Ултразвучно убрзана кристализација гипса
- Ултразвучно мешање и дисперговање убрзавају кристализацију и реакцију везивања гипса (CaSO4･2H2O).
- Примена ултразвука велике снаге на гипсану суспензију убрзава кристализацију и тиме скраћује време везивања.
- Осим бржег везивања, произведене зидне плоче имају и мању густину.
- Ултразвучно дисперговање ојачавајућих наноматеријала (нпр. CNTs, нановлакана или силицијум-диоксида) у гипсу даје високу механичку чврстоћу и малу порозност.
Ултразвук за унапређену производњу гипса
Да би се покренула реакција везивања калцијум-сулфат хемихидрата и воде, калцијум-сулфат хемихидрат мора се равномерно дисперговати у води како би се припремила хомогена суспензија. Ултразвучно дисперговање обезбеђује потпуно квашење честица, чиме се постиже потпуна хидратација хемихидрата. Ултразвучно мешање гипсане суспензије убрзава везивање услед убрзане кристализације.
Додатни састојци, као што су убрзивачи и ојачавајући наноматеријали, такође се могу веома равномерно умешати у гипсану суспензију.
Принцип рада ултразвучног дисперговања
Када се ултразвук велике снаге уведе у течност или суспензију, настаје ултразвучно генерисана кавитација. Ултразвучна кавитација ствара локално екстремне услове који обухватају велике силе смицања, млазеве течности, микротурбуленције, високе температуре, велике брзине загревања и хлађења, као и високе притиске. Ове кавитационе силе смицања савладавају силе везивања између молекула, тако да се они деагломеришу и диспергују као појединачне честице. Поред тога, кавитациони млазеви течности убрзавају честице, па се оне међусобно сударају и тиме уситњавају до нановеличине или чак до величине примарних честица. Ова појава је позната као ултразвучно мокро млевење.
Ултразвук велике снаге ствара места нуклеације у раствору, чиме се постиже убрзана кристализација.
Кликните овде да сазнате више о сонокристализацији – кристализацији потпомогнутој ултразвуком!
Индустријски ултразвучни диспергатор
Ултразвучно дисперговање адитива
У многим хемијским процесима, соникација се користи за умешавање адитива као што су успоривачи везивања (нпр. протеини, органске киселине), модификатори вискозности (нпр. суперпластификатори), средства против прегоревања, борна киселина, хемикалије за повећање водоотпорности (нпр. полисилоксани, емулзије воска), стаклена влакна, средства за повећање отпорности на пожар (нпр. вермикулит, глине и/или пирогени силицијум-диоксид), полимерна једињења (нпр. PVA, PVOH) и други уобичајени адитиви у формулацију, како би се побољшала формулација малтера, маса за испуну спојева које очвршћавају везивањем и гипсаних цемената и скратило њено време везивања.
Кликните овде да сазнате више о ултразвучном мешању и умешавању адитива!
Индустријски ултразвучни системи
Hielscher Ultrasonics је ваш водећи добављач ултразвучних система велике снаге за стоне и индустријске примене. Hielscher нуди снажне и робусне индустријске ултразвучне процесоре. Наш UIP16000 (16kW) је најснажнији ултразвучни процесор на свету. Овај ултразвучни систем снаге 16kW лако обрађује велике запремине чак и веома вискозних суспензија (до 10.000cp). Високе амплитуде до 200µm (а на захтев и више) обезбеђују одговарајућу обраду материјала како би се постигао жељени степен дисперговања, деагломерације и млевења. Ова интензивна соникација производи суспензије са наночестицама за брзо везивање и гипсане производе врхунског квалитета.
Робусност ултразвучне опреме компаније Hielscher омогућава рад 24/7 под великим оптерећењем и у захтевним условима.
Табела у наставку даје увид у приближни капацитет обраде наших ултразвучних уређаја:
| Запремина шарже | Запремински проток | Препоручени уређаји |
|---|---|---|
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | већи | група уређаја UIP16000 |
Наше дугогодишње искуство у ултразвучној обради помаже нам да саветујемо наше купце од првих студија изводљивости до примене процеса у индустријским размерама.
Литература/референце
- Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): Утицај ултразвука велике снаге на течљивост и везивање паста портланд-цемента; на: 17. међународној конференцији о грађевинским материјалима 23rd – 26th September 2009, Вајмар.
- Rössler, Ch. (2009): Утицај ултразвука велике снаге на понашање цементних суспензија при течењу и везивању; у: Зборнику радова 17. међународне конференције о грађевинским материјалима ibausil, ур. Finger-Institut für Baustoffkunde, Bauhaus-Universität Weimar, стр. 1 – 0259 – 1 – 0264.
- Zhongbiao, Man; Chen, Yuehui; Yang, Miao (2012): Припрема и својства композита од игличастих кристала калцијум-сулфата и природног каучука. Advanced Materials Research, том 549, 2012. 597–600.
Чињенице које вреди знати
Производња гипсаних плоча
Током производње гипсаних плоча, водена суспензија калцинисаног гипса – такозваног калцијум-сулфат хемихидрата – распростире се између горњег и доњег папирног листа. Тако настали производ мора непрекидно да се креће на транспортној траци док суспензија не веже. Плоча се затим суши док вишак воде у гипсаној плочи не испари. У производњи гипсаних зидних плоча позната је пракса додавања различитих супстанци у суспензију ради побољшања производног процеса или саме плоче. На пример, уобичајено је да се маса суспензије смањи додавањем средстава за пењење како би се постигао одређени степен аерације, чиме се смањује густина готове зидне плоче.
Калцијум-сулфат
Калцијум-сулфат (или калцијум-сулфат) је неорганско једињење са формулом CaSO4 и сродним хидратима. У безводном облику γ-анхидрита користи се као средство за сушење опште намене. Један одређени хидрат CaSO4 познат је као париски гипс. Други важан хидрат је гипс, који се у природи јавља као минерал. Посебно се гипс широко користи у индустријским применама, нпр. као грађевински материјал, пунило, у полимерима итд. Сви облици CaSO4 јављају се као беле чврсте материје и слабо су растворљиви у води. Калцијум-сулфат узрокује трајну тврдоћу воде.
Неорганско једињење CaSO4 јавља се у три степена хидратације:
- безводно стање (назив минерала: „анхидрит“) са формулом CaSO4.
- дихидрат (назив минерала: „гипс“) са формулом CaSO4(H2O)2.
- хемихидрат са формулом CaSO4(H22O)0.5. Појединачни хемихидрати могу се разликовати као алфа-хемихидрат и бета-хемихидрат.
Реакције хидратације и дехидратације
При загревању, гипс се претвара у делимично дехидратисан минерал – такозвани калцијум-сулфат хемихидрат, калцинисани гипс или париски гипс. Калцинисани гипс има формулу CaSO4·(nH2O), где је 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Температуре између 100°C и 150°C (212°F – 302°F) неопходне су за уклањање воде везане у његовој структури. Тачна температура и време загревања зависе од влажности околине. За индустријску калцинацију примењују се температуре чак до 170°C (338°F). Међутим, на овим температурама почиње стварање γ-анхидрита. Топлотна енергија која се у том тренутку доводи гипсу (топлота хидратације) углавном се троши на уклањање воде (у облику водене паре), уместо на повећање температуре минерала, која расте споро док се вода не уклони, а затим расте брже. Једначина делимичне дехидратације је следећа:
Ендотермно својство ове реакције значајно је за својства гипс-картонских плоча, јер стамбеним и другим објектима обезбеђује отпорност на пожар. У пожару ће конструкција иза гипс-картонске плоче остати релативно хладна док гипс губи воду, чиме се спречава и успорава оштећење носеће конструкције (услед сагоревања дрвених елемената или губитка чврстоће челика на високим температурама) и последично урушавање конструкције. На вишим температурама калцијум-сулфат ослобађа кисеоник и тиме делује као оксидационо средство. Ово својство материјала користи се у алуминотермији. За разлику од већине минерала, који при поновној хидратацији једноставно образују течне или полутечне пасте или остају прашкасти, калцинисани гипс има необично својство. Када се помеша са водом на температури околине, хемијски се враћа у преферирани дихидратни облик, док се физички „везује“ у круту и релативно чврсту кристалну решетку гипса, као што је приказано у једначини испод:
Ова егзотермна реакција омогућава веома лако ливење гипса у различите облике, укључујући плоче за суву градњу, штапиће креде за школске табле и калупе (нпр. за имобилизацију сломљених костију или за металне одливке). Помешан са полимерима, коришћен је као цемент за репарацију костију.
При загревању на 180°C образује се готово безводни облик, такозвани γ-анхидрит (CaSO4·nH2O где је n = 0 до 0,05). γ-анхидрит само споро реагује са водом и враћа се у дихидратни облик, па се зато широко користи као комерцијално средство за сушење. При загревању изнад 250°C настаје потпуно безводни облик β-анхидрита. β-анхидрит не реагује са водом, чак ни током геолошких временских периода, осим ако није веома фино самлевен.
Малтер
Малтер је грађевински материјал који се користи као заштитни и/или декоративни премаз за зидове и плафоне, као и за обликовање и ливење декоративних грађевинских елемената.
Штукатура је декоративна обрада малтером која се користи за израду рељефних украса.
Најчешће врсте малтера формулишу се са гипсом, кречом или цементом као главним састојком. Малтер се производи као сув прах (гипсани прах). Када се прах помеша са водом, образује се густа паста која се може обрађивати. Егзотермна реакција са водом ослобађа топлоту кроз процес кристализације, након чега хидратисани малтер очвршћава.
Гипсани малтер
Гипсани малтер, односно моделарски гипс, производи се термичком обрадом (приближно 300°F / 150°C) гипса:
CaSO4·2H2O + топлота → CaSO4·0.5H2O + 1.5H2O (ослобађа се као пара).
Гипс се може поново образовати мешањем сувог праха са водом. Да би се покренуло везивање немодификованог гипсаног малтера, сув прах се меша са водом. Након приближно 10 минута почиње реакција везивања, која се завршава након приближно 45 минута. Међутим, потпуно везивање гипса постиже се након приближно 72 сата. Ако се малтер или гипс загрева изнад 266°F / 130°C, образује се хемихидрат. Прах хемихидрата такође се може претворити у гипс када се диспергује у води.