Кристаллизация гипса, ускоренная ультразвуком
- Ультразвуковое перемешивание и диспергирование ускоряет кристаллизацию и реакцию схватывания гипса (CaSO4･2H2O).
- Применение мощного ультразвука к гипсовой суспензии ускоряет кристаллизацию, тем самым сокращая время схватывания.
- Помимо более быстрого схватывания, получаемые стеновые плиты отличаются пониженной плотностью.
- Ультразвуковое диспергирование армирующих наноматериалов (например, углеродных нанотрубок, нановолокон или диоксида кремния) в гипсе обеспечивает высокую механическую прочность и низкую пористость.
Ультразвук для совершенствования производства гипса
Для запуска реакции схватывания полугидрата сульфата кальция и воды необходимо равномерно диспергировать полугидрат сульфата кальция в воде, чтобы получить однородную суспензию. Ультразвуковое диспергирование обеспечивает полное смачивание частиц, благодаря чему достигается полная гидратация полугидрата. Ультразвуковое перемешивание гипсовой суспензии сокращает время схватывания за счёт ускоренной кристаллизации.
Дополнительные компоненты, такие как ускорители и армирующие наноматериалы, также можно очень равномерно распределить в гипсовой суспензии.
Принцип действия ультразвукового диспергирования
При передаче мощного ультразвука в жидкость или суспензию возникает кавитация, вызываемая ультразвуком. Ультразвуковая кавитация создаёт локальные экстремальные условия, включая высокие сдвиговые силы, струи жидкости, микротурбулентность, высокие температуры, скорости нагрева и охлаждения («feat» в оригинале), а также высокие давления. Эти кавитационные сдвиговые силы преодолевают силы связи между молекулами, вследствие чего молекулы подвергаются деагломерации и диспергируются в виде отдельных частиц. Кроме того, кавитационные струи жидкости ускоряют частицы, заставляя их сталкиваться друг с другом и тем самым измельчаться до наноразмеров или даже до размера первичных частиц. Это явление известно как ультразвуковой мокрый помол.
Мощный ультразвук создаёт в растворе центры зародышеобразования, благодаря чему достигается ускоренная кристаллизация.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше о сонокристаллизации – кристаллизации с применением ультразвука!
Промышленный ультразвуковой диспергатор
Ультразвуковое диспергирование добавок
Во многих химических процессах обработка ультразвуком используется для введения в состав таких добавок, как замедлители схватывания (например, белки, органические кислоты), модификаторы вязкости (например, суперпластификаторы), средства против обгорания, борная кислота, водоотталкивающие химические вещества (например, полисилоксаны, восковые эмульсии), стекловолокна, добавки для повышения огнестойкости (например, вермикулит, глины и/или пирогенный диоксид кремния), полимерные соединения (например, PVA, PVOH) и другие обычные добавки, чтобы улучшить состав штукатурки, схватывающихся смесей для заделки швов и гипсовых цементов и сократить время его схватывания.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковом перемешивании и смешивании добавок!
Промышленные ультразвуковые системы
Hielscher Ultrasonics – ваш ведущий поставщик мощных ультразвуковых систем для настольных и промышленных применений. Hielscher предлагает мощные и надёжные промышленные ультразвуковые процессоры. Наш UIP16000 (16kW) – самый мощный ультразвуковой процессор в мире. Эта ультразвуковая система мощностью 16kW легко обрабатывает большие объёмы даже высоковязких суспензий (до 10 000cp). Высокие амплитуды до 200µm (и выше по запросу) обеспечивают надлежащую обработку материала, позволяя достичь требуемой степени диспергирования, деагломерации и измельчения. Такая интенсивная обработка ультразвуком позволяет получать суспензии с наночастицами для быстрого схватывания и изготовления гипсовых изделий превосходного качества.
Надёжность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 при высоких нагрузках и в сложных условиях.
Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов:
| Объём партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | больше | группа устройств UIP16000 |
Наш многолетний опыт ультразвуковой обработки позволяет нам консультировать клиентов от первых исследований осуществимости до внедрения процесса в промышленном масштабе.
Литература и источники
- Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): Влияние мощного ультразвука на текучесть и схватывание портландцементных паст; представлено на: 17-й Международной конференции по строительным материалам, 23rd – 26th September 2009, Веймар.
- Rössler, Ch. (2009): Влияние мощного ультразвука на текучесть и схватывание цементных суспензий; в: сборнике трудов 17-й Международной конференции по строительным материалам ibausil, под редакцией Finger-Institut für Baustoffkunde, Bauhaus-Universität Weimar, с. 1 – 0259 – 1 – 0264.
- Zhongbiao, Man; Chen, Yuehui; Yang, Miao (2012): Получение и свойства композитов на основе нитевидных кристаллов сульфата кальция и натурального каучука. Advanced Materials Research, т. 549, 2012. 597–600.
Полезные сведения
Производство гипсокартона
При производстве гипсокартона водную суспензию обожжённого гипса – так называемого полугидрата сульфата кальция – распределяют между верхним и нижним листами бумаги. Получаемое таким образом изделие необходимо непрерывно перемещать по конвейерной ленте до схватывания суспензии. Затем лист сушат до испарения избытка воды в гипсокартоне. При производстве гипсовых стеновых плит в суспензию добавляют различные вещества для улучшения производственного процесса или самой плиты. Например, обычно массу суспензии уменьшают путём введения пенообразователей, обеспечивающих определённую степень насыщения воздухом, что снижает плотность готовой стеновой плиты.
Сульфат кальция
Сульфат кальция (англ. calcium sulfate или calcium sulphate) – неорганическое соединение с формулой CaSO4 и соответствующими гидратами. В безводной форме γ-ангидрита он используется как универсальный осушитель. Один из гидратов CaSO4 известен как строительный гипс. Другой важный гидрат – гипс, который встречается в природе в виде минерала. Именно гипс широко используется в промышленности, например в качестве строительного материала, наполнителя, в полимерах и т. д. Все формы CaSO4 представляют собой белые твёрдые вещества и малорастворимы в воде. Сульфат кальция вызывает постоянную жёсткость воды.
Неорганическое соединение CaSO4 существует в трёх степенях гидратации:
- безводное состояние (название минерала: «ангидрит») с формулой CaSO4.
- дигидрат (название минерала: «гипс») с формулой CaSO4(H2O)2.
- полугидрат с формулой CaSO4(H22O)0.5. Различают альфа-полугидрат и бета-полугидрат.
Реакции гидратации и дегидратации
При нагревании гипс превращается в частично обезвоженный минерал – так называемый полугидрат сульфата кальция, обожжённый гипс, или строительный гипс. Обожжённый гипс имеет формулу CaSO4·(nH2O), где 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Для удаления воды, связанной в его структуре, необходимы температуры от 100°C до 150°C (212°F–302°F). Точные температура и продолжительность нагревания зависят от влажности окружающей среды. При промышленном обжиге применяют температуры вплоть до 170°C (338°F). Однако при этих температурах начинается образование γ-ангидрита. Тепловая энергия, подводимая к гипсу на этом этапе (теплота гидратации), преимущественно расходуется на удаление воды (в виде водяного пара), а не на повышение температуры минерала, которая медленно растёт до полного удаления воды, а затем повышается быстрее. Уравнение частичной дегидратации имеет следующий вид:
Эндотермический характер этой реакции имеет значение для эксплуатационных свойств гипсокартона, обеспечивая огнестойкость жилых и других зданий. При пожаре конструкция за листом гипсокартона остаётся относительно холодной благодаря выделению воды из гипса, что предотвращает и замедляет повреждение каркаса (из-за горения деревянных элементов или потери прочности стали при высоких температурах) и последующее обрушение конструкции. При более высоких температурах сульфат кальция выделяет кислород и тем самым действует как окислитель. Это свойство материала используется в алюминотермии. В отличие от большинства минералов, которые при повторной гидратации просто образуют жидкие или полужидкие пасты либо остаются порошкообразными, обожжённый гипс обладает необычным свойством. При смешивании с водой при температуре окружающей среды он химически возвращается в предпочтительную дигидратную форму, одновременно физически «схватываясь» с образованием жёсткой и относительно прочной кристаллической решётки гипса, как показано в приведённом ниже уравнении:
Эта экзотермическая реакция позволяет легко отливать гипс в различные формы, включая листы гипсокартона, палочки мела для школьных досок и формы (например, для иммобилизации сломанных костей или для отливки металлов). В смеси с полимерами он использовался в качестве цемента для восстановления костей.
При нагревании до 180°C образуется почти безводная форма, так называемый γ-ангидрит (CaSO4·nH2O, где n = 0–0,05). γ-Ангидрит лишь медленно реагирует с водой, возвращаясь в дигидратное состояние, поэтому он широко используется как промышленный осушитель. При нагревании выше 250°C образуется полностью безводная форма β-ангидрита. β-Ангидрит не реагирует с водой даже на протяжении геологических периодов времени, если только он не измельчён очень тонко.
Штукатурка
Штукатурка – строительный материал, используемый в качестве защитного и/или декоративного покрытия стен и потолков, а также для формования, изготовления лепнины и отливки декоративных строительных элементов.
Лепнина представляет собой штукатурные изделия, используемые для создания рельефных украшений.
Наиболее распространённые виды штукатурки содержат в качестве основного компонента гипс, известь или цемент. Штукатурку производят в виде сухого порошка (гипсового порошка). При смешивании порошка с водой образуется густая, но пригодная для работы паста. Экзотермическая реакция с водой сопровождается выделением тепла в процессе кристаллизации, после чего гидратированная штукатурка твердеет.
Гипсовая штукатурка
Гипсовую штукатурку, или строительный гипс, получают путём термообработки (прибл. 300°F / 150°C) гипса:
CaSO4·2H2O + тепло → CaSO4·0.5H2O + 1.5H2O (выделяется в виде пара).
Гипс можно вновь получить, смешав сухой порошок с водой. Для начала схватывания немодифицированного строительного гипса сухой порошок смешивают с водой. Приблизительно через 10 минут начинается реакция схватывания, которая завершается приблизительно через 45 минут. Однако полное схватывание гипса достигается приблизительно через 72 часа. Если строительный гипс или гипс нагреть выше 266°F / 130°C, образуется полугидрат. Порошок полугидрата также можно превратить в гипс путём диспергирования в воде.