productieproces van gipsplaten wordt een waterige slurry van gecalcineerd gips – het zogeheten calciumsulfaathemihydraat – tussen de bovenste en onderste papierlaag uitgespreid. Het product dat zo ontstaat, moet continu over een transportband worden verplaatst totdat de slurry is uitgehard. De plaat wordt vervolgens gedroogd totdat het overtollige water in de gipsplaat is verdampt. Bij de productie van gipswandplaten is het gebruikelijk om verschillende stoffen aan de slurry toe te voegen om het productieproces of de plaat zelf te verbeteren. Zo is het gebruikelijk om het gewicht van de slurry te verlagen door schuimmiddelen toe te voegen, die een zekere hoeveelheid lucht inbrengen en daardoor de dichtheid van de uiteindelijke wandplaat verlagen.
Calciumsulfaat
Calciumsulfaat (in het Engels calcium sulfate of calcium sulphate) is een anorganische verbinding met de formule CaSO4 en bijbehorende hydraten. In de watervrije vorm van γ-anhydriet wordt het gebruikt als droogmiddel voor algemene doeleinden. Een bepaald hydraat van CaSO4 staat bekend als pleistergips. Een ander belangrijk hydraat is gips, dat van nature als mineraal voorkomt. Vooral gips wordt veel gebruikt voor industriële toepassingen, bijv. als bouwmateriaal, vulstof, in polymeren enz. Alle vormen van CaSO4 komen voor als witte vaste stoffen en zijn nauwelijks oplosbaar in water. Calciumsulfaat veroorzaakt blijvende waterhardheid.
De anorganische verbinding CaSO4 komt voor met drie hydratatiegraden:
- watervrije toestand (mineraalnaam: “anhydriet”) met de formule CaSO4.
- dihydraat (mineraalnaam: “gips”) met de formule CaSO4(H2O)2.
- hemihydraat met de formule CaSO4(H22O)0.5. Specifieke hemihydraten kunnen worden onderscheiden als alfa-hemihydraat en bèta-hemihydraat.
Hydratatie- en dehydratatiereacties
Bij verhitting verandert gips in een gedeeltelijk gedehydrateerd mineraal – het zogeheten calciumsulfaathemihydraat, gecalcineerd gips of pleistergips. Gecalcineerd gips heeft de formule CaSO4·(nH2O), waarbij 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Temperaturen tussen 100°C en 150°C (212°F – 302°F) zijn nodig om het water te verwijderen dat in de structuur ervan is gebonden. De exacte verhittingstemperatuur en -duur hangen af van de luchtvochtigheid in de omgeving. Voor industriële calcinatie worden temperaturen tot wel 170°C (338°F) toegepast. Bij deze temperaturen begint echter de vorming van γ-anhydriet. De warmte-energie die op dat moment aan het gips wordt toegevoerd (de hydratatiewarmte), wordt doorgaans gebruikt om water te verdrijven (als waterdamp) in plaats van de temperatuur van het mineraal te verhogen. Deze temperatuur stijgt langzaam totdat het water verdwenen is en stijgt daarna sneller. De vergelijking voor de gedeeltelijke dehydratatie is als volgt:
Het endotherme karakter van deze reactie is relevant voor de prestaties van gipsplaten, doordat het woningen en andere bouwwerken brandwerendheid verleent. Bij brand blijft de constructie achter een gipsplaat relatief koel doordat water uit het gips verdwijnt. Hierdoor wordt schade aan het raamwerk (door verbranding van houten onderdelen of verlies van staalsterkte bij hoge temperaturen) en de daaropvolgende instorting van de constructie voorkomen en vertraagd. Bij hogere temperaturen geeft calciumsulfaat zuurstof af en werkt het daardoor als oxidatiemiddel. Deze materiaaleigenschap wordt gebruikt bij aluminothermie. In tegenstelling tot de meeste mineralen, die bij herhydratatie eenvoudigweg vloeibare of halfvloeibare pasta’s vormen of poedervormig blijven, heeft gecalcineerd gips een ongebruikelijke eigenschap. Wanneer het bij omgevingstemperatuur met water wordt gemengd, keert het chemisch terug naar de voorkeursvorm als dihydraat, terwijl het fysiek “uithardt” tot een stijf en relatief sterk kristalrooster van gips, zoals weergegeven in de onderstaande vergelijking:
Deze exotherme reactie maakt het zo eenvoudig om gips in verschillende vormen te gieten, waaronder platen voor gipswanden, krijtstaafjes voor schoolborden en gietvormen (bijv. om gebroken botten te immobiliseren of voor metaalgietwerk). Gemengd met polymeren is het gebruikt als cement voor botherstel.
Bij verhitting tot 180°C ontstaat een vrijwel watervrije vorm, het zogeheten γ-anhydriet (CaSO4·nH2O waarbij n = 0 tot 0,05). γ-Anhydriet reageert slechts langzaam met water om terug te keren naar de dihydraattoestand en wordt daarom veel gebruikt als commercieel droogmiddel. Bij verhitting boven 250°C ontstaat de volledig watervrije vorm van β-anhydriet. β-anhydriet reageert niet met water, zelfs niet over geologische tijdschalen, tenzij het zeer fijn is gemalen.
Pleister
Pleister is een bouwmateriaal dat wordt gebruikt als beschermende en/of decoratieve afwerking voor muren en plafonds en voor het vormen, het maken van sierlijsten en het gieten van decoratieve bouwelementen.
Stucwerk is pleisterwerk dat wordt gebruikt om reliëfdecoraties te maken.
De meest voorkomende soorten pleister hebben gips, kalk of cement als hoofdingrediënt. Pleister wordt geproduceerd als droog poeder (gipspoeder). Wanneer het poeder met water wordt gemengd, ontstaat een stijve maar verwerkbare pasta. De exotherme reactie met water geeft warmte af door een kristallisatieproces, waarna de gehydrateerde pleister uithardt.
Gipspleister
Gipspleister, of pleistergips, wordt geproduceerd door een warmtebehandeling (ca. 300°F / 150°C) van gips:
CaSO4·2H2O + warmte → CaSO4·0.5H2O + 1.5H2O (komt vrij als stoom).
Gips kan opnieuw worden gevormd door het droge poeder met water te mengen. Om de uitharding van ongemodificeerde gipspleister op gang te brengen, wordt het droge poeder met water gemengd. Na ca. 10 minuten begint de uithardingsreactie en deze is na ca. 45 minuten voltooid. Volledige uitharding van gips wordt echter na ca. 72 uur bereikt. Als gipspleister of gips boven 266°F / 130°C wordt verhit, ontstaat hemihydraat. Hemihydraatpoeder kan ook in gips worden omgezet wanneer het in water wordt gedispergeerd.