Ultrazvočno pospešena kristalizacija sadre
- Ultrazvočno mešanje in dispergiranje pospešujeta kristalizacijo in reakcijo vezanja sadre (CaSO4･2H2O).
- Uporaba visokozmogljivega ultrazvoka pri suspenziji sadre pospešuje kristalizacijo in s tem skrajšuje čas vezanja.
- Poleg hitrejšega vezanja imajo izdelane stenske plošče tudi manjšo gostoto.
- Ultrazvočno dispergiranje ojačitvenih nanomaterialov (npr. CNT, nanovlaken ali silicijevega dioksida) v sadro zagotavlja visoko mehansko trdnost in nizko poroznost.
Ultrazvok za izboljšano proizvodnjo sadre
Za sprožitev reakcije vezanja kalcijevega sulfata hemihidrata in vode je treba kalcijev sulfat hemihidrat enakomerno dispergirati v vodi, da nastane homogena suspenzija. Ultrazvočno dispergiranje zagotavlja popolno omočenje delcev, s čimer se doseže popolna hidratacija hemihidrata. Ultrazvočno mešanje suspenzije sadre zaradi pospešene kristalizacije skrajša čas vezanja.
Tudi dodatne sestavine, kot so pospeševalci in ojačitveni nanomateriali, je mogoče zelo enakomerno vmešati v suspenzijo sadre.
Načelo delovanja ultrazvočnega dispergiranja
Ko se visokozmogljivi ultrazvok sklopi v tekočino ali suspenzijo, nastane ultrazvočno povzročena kavitacija. Ultrazvočna kavitacija lokalno ustvarja ekstremne pogoje, ki vključujejo velike strižne sile, tekočinske curke, mikroturbulence, visoke temperature, hitrosti segrevanja in ohlajanja »feat« ter visoke tlake. Te kavitacijske strižne sile premagajo vezivne sile med molekulami, tako da se te deaglomerirajo in dispergirajo kot posamezni delci. Poleg tega kavitacijski tekočinski curki pospešujejo delce, tako da ti trkajo med seboj in se pri tem razbijejo na nanometrsko velikost ali celo na velikost primarnih delcev. Ta pojav je znan kot ultrazvočno mokro mletje.
Visokozmogljivi ultrazvok v raztopini ustvarja nukleacijska mesta, s čimer se doseže pospešena kristalizacija.
Kliknite tukaj za več informacij o sonokristalizaciji – kristalizaciji s pomočjo ultrazvoka!
Industrijski ultrazvočni dispergator
Ultrazvočno dispergiranje dodatkov
V številnih kemijskih procesih se sonikacija uporablja za vmešavanje dodatkov, kot so zaviralci vezanja (npr. beljakovine, organske kisline), modifikatorji viskoznosti (npr. superplastifikatorji), sredstva proti gorenju, borova kislina, kemikalije za odpornost proti vodi (npr. polisiloksani, emulzije voskov), steklena vlakna, dodatki za izboljšanje požarne odpornosti (npr. vermikulit, gline in/ali pirogeni silicijev dioksid), polimerne spojine (npr. PVA, PVOH) in drugi običajni dodatki, v formulacijo, da se izboljšajo formulacije ometov, fugirnih mas, ki se strjujejo z vezanjem, in mavčnih cementov ter skrajša njihov čas vezanja.
Kliknite tukaj za več informacij o ultrazvočnem mešanju in vmešavanju dodatkov!
Industrijski ultrazvočni sistemi
Hielscher Ultrasonics je vaš vodilni dobavitelj visokozmogljivih ultrazvočnih sistemov za namizne in industrijske uporabe. Hielscher ponuja zmogljive in robustne industrijske ultrazvočne procesorje. Naš UIP16000 (16kW) je najzmogljivejši ultrazvočni procesor na svetu. Ta ultrazvočni sistem z močjo 16kW zlahka obdeluje velike prostornine celo zelo viskoznih suspenzij (do 10.000cp). Visoke amplitude do 200µm (in višje na zahtevo) zagotavljajo ustrezno obdelavo materiala, s katero se doseže želena stopnja dispergiranja, deaglomeracije in mletja. Ta intenzivna sonikacija proizvaja suspenzije z nanodelci za hitro vezanje in vrhunske izdelke iz sadre.
Robustnost ultrazvočne opreme Hielscher omogoča delovanje 24/7 pri velikih obremenitvah in v zahtevnih okoljih.
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:
| Prostornina šarže | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | večji | sklop naprav UIP16000 |
Naše dolgoletne izkušnje z ultrazvočno obdelavo nam pomagajo svetovati strankam od prvih študij izvedljivosti do uvedbe procesa v industrijskem merilu.
Literatura/viri
- Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): Vpliv visokozmogljivega ultrazvoka na tekočnost in vezanje past portlandskega cementa; na: 17. mednarodni konferenci o gradbenih materialih 23rd – 26th September 2009, Weimar.
- Rössler, Ch. (2009): Vpliv visokozmogljivega ultrazvoka na tečenje in vezanje cementnih suspenzij; v: Zbornik 17. mednarodne konference o gradbenih materialih ibausil, ur. Finger-Institut für Baustoffkunde, Bauhaus-Universität Weimar, str. 1 – 0259 – 1 – 0264.
- Zhongbiao, Man; Chen, Yuehui; Yang, Miao (2012): Priprava in lastnosti kompozitov iz kristalnih laskov kalcijevega sulfata in naravnega kavčuka. Advanced Materials Research, zv. 549, 2012. 597–600.
Koristna dejstva
Proizvodnja mavčnih plošč
Med proizvodnjo mavčnih plošč se vodna suspenzija žgane sadre – tako imenovanega kalcijevega sulfata hemihidrata – razprostre med zgornjo in spodnjo plastjo papirja. Tako nastali izdelek se mora neprekinjeno premikati po transportnem traku, dokler suspenzija ne veže. Plošča se nato suši, dokler odvečna voda v mavčni plošči ne izhlapi. Pri proizvodnji mavčnih stenskih plošč je znano dodajanje različnih snovi suspenziji za izboljšanje proizvodnega procesa ali same plošče. Običajno je na primer zmanjševanje mase suspenzije z dodajanjem penil, ki omogočajo določeno stopnjo vnosa zraka in s tem zmanjšajo gostoto končne stenske plošče.
Kalcijev sulfat
Kalcijev sulfat (ali kalcijev sulfat) je anorganska spojina s formulo CaSO4 in sorodnimi hidrati. V brezvodni obliki γ-anhidrita se uporablja kot univerzalno sušilno sredstvo. Poseben hidrat CaSO4 je znan kot mavec. Drug pomemben hidrat je sadra, ki se v naravi pojavlja kot mineral. Zlasti sadra se pogosto uporablja v industriji, npr. kot gradbeni material, polnilo, v polimerih itd. Vse oblike CaSO4 so bele trdne snovi in so slabo topne v vodi. Kalcijev sulfat povzroča trajno trdoto vode.
Anorganska spojina CaSO4 se pojavlja v treh stopnjah hidratacije:
- brezvodno stanje (ime minerala: »anhidrit«) s formulo CaSO4.
- dihidrat (ime minerala: »sadra«) s formulo CaSO4(H2O)2.
- hemihidrat s formulo CaSO4(H22O)0.5. Posamezne hemihidrate lahko razlikujemo kot alfa-hemihidrat in beta-hemihidrat.
Reakcije hidratacije in dehidratacije
Pri dovajanju toplote se sadra pretvori v delno dehidriran mineral – tako imenovani kalcijev sulfat hemihidrat, žgano sadro ali mavec. Žgana sadra ima formulo CaSO4·(nH2O), kjer je 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Za odstranitev vode, vezane v njeni strukturi, so potrebne temperature med 100°C in 150°C (212°F – 302°F). Natančna temperatura in čas segrevanja sta odvisna od vlažnosti okolice. Pri industrijskem žganju se uporabljajo temperature vse do 170°C (338°F). Vendar se pri teh temperaturah začne tvoriti γ-anhidrit. Toplotna energija, ki se v tej fazi dovaja sadri (hidratacijska toplota), se pretežno porablja za izločanje vode (v obliki vodne pare), namesto za zviševanje temperature minerala, ki narašča počasi, dokler se voda ne odstrani, nato pa narašča hitreje. Enačba za delno dehidratacijo je naslednja:
Endotermna narava te reakcije je pomembna za delovanje mavčnih plošč, saj stanovanjskim in drugim objektom zagotavlja požarno odpornost. Ob požaru konstrukcija za mavčno ploščo ostane razmeroma hladna, saj se iz sadre izloča voda, kar preprečuje in zavira poškodbe nosilne konstrukcije (zaradi gorenja lesenih elementov ali izgube trdnosti jekla pri visokih temperaturah) ter posledično porušitev konstrukcije. Pri višjih temperaturah kalcijev sulfat sprošča kisik in s tem deluje kot oksidant. Ta lastnost materiala se uporablja v aluminotermiji. V nasprotju z večino mineralov, ki ob ponovni hidrataciji preprosto tvorijo tekoče ali poltekoče paste oziroma ostanejo praškasti, ima žgana sadra nenavadno lastnost. Ko jo zmešamo z vodo pri temperaturi okolice, se kemijsko pretvori nazaj v prednostno dihidratno obliko, medtem ko fizikalno »veže« v togo in razmeroma trdno kristalno mrežo sadre, kot prikazuje spodnja enačba:
Ta eksotermna reakcija omogoča tako preprosto vlivanje sadre v različne oblike, vključno s ploščami za suhomontažne stene, paličicami krede za šolske table in kalupi (npr. za imobilizacijo zlomljenih kosti ali za kovinske ulitke). V mešanici s polimeri se uporablja kot cement za popravilo kosti.
Pri segrevanju na 180°C nastane skoraj brezvodna oblika, tako imenovani γ-anhidrit (CaSO4·nH2O, kjer je n = 0 do 0,05). γ-anhidrit le počasi reagira z vodo in se vrača v dihidratno stanje, zato se pogosto uporablja kot komercialno sušilno sredstvo. Pri segrevanju nad 250°C nastane povsem brezvodna oblika β-anhidrita. β-anhidrit ne reagira z vodo niti v geoloških časovnih obdobjih, razen če je zelo fino zmlet.
Omet
Omet je gradbeni material, ki se uporablja kot zaščitni in/ali dekorativni premaz za stene in strope ter za oblikovanje, izdelavo profiliranih okraskov in vlivanje dekorativnih gradbenih elementov.
Štukatura je delo iz ometa, ki se uporablja za izdelavo reliefnih okraskov.
Najpogostejše vrste ometa vsebujejo sadro, apno ali cement kot glavno sestavino. Omet se proizvaja kot suh prah (mavčni prah). Ko prah zmešamo z vodo, nastane gosta, vendar obdelovalna pasta. Eksotermna reakcija z vodo med procesom kristalizacije sprošča toploto, nato pa hidratirani omet otrdi.
Mavec
Mavec oziroma pariški mavec se proizvaja s toplotno obdelavo (pribl. 300°F / 150°C) sadre:
CaSO4·2H2O + toplota → CaSO4·0.5H2O + 1.5H2O (sproščena kot para).
Sadra lahko ponovno nastane z mešanjem suhega prahu z vodo. Za sprožitev vezanja nemodificiranega mavca se suh prah zmeša z vodo. Po pribl. 10 minutah se začne reakcija vezanja, ki se konča po pribl. 45 minutah. Vendar se popolno vezanje sadre doseže po pribl. 72 urah. Če mavec ali sadro segrejemo nad 266°F / 130°C, nastane hemihidrat. Tudi hemihidratni prah se lahko pretvori v sadro, ko ga dispergiramo v vodi.