Ultrazvukom urýchlená kryštalizácia sadry
- Ultrazvukové miešanie a dispergovanie urýchľuje kryštalizáciu a reakciu tuhnutia sadry (CaSO4･2H2O).
- Pôsobenie výkonového ultrazvuku na sadrovú suspenziu urýchľuje kryštalizáciu, čím skracuje čas tuhnutia.
- Okrem rýchlejšieho tuhnutia vykazujú vyrobené stenové dosky aj nižšiu hustotu.
- Ultrazvukové dispergovanie výstužných nanomateriálov (napr. CNT, nanovlákien alebo oxidu kremičitého) do sadry vedie k vysokej mechanickej pevnosti a nízkej pórovitosti.
Ultrazvuk na zlepšenie výroby sadry
Na spustenie reakcie tuhnutia hemihydrátu síranu vápenatého a vody musí byť hemihydrát síranu vápenatého rovnomerne dispergovaný vo vode tak, aby vznikla homogénna suspenzia. Ultrazvukové dispergovanie zabezpečuje úplné zmáčanie častíc, čím sa dosiahne úplná hydratácia hemihydrátu. Ultrazvukové miešanie sadrovej suspenzie skracuje čas tuhnutia vďaka urýchlenej kryštalizácii.
Do sadrovej suspenzie možno veľmi rovnomerne vmiešať aj ďalšie zložky, ako sú urýchľovače a výstužné nanomateriály.
Princíp ultrazvukového dispergovania
Pri prenose vysokovýkonného ultrazvuku do kvapaliny alebo suspenzie vzniká ultrazvukom vyvolaná kavitácia. Ultrazvuková kavitácia vytvára lokálne extrémne podmienky vrátane vysokých šmykových síl, kvapalinových prúdov, mikroturbulencií, vysokých teplôt, vysokých rýchlostí ohrevu a ochladzovania, ako aj vysokých tlakov. Tieto kavitačné šmykové sily prekonávajú väzbové sily medzi molekulami, takže sa deaglomerujú a dispergujú ako jednotlivé častice. Kavitačné kvapalinové prúdy navyše urýchľujú častice, ktoré tak navzájom narážajú a rozbíjajú sa na nanometrovú veľkosť alebo dokonca na veľkosť primárnych častíc. Tento jav je známy ako ultrazvukové mokré mletie.
Výkonový ultrazvuk vytvára v roztoku nukleačné miesta, čím sa dosahuje urýchlená kryštalizácia.
Kliknite sem a dozviete sa viac o sonokryštalizácii – kryštalizácii podporovanej ultrazvukom!
Priemyselný ultrazvukový dispergátor
Ultrazvukové dispergovanie prísad
V mnohých chemických procesoch sa sonikácia používa na vmiešavanie prísad, ako sú spomaľovače tuhnutia (napr. proteíny, organické kyseliny), modifikátory viskozity (napr. superplastifikátory), prostriedky proti prepáleniu, kyselina boritá, chemikálie zvyšujúce odolnosť proti vode (napr. polysiloxány, voskové emulzie), sklenené vlákna, prísady zvyšujúce požiarnu odolnosť (napr. vermikulit, íly a/alebo pyrogénny oxid kremičitý), polymérne zlúčeniny (napr. PVA, PVOH) a ďalšie bežné prísady, do zmesi s cieľom zlepšiť zloženie omietok, tuhnúcich škárovacích hmôt a sadrových cementov a skrátiť ich čas tuhnutia.
Kliknite sem a dozviete sa viac o ultrazvukovom miešaní a vmiešavaní prísad!
Priemyselné ultrazvukové systémy
Hielscher Ultrasonics je váš špičkový dodávateľ vysokovýkonných ultrazvukových systémov na stolové a priemyselné použitie. Hielscher ponúka výkonné a robustné priemyselné ultrazvukové procesory. Náš UIP16000 (16kW) je najvýkonnejší ultrazvukový procesor na svete. Tento ultrazvukový systém s výkonom 16kW ľahko spracúva veľké objemy aj vysoko viskóznych suspenzií (až do 10 000cp). Vysoké amplitúdy až do 200µm (a na požiadanie aj vyššie) zabezpečujú správne spracovanie materiálu tak, aby sa dosiahol požadovaný stupeň dispergovania, deaglomerácie a mletia. Táto intenzívna sonikácia vytvára suspenzie s nanočasticami na dosiahnutie rýchleho tuhnutia a sadrových výrobkov špičkovej kvality.
Robustnosť ultrazvukových zariadení Hielscher umožňuje prevádzku 24/7 pri vysokom zaťažení a v náročných prostrediach.
Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej kapacite spracovania našich ultrazvukových zariadení:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | vyšší | zostava zariadení UIP16000 |
Naše dlhoročné skúsenosti s ultrazvukovým spracovaním nám pomáhajú poskytovať zákazníkom poradenstvo od prvých štúdií uskutočniteľnosti až po zavedenie procesu v priemyselnom meradle.
Literatúra / referencie
- Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): Vplyv výkonového ultrazvuku na tekutosť a tuhnutie pást portlandského cementu; na: 17. medzinárodnej konferencii o stavebných materiáloch 23rd – 26th September 2009, Weimar.
- Rössler, Ch. (2009): Vplyv výkonového ultrazvuku na tokové vlastnosti a tuhnutie cementových suspenzií; v: Zborník 17. medzinárodnej konferencie o stavebných materiáloch ibausil, vyd. Finger-Institut für Baustoffkunde, Bauhaus-Universität Weimar, s. 1 – 0259 – 1 – 0264.
- Zhongbiao, Man; Chen, Yuehui; Yang, Miao (2012): Príprava a vlastnosti kompozitov z whiskerov síranu vápenatého a prírodného kaučuku. Advanced Materials Research zv. 549, 2012. 597–600.
Užitočné informácie
Výroba sadrokartónových dosiek
Pri výrobe sadrokartónových dosiek sa vodná suspenzia kalcinovaného sadrovca – takzvaného hemihydrátu síranu vápenatého – rozprestiera medzi horný a dolný papierový pás. Takto vytvorený výrobok sa musí nepretržite pohybovať na dopravníkovom páse, kým suspenzia nestuhne. Doska sa potom suší, kým sa zo sadrokartónovej dosky neodparí prebytočná voda. Pri výrobe sadrokartónových dosiek je známe pridávanie rôznych látok do suspenzie na zlepšenie výrobného procesu alebo samotnej dosky. Bežne sa napríklad znižuje hmotnosť suspenzie pridávaním penotvorných látok, ktoré zabezpečujú určitý stupeň prevzdušnenia a tým znižujú hustotu výslednej sadrokartónovej dosky.
Síran vápenatý
Síran vápenatý (alebo síran vápenatý) je anorganická zlúčenina so vzorcom CaSO4 a príbuznými hydrátmi. V bezvodej forme γ-anhydritu sa používa ako univerzálne sušidlo. Jeden konkrétny hydrát CaSO4 je známy ako sadra. Ďalším dôležitým hydrátom je sadrovec, ktorý sa prirodzene vyskytuje ako minerál. Najmä sadrovec sa vo veľkej miere používa v priemysle, napr. ako stavebný materiál, plnivo, v polyméroch atď. Všetky formy CaSO4 sú biele pevné látky a sú len málo rozpustné vo vode. Síran vápenatý spôsobuje trvalú tvrdosť vody.
Anorganická zlúčenina CaSO4 sa vyskytuje v troch stupňoch hydratácie:
- bezvodý stav (názov minerálu: „anhydrit“) so vzorcom CaSO4.
- dihydrát (názov minerálu: „sadrovec“) so vzorcom CaSO4(H2O)2.
- hemihydrát so vzorcom CaSO4(H22O)0.5. Jednotlivé hemihydráty možno rozlíšiť na alfa-hemihydrát a beta-hemihydrát.
Hydratačné a dehydratačné reakcie
Pôsobením tepla sa sadrovec premieňa na čiastočne dehydratovaný minerál – takzvaný hemihydrát síranu vápenatého, kalcinovaný sadrovec alebo sadru. Kalcinovaný sadrovec má vzorec CaSO4·(nH2O), kde 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Na odstránenie vody viazanej v jeho štruktúre sú potrebné teploty medzi 100°C a 150°C (212°F – 302°F). Presná teplota a čas zahrievania závisia od vlhkosti okolitého prostredia. Pri priemyselnej kalcinácii sa používajú teploty až 170°C (338°F). Pri týchto teplotách sa však začína tvoriť γ-anhydrit. Tepelná energia dodávaná v tejto fáze sadrovcu (hydratačné teplo) sa spotrebúva skôr na odstraňovanie vody (vo forme vodnej pary) než na zvyšovanie teploty minerálu, ktorá stúpa pomaly, kým sa voda neodstráni, a potom rastie rýchlejšie. Rovnica čiastočnej dehydratácie je nasledujúca:
Endotermický charakter tejto reakcie je dôležitý pre vlastnosti sadrokartónu, pretože zabezpečuje požiarnu odolnosť obytných a iných stavieb. Pri požiari zostáva konštrukcia za sadrokartónovou doskou relatívne chladná, pretože zo sadrovca sa uvoľňuje voda, čím sa predchádza poškodeniu nosnej konštrukcie (v dôsledku horenia drevených prvkov alebo straty pevnosti ocele pri vysokých teplotách) a následnému zrúteniu stavby a tieto procesy sa spomaľujú. Pri vyšších teplotách síran vápenatý uvoľňuje kyslík, a tým pôsobí ako oxidačné činidlo. Táto vlastnosť materiálu sa využíva v aluminotermii. Na rozdiel od väčšiny minerálov, ktoré pri opätovnej hydratácii jednoducho vytvárajú tekuté alebo polotekuté pasty alebo zostávajú práškovité, má kalcinovaný sadrovec nezvyčajnú vlastnosť. Po zmiešaní s vodou pri teplote okolia sa chemicky mení späť na preferovanú dihydrátovú formu, pričom fyzikálne „tuhne“ a vytvára pevnú a relatívne odolnú kryštálovú mriežku sadrovca, ako ukazuje nasledujúca rovnica:
Táto exotermická reakcia umožňuje veľmi jednoduché odlievanie sadry do rôznych tvarov vrátane sadrokartónových dosiek, tyčiniek kriedy na tabuľu a foriem (napr. na znehybnenie zlomených kostí alebo na kovové odliatky). V zmesi s polymérmi sa používa ako cement na opravu kostí.
Pri zahriatí na 180°C vzniká takmer bezvodá forma, takzvaný γ-anhydrit (CaSO4·nH2O, kde n = 0 až 0,05). γ-anhydrit reaguje s vodou za opätovného vzniku dihydrátu len pomaly, preto sa vo veľkej miere používa ako komerčné sušidlo. Pri zahriatí nad 250°C vzniká úplne bezvodá forma β-anhydritu. β-anhydrit nereaguje s vodou ani v geologických časových mierkach, pokiaľ nie je veľmi jemne rozomletý.
Omietka
Omietka je stavebný materiál, ktorý sa používa ako ochranná a/alebo dekoratívna povrchová vrstva na steny a stropy a na tvarovanie a odlievanie dekoratívnych stavebných prvkov.
Štuk je omietková úprava používaná na vytváranie reliéfnych dekorácií.
Najbežnejšie druhy omietok obsahujú ako hlavnú zložku sadru, vápno alebo cement. Omietka sa vyrába vo forme suchého prášku (sadrového prášku). Po zmiešaní prášku s vodou vzniká tuhá, ale spracovateľná pasta. Exotermická reakcia s vodou uvoľňuje počas kryštalizácie teplo a následne hydratovaná omietka tvrdne.
Sadrová omietka
Sadrová omietka, čiže stavebná sadra, sa vyrába tepelným spracovaním (približne pri 300°F / 150°C) sadrovca:
CaSO4·2H2O + teplo → CaSO4·0.5H2O + 1.5H2O (uvoľňuje sa vo forme pary).
Sadrovec možno opätovne vytvoriť zmiešaním suchého prášku s vodou. Na spustenie tuhnutia neupravenej sadry sa suchý prášok zmieša s vodou. Približne po 10 minútach sa začne reakcia tuhnutia a približne po 45 minútach sa ukončí. Úplné stuhnutie sadry sa však dosiahne približne po 72 hodinách. Ak sa omietka alebo sadrovec zahreje nad 266°F / 130°C, vzniká hemihydrát. Aj práškový hemihydrát možno dispergovaním vo vode premeniť na sadrovec.