Cristalização do gesso acelerada por ultrassons
- A mistura e a dispersão ultrassónicas aceleram a cristalização e a reação de presa do gesso (CaSO4･2H2O).
- A aplicação de ultrassons de potência à suspensão de gesso acelera a cristalização, reduzindo assim o tempo de presa.
- Além de uma presa mais rápida, as placas de parede produzidas apresentam uma densidade reduzida.
- A dispersão ultrassónica de nanomateriais de reforço (p. ex., CNTs, nanofibras ou sílica) no gesso resulta numa elevada resistência mecânica e numa baixa porosidade.
Ultrassons para melhorar o fabrico de gesso
Para iniciar a reação de presa entre o sulfato de cálcio hemi-hidratado e a água, o sulfato de cálcio hemi-hidratado deve ser disperso uniformemente na água, de modo a preparar uma suspensão homogénea. A dispersão ultrassónica assegura que as partículas ficam completamente molhadas, permitindo uma hidratação completa do hemi-hidrato. A mistura ultrassónica da suspensão de gesso reduz o tempo de presa devido à aceleração da cristalização.
Também podem ser incorporados de forma muito uniforme na suspensão de gesso ingredientes adicionais, como aceleradores e nanomateriais de reforço.
Princípio de funcionamento da dispersão ultrassónica
Quando se acoplam ultrassons de alta potência a um líquido ou a uma suspensão, ocorre cavitação gerada por ultrassons. A cavitação ultrassónica cria localmente condições extremas, incluindo elevadas forças de cisalhamento, jatos de líquido, microturbulências, temperaturas elevadas, taxas de aquecimento e arrefecimento «feat», bem como pressões elevadas. Estas forças de cisalhamento por cavitação superam as forças de ligação entre moléculas, de modo que estas são desaglomeradas e dispersas como partículas individuais. Além disso, as partículas são aceleradas pelos jatos de líquido gerados pela cavitação, colidindo umas com as outras e sendo assim reduzidas à dimensão nanométrica ou mesmo à dimensão das partículas primárias. Este fenómeno é conhecido como moagem ultrassónica por via húmida.
Os ultrassons de potência criam locais de nucleação na solução, permitindo acelerar a cristalização.
Clique aqui para saber mais sobre a sonocristalização – a cristalização assistida por ultrassons!
Dispersor ultrassónico industrial
Dispersão ultrassónica de aditivos
Em muitos processos químicos, a sonicação é utilizada para misturar na formulação aditivos como agentes retardadores (p. ex., proteínas, ácidos orgânicos), modificadores de viscosidade (p. ex., superplastificantes), agentes contra a queima, ácido bórico, produtos químicos que conferem resistência à água (p. ex., polissiloxanos, emulsões de cera), fibras de vidro, agentes que melhoram a resistência ao fogo (p. ex., vermiculite, argilas e/ou sílica pirogénica), compostos poliméricos (p. ex., PVA, PVOH) e outros aditivos convencionais, para melhorar a formulação de rebocos, massas para juntas que endurecem por presa e cimentos de gesso, e reduzir o seu tempo de presa.
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Sistemas ultrassónicos industriais
A Hielscher Ultrasonics é o seu fornecedor de excelência de sistemas ultrassónicos de alta potência para aplicações de bancada e industriais. A Hielscher oferece processadores ultrassónicos industriais potentes e robustos. O nosso UIP16000 (16kW) é o processador ultrassónico mais potente do mundo. Este sistema de ultrassons de 16kW processa facilmente grandes volumes de suspensões, mesmo as de elevada viscosidade (até 10 000cp). Amplitudes elevadas de até 200µm (e superiores, mediante pedido) asseguram que o material é devidamente tratado, de modo a atingir o nível desejado de dispersão, desaglomeração e moagem. Esta sonicação intensa produz suspensões com nanopartículas para velocidades de presa rápidas e produtos de gesso superiores.
A robustez do equipamento ultrassónico da Hielscher permite o funcionamento 24/7 em serviço intensivo e em ambientes exigentes.
A tabela abaixo indica a capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores:
| Volume por lote | Caudal | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 10 a 2000mL | 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20L | 0,2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100L | 2 a 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | superior | conjunto de UIP16000 |
A nossa vasta experiência em processamento ultrassónico permite-nos aconselhar os nossos clientes desde os primeiros estudos de viabilidade até à implementação do processo à escala industrial.
Bibliografia/Referências
- Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): Influência dos ultrassons de potência na fluidez e na presa de pastas de cimento Portland; em: 17.ª Conferência Internacional sobre Materiais de Construção, 23 – 26 de setembro de 2009, Weimar.
- Rössler, Ch. (2009): Einfluss von Power-Ultraschall auf das Fließ- und Erstarrungsverhalten von Zementsuspensionen; em: Tagungsband der 17. Internationalen Baustofftagung ibausil, ed. Finger-Institut für Baustoffkunde, Bauhaus-Universität Weimar, pp. 1 – 0259 – 1 – 0264.
- Zhongbiao, Man; Chen, Yuehui; Yang, Miao (2012): Preparação e propriedades de compósitos de whiskers de sulfato de cálcio/borracha natural. Advanced Materials Research vol. 549, 2012. 597–600.
Informações úteis
Produção de placas de gesso
Durante o processo de fabrico de placas de gesso, uma suspensão aquosa de gesso calcinado – o chamado sulfato de cálcio hemi-hidratado – é espalhada entre as folhas de papel superior e inferior. O produto assim criado deve ser deslocado continuamente num tapete transportador até a suspensão ter feito presa. A placa é depois seca até a água em excesso na placa de gesso ter evaporado. Na produção de placas de gesso para paredes, é conhecida a adição de várias substâncias à suspensão para melhorar o processo de produção ou a própria placa. Por exemplo, é habitual reduzir o peso da suspensão incorporando agentes espumantes para proporcionar um grau de aeração que diminui a densidade da placa de parede final.
Sulfato de cálcio
O sulfato de cálcio (ou sulfato de cálcio) é um composto inorgânico com a fórmula CaSO4 e os hidratos relacionados. Na forma anidra de γ-anidrite, é utilizado como dessecante de uso geral. Um hidrato específico de CaSO4 é conhecido como gesso de Paris. Outro hidrato importante é o gesso, que ocorre naturalmente como mineral. O gesso, em particular, é amplamente utilizado em aplicações industriais, p. ex., como material de construção, carga, em polímeros, etc. Todas as formas de CaSO4 apresentam-se como sólidos brancos e são pouco solúveis em água. O sulfato de cálcio provoca dureza permanente na água.
O composto inorgânico CaSO4 ocorre em três níveis de hidratação:
- estado anidro (nome do mineral: “anidrite”) com a fórmula CaSO4.
- di-hidrato (nome do mineral: “gesso”) com a fórmula CaSO4(H2O)2.
- hemi-hidrato com a fórmula CaSO4(H22O)0.5. Podem distinguir-se hemi-hidratos específicos como alfa-hemi-hidrato e beta-hemi-hidrato.
Reações de hidratação e desidratação
Quando se aplica calor, o gesso converte-se num mineral parcialmente desidratado – o chamado sulfato de cálcio hemi-hidratado, gesso calcinado ou gesso de Paris. O gesso calcinado tem a fórmula CaSO4·(nH2O), em que 0,5 ≤ n ≤ 0,8. São necessárias temperaturas entre 100°C e 150°C (212°F – 302°F) para remover a água ligada à sua estrutura. A temperatura e o tempo exatos de aquecimento dependem da humidade ambiente. Na calcinação industrial, são aplicadas temperaturas que chegam a 170°C (338°F). Contudo, a estas temperaturas começa a formação de γ-anidrite. A energia térmica fornecida ao gesso nesta fase (o calor de hidratação) tende a ser utilizada na expulsão da água (sob a forma de vapor de água), em vez de aumentar a temperatura do mineral, que sobe lentamente até toda a água ter sido removida e depois aumenta mais rapidamente. A equação da desidratação parcial é a seguinte:
O caráter endotérmico desta reação é relevante para o desempenho das placas de gesso cartonado, conferindo resistência ao fogo a estruturas residenciais e outras. Num incêndio, a estrutura por detrás de uma placa de gesso cartonado permanecerá relativamente fria à medida que o gesso perde água, prevenindo e retardando assim os danos na estrutura de suporte (por combustão dos elementos de madeira ou perda de resistência do aço a temperaturas elevadas) e o consequente colapso estrutural. A temperaturas mais elevadas, o sulfato de cálcio liberta oxigénio, atuando assim como agente oxidante. Esta característica do material é utilizada na aluminotermia. Ao contrário da maioria dos minerais, que, quando reidratados, simplesmente formam pastas líquidas ou semilíquidas, ou permanecem em pó, o gesso calcinado tem uma propriedade invulgar. Quando misturado com água à temperatura ambiente, regressa quimicamente à forma di-hidratada preferencial, enquanto fisicamente faz “presa”, formando uma rede cristalina de gesso rígida e relativamente resistente, como mostra a equação abaixo:
Esta reação exotérmica torna muito fácil moldar o gesso em várias formas, incluindo placas de gesso cartonado, paus de giz para quadros e moldes (p. ex., para imobilizar ossos fraturados ou para fundição de metais). Misturado com polímeros, tem sido utilizado como cimento para reparação óssea.
Quando aquecido a 180°C, forma-se uma forma praticamente isenta de água, a chamada γ-anidrite (CaSO4·nH2O, em que n = 0 a 0,05). A γ-anidrite reage apenas lentamente com a água para regressar ao estado di-hidratado, pelo que é amplamente utilizada como dessecante comercial. Quando aquecida acima de 250°C, surge a forma completamente anidra de β-anidrite. A β-anidrite não reage com a água, mesmo em escalas de tempo geológicas, a menos que seja moída muito finamente.
Reboco
O reboco é um material de construção utilizado como revestimento protetor e/ou decorativo de paredes e tetos, bem como para moldar, produzir molduras e vazar elementos decorativos de construção.
O estuque é um trabalho em reboco utilizado para produzir decorações em relevo.
Os tipos mais comuns de reboco são formulados com gesso, cal ou cimento como ingrediente principal. O reboco é produzido sob a forma de pó seco (pó de gesso). Quando o pó é misturado com água, forma-se uma pasta consistente, mas trabalhável. A reação exotérmica com a água liberta calor através de um processo de cristalização, após o qual o reboco hidratado endurece.
Reboco de gesso
O reboco de gesso, ou gesso de Paris, é produzido por tratamento térmico (aprox. 300°F / 150°C) do gesso:
CaSO4·2H2O + calor → CaSO4·0.5H2O + 1.5H2O (libertada sob a forma de vapor).
O gesso pode voltar a formar-se misturando o pó seco com água. Para iniciar a presa do reboco não modificado, mistura-se o pó seco com água. Após aprox. 10 minutos, a reação de presa começa e termina após aprox. 45 minutos. Contudo, a presa completa do gesso é atingida após aprox. 72 horas. Se o reboco ou o gesso for aquecido acima de 266°F / 130°C, forma-se hemi-hidrato. O pó de hemi-hidrato também pode ser transformado em gesso quando disperso em água.