Ultrasoon versnelde gipskristallisatie
- Ultrasoon mengen en dispergeren versnelt de kristallisatie en zetreactie van gips (CaSO4･2H2O).
- Toepassing van ultrasonisch vermogen op het gipsslurry versnelt de kristallisatie en verkort zo de uithardingstijd.
- Naast een snellere uitharding hebben de geproduceerde wandplaten een lagere dichtheid.
- De ultrasone dispersie van versterkende nanomaterialen (bv. CNT's, nanovezels of silica) in gips resulteert in een hoge mechanische sterkte en een lage porositeit.
Ultrasoon voor verbeterde gipsproductie
Om de verhardingsreactie 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 een volledige hydratatie van het hemihydraat wordt bereikt. Het ultrasone mengen van de gipsspecie versnelt de uithardingstijd door een versnelde kristallisatie.
Bijkomende ingrediënten zoals versnellers en versterkende nanomaterialen kunnen ook zeer gelijkmatig in de gipsslurry worden gemengd.
Werkingsprincipe van ultrasoon dispergeren
Wanneer ultrasoon geluid met een hoog vermogen wordt gekoppeld aan een vloeistof of slurry, treedt ultrasoon gegenereerde cavitatie op. ultrasone cavitatie creëert plaatselijk extreme omstandigheden zoals hoge schuifkrachten, vloeistofstralen, microturbulenties, hoge temperaturen, hoge verwarmings- en koelsnelheden en hoge drukken. Deze caviterende schuifkrachten overwinnen de bindende krachten tussen moleculen zodat ze uiteenvallen en als afzonderlijke deeltjes worden gedispergeerd. Bovendien worden de deeltjes versneld door de cavitatievloeistofstralen zodat ze met elkaar botsen en daardoor worden afgebroken tot nano- of zelfs primaire deeltjesgrootte. Dit fenomeen staat bekend als ultrasoon nat malen.
Krachtig ultrageluid creëert nucleatieplaatsen in de oplossing zodat een versnelde kristallisatie wordt bereikt.
Klik hier voor meer informatie over sonokristallisatie – de ultrasoon geassisteerde kristallisatie!
industriële ultrasone dispergeerder
Ultrasone dispersie van additieven
In veel chemische processen wordt sonicatie gebruikt om additieven zoals vertragers (bijv. eiwitten, organische zuren), viscositeitmodificatoren (bijv. superweekmakers), antiverbrandingsmiddelen, boorzuur, waterbestendige chemicaliën (bijv. polysiloxanen, wasemulsies), glasvezels, brandwerendheidsversterkers (bijv. vermiculiet, klei en/of pyrogeen kiezelzuur), polymere verbindingen (bijv. PVA, PVOH) en andere conventionele additieven in de formulering te mengen om de formulering van pleister te verbeteren.vermiculiet, klei en/of pyrogeen kiezelzuur), polymere verbindingen (bijv. PVA, PVOH) en andere conventionele additieven in de formulering om de formulering van pleister, voegvullingen en gipscement te verbeteren en de uithardingstijd te verkorten.
Klik hier voor meer informatie over ultrasoon mengen en blenden van additieven!
industriële ultrasone systemen
Hielscher Ultrasonics is uw topleverancier van krachtige ultrasone systemen voor laboratoriumtoepassingen 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 van zelfs zeer viskeuze slurries (tot 10.000 cp). Hoge amplitudes tot 200 µm (en hoger op aanvraag) zorgen ervoor dat het materiaal op de juiste manier wordt behandeld, zodat het gewenste niveau van dispersie, deagglomeratie en malen wordt bereikt. Deze intense sonicatie produceert slurries met nanodeeltjes voor een snelle uitharding en superieure gipsproducten.
Dankzij de robuustheid van Hielscher's ultrasone apparatuur kan deze 24/7 worden gebruikt onder zware omstandigheden en in veeleisende omgevingen.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000 |
| n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
| n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Onze lange ervaring in ultrasone verwerking helpt ons om onze klanten te adviseren vanaf de eerste haalbaarheidsstudies tot de implementatie van het proces op industriële schaal.
Literatuur/referenties
- Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): Invloed van ultrageluid op de vloeibaarheid en uitharding van portlandcementpasta's; op: 17e Internationale Conferentie over Bouwmaterialen 23-26 september 2009, Weimar.
- Rössler, Ch. (2009): Einfluss von Power-Ultraschall auf das Fließ- und Erstarrungsverhalten von Zementsuspensionen; in: Tagungsband der 17. Internationale 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 calciumsulfaat whisker/natuurlijk rubber composieten. Advanced Materials Research vol. 549, 2012. 597-600.
Wetenswaardigheden
Productie van gipsplaten
Tijdens het fabricageproces van gipsplaten wordt een waterige slurry van gecalcineerd gips – zogenaamd calciumsulfaat hemihydraat – wordt uitgesmeerd tussen de bovenste en onderste papiervellen. Het aldus ontstane product moet continu over een transportband worden verplaatst totdat de slurry is uitgehard. Vervolgens wordt de plaat gedroogd totdat het overtollige water in de gipsplaat is verdampt. Bij de productie van gipsplaten is het bekend dat er verschillende stoffen aan de slurry worden toegevoegd om het productieproces of de plaat zelf te verbeteren. Het is bijvoorbeeld gebruikelijk om het gewicht van de slurry te verlagen door schuimmiddelen toe te voegen die voor een zekere mate van beluchting zorgen, waardoor de dichtheid van de uiteindelijke gipsplaat afneemt.
calciumsulfaat
Calciumsulfaat (of calciumsulfaat) is een anorganische verbinding met de formule CaSO4 en verwante hydraten. In de watervrije vorm van γ-anhydriet wordt het gebruikt als droogmiddel voor algemeen gebruik. Een bepaald hydraat van CaSO4 staat bekend als gips. Een ander belangrijk hydraat is gips, dat van nature als mineraal voorkomt. Vooral gips wordt veel gebruikt voor industriële toepassingen, bijvoorbeeld als bouwmateriaal, vulmiddel, in polymeren enz. Alle vormen van CaSO4 verschijnen als witte vaste stoffen en zijn nauwelijks oplosbaar in water. Calciumsulfaat veroorzaakt permanente hardheid in water.
De anorganische verbinding CaSO4 komt voor in drie hydratatieniveaus:
- watervrije toestand (minerale naam: “anhydriet”) met de formule CaSO4.
- dihydraat (minerale naam: “gips”) met de formule CaSO4(H2O)2.
- hemihydraat met de formule CaSO4(H22O)0.5. Specifieke hemihydraten kunnen worden onderscheiden als alfa-hemihydraat en beta-hemihydraat.
Hydratatie- en uitdrogingsreacties
Wanneer er warmte wordt toegepast, verandert gips in een gedeeltelijk gedehydrateerd mineraal – het zogenaamde calciumsulfaat hemihydraat, gebrand gips of gips van Parijs. Gegloeid 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 dat in de structuur gebonden is te verwijderen. De exacte verwarmingstemperatuur en -tijd hangen af van de omgevingsvochtigheid. Temperaturen tot 170°C (338°F) worden toegepast voor industrieel branden. Bij deze temperaturen begint echter de vorming van γ-anhydriet. De warmte-energie die op dat moment aan het gips wordt afgegeven (de hydratatiewarmte) heeft de neiging om water af te drijven (als waterdamp) in plaats van de temperatuur van het mineraal te verhogen. De vergelijking voor de gedeeltelijke ontwatering is de volgende:
De endotherme eigenschap van deze reactie is relevant voor de prestaties van gipsplaat, die brandwerendheid verleent aan woon- en andere structuren. Bij brand zal de structuur achter een gipsplaat relatief koel blijven doordat water uit het gips verloren gaat, waardoor schade aan het skelet (door verbranding van hout of verlies van sterkte van staal bij hoge temperaturen) en de daaruit voortvloeiende instorting van de constructie wordt voorkomen of vertraagd. Bij hogere temperaturen geeft calciumsulfaat zuurstof af en werkt daardoor als oxidatiemiddel. Deze materiaaleigenschap wordt gebruikt in aluminothermie. In tegenstelling tot de meeste mineralen, die bij rehydratie gewoon vloeibare of halfvloeibare pasta's vormen of poederachtig blijven, heeft gecalcineerd gips een ongebruikelijke eigenschap. Wanneer het bij omgevingstemperatuur met water wordt gemengd, verandert het chemisch terug in de dihydraatvorm van voorkeur, terwijl het fysisch “instelling” tot een stijf en relatief sterk gipskristalrooster zoals weergegeven in onderstaande vergelijking:
Deze exotherme reactie maakt het zo gemakkelijk om gips in verschillende vormen te gieten, zoals platen voor droogmuren, stokken voor schoolbordkrijt en mallen (bijvoorbeeld om gebroken botten te immobiliseren of voor metaalafgietsels). Gemengd met polymeren wordt het gebruikt als botreparatiecement.
Bij verhitting tot 180°C ontstaat een bijna watervrije vorm, het zogenaamde γ-anhydriet (CaSO4-nH2O waarbij n = 0 tot 0,05) wordt gevormd. γ-anhydriet reageert slechts langzaam met water om terug te keren naar de dihydraattoestand, zodat het op grote schaal wordt 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 op geologische tijdschalen, tenzij het heel fijn gemalen wordt.
gips
Gips is een bouwmateriaal dat wordt gebruikt als beschermend en/of decoratief bekledingsmateriaal voor muren, plafonds en om decoratieve bouwelementen te gieten.
Stucco is pleisterwerk dat wordt gebruikt om reliëfversieringen te maken.
De meest gangbare soorten gips zijn samengesteld uit gips, kalk of cement als hoofdingrediënt. Gips wordt geproduceerd als een droog poeder (gipspoeder). Wanneer het poeder met water wordt gemengd, wordt er een stijve maar verwerkbare pasta gevormd. Door de exotherme reactie met water komt warmte vrij via een kristallisatieproces, waarna het gehydrateerde gips hard wordt.
gips
Gips, of pleister van Parijs, wordt geproduceerd door een hittebehandeling (ongeveer 300°F / 150°C) van gips:
CaSO4-2H2O + warmte → CaSO4-0.5H2O + 1,5H2O (vrijgekomen als stoom).
Gips kan opnieuw worden gevormd door het droge poeder te mengen met water. Om de uitharding van ongewijzigd gips te starten, wordt het droge poeder gemengd met water. Na ongeveer 10 minuten zet de uithardingsreactie in en deze is na ongeveer 45 minuten voltooid. Een volledige uitharding van gips wordt echter bereikt na ongeveer 72 uur. Als gips of gips wordt verwarmd tot boven 266 °F / 130°C, wordt hemihydraat gevormd. Hemihydraatpoeder kan ook worden omgezet in gips wanneer het wordt gedispergeerd in water.