Ultradźwiękowo przyspieszona krystalizacja gipsu

Fakty, które warto znać

Produkcja płyt gipsowych

Podczas procesu produkcji płyt gipsowo-kartonowych, wodna zawiesina kalcynowanego gipsu – tak zwany półwodny siarczan wapnia – jest rozprowadzany pomiędzy górnym i dolnym arkuszem papieru. Utworzony w ten sposób produkt musi być stale przemieszczany na przenośniku taśmowym, aż zawiesina zastygnie. Arkusz jest następnie suszony, aż nadmiar wody w płycie gipsowej odparuje. W produkcji gipsowych płyt ściennych znane jest dodawanie różnych substancji do zawiesiny w celu usprawnienia procesu produkcji lub samej płyty. Na przykład zwykle zmniejsza się wagę zawiesiny poprzez dodanie środków spieniających, aby zapewnić stopień napowietrzenia, który obniża gęstość końcowej płyty ściennej.

siarczan wapnia

Siarczan wapnia (lub siarczan wapnia) to związek nieorganiczny o wzorze CaSO₄ i pokrewne hydraty. W postaci bezwodnej γ-anhydryt jest stosowany jako środek osuszający ogólnego przeznaczenia. Szczególny hydrat CaSO₄ jest znany jako gips paryski. Innym ważnym hydratem jest gips, który występuje naturalnie jako minerał. W szczególności gips jest szeroko stosowany w zastosowaniach przemysłowych, np. jako materiał budowlany, wypełniacz, w polimerach itp. Wszystkie formy CaSO₄ pojawiają się jako białe ciała stałe i są trudno rozpuszczalne w wodzie. Siarczan wapnia powoduje trwałą twardość wody.
Nieorganiczny związek CaSO₄ występuje na trzech poziomach nawodnienia:

• stan bezwodny (nazwa minerału: “anhydryt”) o wzorze CaSO₄.
• dihydrat (nazwa mineralna: “gips”) o wzorze CaSO₄(H₂O)₂.
• półwodzian o wzorze CaSO₄(H2₂O)0.5. Konkretne półwodzian można rozróżnić jako półwodzian alfa i półwodzian beta.

Reakcje nawodnienia i odwodnienia
Pod wpływem ciepła gips przekształca się w częściowo odwodniony minerał – Tak zwany półwodny siarczan wapnia, gips kalcynowany lub gips paryski. Gips kalcynowany ma wzór CaSO₄-(nH₂O), gdzie 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Temperatury od 100°C do 150°C (212°F – 302°F) są niezbędne do usunięcia wody związanej w jego strukturze. Dokładna temperatura i czas ogrzewania zależą od wilgotności otoczenia. Temperatury tak wysokie jak 170°C (338°F) są stosowane do kalcynacji przemysłowej. Jednak w tych temperaturach rozpoczyna się tworzenie γ-anhydrytu. Energia cieplna dostarczana do gipsu w tym czasie (ciepło hydratacji) ma tendencję do odprowadzania wody (w postaci pary wodnej), a nie do zwiększania temperatury minerału, która rośnie powoli, aż woda zniknie, a następnie rośnie szybciej. Równanie na częściowe odwodnienie jest następujące:

Endotermiczna właściwość tej reakcji jest istotna dla wydajności płyt gipsowo-kartonowych, nadając odporność ogniową konstrukcjom mieszkalnym i innym. Podczas pożaru, konstrukcja za arkuszem płyt kartonowo-gipsowych pozostanie stosunkowo chłodna, ponieważ woda jest tracona z gipsu, zapobiegając w ten sposób i opóźniając uszkodzenie szkieletu (poprzez spalanie elementów drewnianych lub utratę wytrzymałości stali w wysokich temperaturach) i w konsekwencji zawalenie się konstrukcji. W wyższych temperaturach siarczan wapnia uwalnia tlen i działa w ten sposób jako środek utleniający. Ta cecha materiału jest wykorzystywana w aluminotermii. W przeciwieństwie do większości minerałów, które po ponownym uwodnieniu po prostu tworzą płynne lub półpłynne pasty lub pozostają sproszkowane, kalcynowany gips ma niezwykłą właściwość. Po zmieszaniu z wodą w temperaturze otoczenia, chemicznie powraca do preferowanej postaci dwuwodzianu, podczas gdy fizycznie jest “ustawienie” w sztywną i stosunkowo mocną sieć krystaliczną gipsu, jak pokazano w poniższym równaniu:

Ta egzotermiczna reakcja sprawia, że tak łatwo jest odlewać gips w różne kształty, w tym arkusze do suchej zabudowy, patyczki do kredy tablicowej i formy (np. do unieruchamiania złamanych kości lub do odlewów metalowych). Zmieszany z polimerami jest stosowany jako cement do naprawy kości.
Po podgrzaniu do 180°C powstaje prawie bezwodna forma, tak zwany γ-anhydryt (CaSO₄-nH₂O, gdzie n = 0 do 0,05). γ-Anhydryt reaguje tylko powoli z wodą, aby powrócić do stanu dwuwodnego, dzięki czemu jest szeroko stosowany jako komercyjny środek osuszający. Po podgrzaniu do temperatury powyżej 250°C powstaje całkowicie bezwodna forma β-anhydrytu. β-anhydryt nie reaguje z wodą, nawet w geologicznych skalach czasowych, chyba że jest bardzo drobno zmielony.

tynk

Tynk jest materiałem budowlanym stosowanym jako powłoka ochronna i/lub dekoracyjna ścian, sufitów oraz do formowania i odlewania dekoracyjnych elementów budowlanych.
Sztukateria to gips, który jest używany do tworzenia dekoracji reliefowych.
Najpopularniejsze rodzaje tynków składają się głównie z gipsu, wapna lub cementu. Tynk produkowany jest w postaci suchego proszku (proszek gipsowy). Po zmieszaniu proszku z wodą powstaje sztywna, ale urabialna pasta. Egzotermiczna reakcja z wodą uwalnia ciepło w procesie krystalizacji, a następnie uwodniony tynk twardnieje.

tynk gipsowy

Tynk gipsowy lub tynk paryski powstaje w wyniku obróbki cieplnej (ok. 300°F / 150°C) gipsu:
CaSO₄-2H₂O + ciepło → CaSO₄-0.5H₂O + 1,5H₂O (uwalniany w postaci pary).
Gips można ponownie uformować, mieszając suchy proszek z wodą. Aby rozpocząć wiązanie niemodyfikowanego gipsu, suchy proszek miesza się z wodą. Po około 10 minutach następuje reakcja wiązania, która kończy się po około 45 minutach. Natomiast całkowite związanie gipsu następuje po ok. 72 godzinach. Jeśli tynk lub gips zostanie podgrzany do temperatury powyżej 130°C, powstaje hemihydrat. Proszek półwodzianu może być również przekształcony w gips po zdyspergowaniu w wodzie.