Ultrazvukovo zrýchlená kryštalizácia sadry
- Ultrazvukové miešanie a dispergácia urýchľuje kryštalizačnú a tuhnúcu reakciu sadry (CaSO4・2 hodiny2O).
- Aplikácia výkonového ultrazvuku na sadrovú kašu urýchľuje kryštalizáciu, čím sa skracuje čas tuhnutia.
- Okrem rýchlejšieho tuhnutia vykazujú vyrobené nástenné dosky zníženú hustotu.
- Ultrazvuková dispergácia výstužných nano materiálov (napr. CNT, nanovlákien alebo oxidu kremičitého) do sadry má za následok vysokú mechanickú pevnosť a nízku pórovitosť.
Ultrazvuk pre lepšiu výrobu sadry
Aby sa spustila tuhnúca reakcia hemihydrátu síranu vápenatého a vody, musí sa hemihydrát síranu vápenatého rovnomerne rozptýliť do vody, aby sa pripravila homogénna suspenzia. Ultrazvuková disperzia zaisťuje, že častice sú úplne navlhčené, aby sa dosiahla úplná hydratácia hemihydrátu. Ultrazvukové miešanie sadrovej kaše urýchľuje čas tuhnutia v dôsledku zrýchlenej kryštalizácie.
Ďalšie prísady, ako sú urýchľovače a výstužné nanomateriály, je možné veľmi rovnomerne primiešať do sadrovej kaše.
Princíp činnosti ultrazvukovej dispergácie
Keď je ultrazvuk s vysokým výkonom spojený s kvapalinou alebo kašou, dochádza k ultrazvukovo generovanej kavitácii. ultrazvuková kavitácia vytvára lokálne extrémne podmienky vrátane vysokých šmykových síl, prúdov kvapaliny, mikroturbulencií, vysokých teplôt, rýchlosti zahrievania a chladenia, ako aj vysokých tlakov. Tieto kavitačné šmykové sily prekonávajú väzbové sily medzi molekulami, takže sú deaglomerované a rozptýlené ako jednotlivé častice. Okrem toho sú častice urýchľované kavitačnými prúdmi kvapaliny tak, že sa navzájom zrážajú a tým sa rozkladajú na nano alebo dokonca primárnu veľkosť častíc. Tento jav je známy ako ultrazvukové mokré frézovanie.
Výkonový ultrazvuk vytvára nukleačné miesta v roztoku, aby sa dosiahla zrýchlená kryštalizácia.
Kliknite sem a dozviete sa viac o sonokryštalizácii – Ultrazvukom asistovaná kryštalizácia!
Priemyselný ultrazvukový dispergátor
Ultrazvuková disperzia prísad
V mnohých chemických procesoch sa sonikácia používa na zmiešanie prísad, ako sú spomaľovacie činidlá (napr. bielkoviny, organické kyseliny), modifikátory viskozity (napr. superplastifikátory), látky proti horeniu, kyselina boritá, chemikálie odolné voči vode (napr. polysiloxány, voskové emulzie), sklenené vlákna, zvyšovače požiarnej odolnosti (napr. vermikulit, íly a/alebo dymový oxid kremičitý), polymérne zlúčeniny (napr. PVA, PVOH) a iné konvenčné prísady do prípravku na zlepšenie zloženia omietky, spojovacie hmoty a sadrové cementy a skrátiť čas tuhnutia.
Kliknite sem a dozviete sa viac o ultrazvukovom miešaní a miešaní prísad!
Priemyselné ultrazvukové systémy
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics je vaším špičkovým dodávateľom vysokovýkonných ultrazvukových systémov pre stolové a priemyselné aplikácie. Spoločnosť Hielscher ponúka výkonné a robustné priemyselné ultrazvukové procesory. Náš UIP16000 (16kW) je najvýkonnejší ultrazvukový procesor na svete. Tento 16kW ultrazvukový systém ľahko spracováva veľké objemy aj vysoko viskóznych suspenzí (až 10 000 cp). Vysoké amplitúdy až 200 μm (a vyššie na požiadanie) zaisťujú, že materiál je správne ošetrený tak, aby sa dosiahla požadovaná úroveň disperzie, deaglomerácie a frézovania. Táto intenzívna sonikácia vytvára nanočastice pre rýchle tuhnutie a vynikajúce sadrové produkty.
Robustnosť ultrazvukového zariadenia Hielscher umožňuje prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri náročných nákladoch a v náročných prostrediach.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000 |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000 |
Naše dlhoročné skúsenosti s ultrazvukovým spracovaním nám pomáhajú konzultovať s našimi zákazníkmi od prvých štúdií uskutočniteľnosti až po implementáciu procesu v priemyselnom meradle.
Literatúra/Referencie
- Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): Vplyv výkonového ultrazvuku na tekutosť a tuhnutie portlandských cementových pást; na: 17. medzinárodná konferencia o stavebných materiáloch 23. – 26. septembra 2009, Weimar.
- Rössler, Ch. (2009): Einfluss von Power-Ultraschall auf das Fließ- und Erstarrungsverhalten von Zementsuspensionen; in: Tagungsband der 17. Internationalen Baustofftagung ibausil, Hrsg. Finger-Institut für Baustoffkunde, Bauhaus-Universität Weimar, S. 1 – 0259 – 1 – 0264.
- Zhongbiao, muž; Chen, Yuehui; Yang, Miao (2012): Príprava a vlastnosti kompozitov whisker a prírodného kaučuku síranu vápenatého. Výskum pokročilých materiálov zv. 549, 2012. 597-600.
Fakty, ktoré stoja za to vedieť
Výroba sadrokartónu
Počas výrobného procesu sadrokartónu sa vodná suspenzia kalcinovanej sadry – tzv. hemihydrát síranu vápenatého – je rozložený medzi horným a dolným listom papiera. Takto vytvorený produkt sa musí nepretržite pohybovať na dopravnom páse, kým kal neztuhne. List sa potom suší, kým sa prebytočná voda v sadrokartónovej doske neodparí. Pri výrobe sadrokartónových dosiek je známe, že do kaše sa pridávajú rôzne látky na zlepšenie výrobného procesu alebo samotnej dosky. Napríklad je obvyklé odľahčiť hmotnosť kaše začlenením penotvorných činidiel, aby sa zabezpečil stupeň prevzdušnenia, ktorý znižuje hustotu konečnej nástennej dosky.
síran vápenatý
Síran vápenatý (alebo síran vápenatý) je anorganická zlúčenina so vzorcom CaSO4 a súvisiace hydráty. V bezvodej forme γ-anhydritu sa používa ako univerzálne vysúšadlo. Osobitný hydrát CaSO4 je známa ako omietka Paríža. Ďalším dôležitým hydrátom je sadra, ktorá sa prirodzene vyskytuje ako minerál. Najmä sadra je široko používaná v priemyselných aplikáciách, napr. ako stavebný materiál, plnivo, v polyméroch atď. Všetky formy CaSO4 vyzerajú ako biele pevné látky a sú ťažko rozpustné vo vode. Síran vápenatý spôsobuje trvalú tvrdosť vo vode.
Anorganická zlúčenina CaSO4 Vyskytuje sa v troch úrovniach hydratácie:
- Bezvodý stav (názov minerálu: “anhydrit”) so vzorcom CaSO4.
- dihydrát (minerálny názov: “sadrovec”) so vzorcom CaSO4(H2O)2.
- hemihydrát so vzorcom CaSO4(H22O)0,5. Špecifické hemihydráty možno rozlíšiť ako alfa-hemihydrát a beta-hemihydrát.
Hydratačné a dehydratačné reakcie
Pri aplikácii tepla sa sadra premení na čiastočne dehydratovaný minerál – takzvaný hemihydrát síranu vápenatého, kalcinovaná sadra alebo omietka z Paríža. Kalcinovaná sadra má vzorec CaSO4· (nH2O), kde 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Teploty medzi 100 °C a 150 °C (212 °F – 302 °F) sú potrebné na odstránenie vody, ktorá je viazaná v jeho štruktúre. Presná teplota a čas ohrevu závisia od okolitej vlhkosti. Na priemyselnú kalcináciu sa používajú teploty až 170 °C (338 °F). Pri týchto teplotách však začína tvorba γ-anhydritu. Tepelná energia dodávaná do sadry v tomto čase (hydratačné teplo) má tendenciu skôr odháňať vodu (ako vodnú paru) než zvyšovať teplotu minerálu, ktorý pomaly stúpa, až kým voda nezmizne, a potom sa rýchlejšie zvyšuje. Rovnica pre čiastočnú dehydratáciu je nasledovná:
Endotermická vlastnosť tejto reakcie je relevantná pre výkon sadrokartónu, ktorý dodáva požiarnu odolnosť obytným a iným stavbám. Pri požiari zostane konštrukcia za listom sadrokartónu relatívne chladná, pretože voda sa stráca zo sadry, čím sa zabráni a spomalí poškodenie rámu (spaľovaním drevených prvkov alebo stratou pevnosti ocele pri vysokých teplotách) a následnému zrúteniu konštrukcie. Pri vyšších teplotách síran vápenatý uvoľňuje kyslík a pôsobí tak ako oxidačné činidlo. Táto materiálová charakteristika sa používa pri aluminotermii. Na rozdiel od väčšiny minerálov, ktoré po rehydratácii jednoducho vytvárajú tekuté alebo polotekuté pasty alebo zostávajú práškové, kalcinovaná sadra má nezvyčajnú vlastnosť. Po zmiešaní s vodou pri teplote okolia sa chemicky zmení späť na preferovanú dihydrátovú formu, zatiaľ čo je fyzicky “nastavenie” do tuhej a relatívne silnej sadrovej kryštálovej mriežky, ako je znázornené v rovnici nižšie:
Táto exotermická reakcia uľahčuje odlievanie sadry do rôznych tvarov vrátane dosiek na sadrokartónové dosky, tyčiniek na tabuľovú kriedu 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 takmer bezvodná forma, tzv. γ-anhydrit (CaSO)4·nH2O, kde n = 0 až 0,05). γ-anhydrit reaguje s vodou len pomaly, aby sa vrátil do dihydrátového stavu, takže sa široko používa ako komerčné vysúšadlo. Pri zahriatí nad 250 °C dochádza k úplne bezvodej forme β-anhydritu. β-anhydrit nereaguje s vodou, a to ani v geologických časových horizontoch, pokiaľ nie je veľmi jemne mletý.
sadra
Omietka je stavebný materiál, ktorý sa používa ako ochranný a/alebo dekoratívny náterový materiál na steny, stropy a na formy a lišty a odlievanie dekoratívnych stavebných prvkov.
Štuk je omietka, ktorá sa používa na výrobu reliéfnych dekorácií.
Najbežnejšie typy omietky sú formulované buď zo sadry, vápna alebo cementu ako hlavnej zložky. Omietka sa vyrába ako suchý prášok (sadrový prášok). Keď sa prášok zmieša s vodou, vytvorí sa tuhá, ale spracovateľná pasta. Exotermická reakcia s vodou uvoľňuje teplo procesom kryštalizácie, potom hydratovaná omietka stvrdne.
sadrová omietka
Sadrová omietka alebo omietka z Paríža sa vyrába tepelným spracovaním (približne 300 °F / 150 °C) sadry:
CaSO4·2H2O + teplo → CaSO4·0,5 hodiny2O + 1,5H2O (uvoľnené ako para).
Sadru je možné znovu formovať zmiešaním suchého prášku s vodou. Na začatie tuhnutia neupravenej omietky sa suchý prášok zmieša s vodou. Po cca. 10 minút, nastavovacia reakcia nastáva a je dokončená po cca. 45 minút. Úplné nastavenie sadry sa však dosiahne po cca. 72 hodín. Ak sa omietka alebo sadra zahreje nad 266 °F / 130 °C, vytvorí sa hemihydrát. Hemihydrátový prášok sa môže tiež premeniť na sadru, keď sa rozptýli vo vode.