Krystalizacja gipsu przyspieszana ultradźwiękami

Warto wiedzieć

Produkcja płyt gipsowych

Podczas produkcji płyt gipsowych wodną zawiesinę gipsu kalcynowanego – tak zwanego półwodnego siarczanu wapnia – rozprowadza się pomiędzy górnym a dolnym arkuszem papieru. Powstały produkt musi być nieprzerwanie przemieszczany na taśmie przenośnika, aż zawiesina zwiąże. Następnie płytę suszy się do momentu odparowania nadmiaru wody z płyty gipsowej. W produkcji gipsowych płyt ściennych stosuje się dodawanie do zawiesiny różnych substancji, które usprawniają proces produkcji lub poprawiają właściwości samej płyty. Na przykład powszechnie zmniejsza się masę zawiesiny przez dodanie środków pianotwórczych, aby zapewnić pewien stopień napowietrzenia, obniżający gęstość gotowej płyty ściennej.

Siarczan wapnia

Siarczan wapnia (calcium sulfate lub calcium sulphate) jest związkiem nieorganicznym o wzorze CaSO₄ i występuje również w postaci odpowiednich hydratów. W bezwodnej postaci γ-anhydrytu stosuje się go jako uniwersalny środek osuszający. Jeden z hydratów CaSO₄ jest znany jako gips modelarski. Innym ważnym hydratem jest gips, który występuje naturalnie jako minerał. Szczególnie gips jest szeroko stosowany w przemyśle, np. jako materiał budowlany, wypełniacz, w polimerach itp. Wszystkie postacie CaSO₄ są białymi ciałami stałymi i są trudno rozpuszczalne w wodzie. Siarczan wapnia powoduje trwałą twardość wody.
Związek nieorganiczny CaSO₄ występuje w trzech stopniach uwodnienia:

• postać bezwodna (nazwa mineralogiczna: „anhydryt”) o wzorze CaSO₄.
• dwuhydrat (nazwa mineralogiczna: „gips”) o wzorze CaSO₄(H₂O)₂.
• półhydrat o wzorze CaSO₄(H2₂O)0.5. Można wyróżnić półhydrat alfa i półhydrat beta.

Reakcje hydratacji i dehydratacji
Pod wpływem ciepła gips przekształca się w częściowo odwodniony minerał – tak zwany półwodny siarczan wapnia, gips kalcynowany lub gips modelarski. Gips kalcynowany ma wzór CaSO₄·(nH₂O), gdzie 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Do usunięcia wody związanej w jego strukturze niezbędne są temperatury od 100°C do 150°C (212°F – 302°F). Dokładna temperatura i czas ogrzewania zależą od wilgotności otoczenia. W kalcynacji przemysłowej stosuje się temperatury sięgające 170°C (338°F). Jednak w tych temperaturach rozpoczyna się tworzenie γ-anhydrytu. Energia cieplna dostarczana w tym czasie do gipsu (ciepło hydratacji) jest zwykle zużywana na usuwanie wody (w postaci pary wodnej), zamiast na podwyższanie temperatury minerału, która rośnie powoli, aż do usunięcia wody, a następnie wzrasta szybciej. Równanie częściowej dehydratacji jest następujące:

Endotermiczny charakter tej reakcji ma znaczenie dla właściwości płyt gipsowo-kartonowych, zapewniając odporność ogniową budynkom mieszkalnym i innym obiektom. Podczas pożaru konstrukcja za płytą gipsowo-kartonową pozostaje stosunkowo chłodna wskutek utraty wody przez gips, co zapobiega uszkodzeniu konstrukcji szkieletowej i opóźnia je (w wyniku spalania elementów drewnianych lub utraty wytrzymałości stali w wysokich temperaturach), a także zapobiega wynikającemu z tego zawaleniu się konstrukcji i opóźnia je. W wyższych temperaturach siarczan wapnia uwalnia tlen i działa tym samym jako utleniacz. Ta właściwość materiału jest wykorzystywana w aluminotermii. W przeciwieństwie do większości minerałów, które po ponownym uwodnieniu po prostu tworzą płynne lub półpłynne pasty albo pozostają w postaci proszku, gips kalcynowany ma niezwykłą właściwość. Po zmieszaniu z wodą w temperaturze otoczenia chemicznie powraca do preferowanej postaci dwuhydratu, jednocześnie fizycznie „wiążąc się” w sztywną i stosunkowo wytrzymałą sieć krystaliczną gipsu, jak przedstawiono w poniższym równaniu:

Ta egzotermiczna reakcja sprawia, że tak łatwo można odlewać gips w różne kształty, w tym płyty gipsowo-kartonowe, pałeczki kredy tablicowej i formy (np. do unieruchamiania złamanych kości lub do odlewów metalowych). Po zmieszaniu z polimerami stosowano go jako cement do naprawy kości.
Po ogrzaniu do 180°C powstaje niemal bezwodna postać, tak zwany γ-anhydryt (CaSO₄·nH₂O, gdzie n = 0 do 0,05). γ-Anhydryt reaguje z wodą jedynie powoli, powracając do postaci dwuhydratu, dlatego jest szeroko stosowany jako komercyjny środek osuszający. Po ogrzaniu powyżej 250°C powstaje całkowicie bezwodna postać β-anhydrytu. β-Anhydryt nie reaguje z wodą nawet w geologicznej skali czasu, chyba że zostanie bardzo drobno zmielony.

Tynk

Tynk jest materiałem budowlanym stosowanym jako ochronna i/lub dekoracyjna powłoka ścian i sufitów, a także do formowania, wykonywania listew ozdobnych i odlewania dekoracyjnych elementów budowlanych.
Sztukateria to dekoracje z masy tynkarskiej, stosowane do wykonywania ozdób reliefowych.
Najczęściej stosowane rodzaje tynku zawierają jako główny składnik gips, wapno lub cement. Tynk produkuje się w postaci suchego proszku (proszku gipsowego). Po zmieszaniu proszku z wodą powstaje sztywna, lecz nadająca się do obróbki pasta. Egzotermiczna reakcja z wodą uwalnia ciepło w procesie krystalizacji, po czym uwodniona masa tynkarska twardnieje.

Gips budowlany

Gips budowlany, czyli gips modelarski, otrzymuje się przez obróbkę cieplną (ok. 300°F / 150°C) gipsu:
CaSO₄·2H₂O + ciepło → CaSO₄·0.5H₂O + 1.5H₂O (uwalniana jako para wodna).
Gips można ponownie utworzyć przez zmieszanie suchego proszku z wodą. Aby zainicjować wiązanie niemodyfikowanego gipsu budowlanego, suchy proszek miesza się z wodą. Po ok. 10 minutach rozpoczyna się reakcja wiązania, która kończy się po ok. 45 minutach. Jednak pełne związanie gipsu osiąga się po ok. 72 godzinach. Jeśli gips budowlany lub gips zostanie ogrzany powyżej 266°F / 130°C, powstaje półhydrat. Proszek półhydratu można również przekształcić w gips przez zdyspergowanie go w wodzie.