Ultraljudsaccelererad kristallisering av gips

Värt att veta

Tillverkning av gipsskivor

Vid tillverkning av gipsskivor sprids en vattenbaserad suspension av kalcinerad gips – så kallat kalciumsulfathemihydrat – ut mellan det övre och det undre pappersskiktet. Produkten som bildas måste förflyttas kontinuerligt på ett transportband tills suspensionen har bundit. Skivan torkas sedan tills överskottsvattnet i gipsskivan har avdunstat. Vid tillverkning av gipsväggskivor är det känt att tillsätta olika ämnen i suspensionen för att förbättra tillverkningsprocessen eller själva skivan. Det är till exempel vanligt att minska suspensionens vikt genom att tillsätta skumbildare som ger en viss luftinblandning, vilket sänker den färdiga väggskivans densitet.

Kalciumsulfat

Kalciumsulfat (på engelska calcium sulfate eller calcium sulphate) är en oorganisk förening med formeln CaSO₄ och tillhörande hydrater. I den vattenfria formen γ-anhydrit används det som ett allmänt användbart torkmedel. Ett visst hydrat av CaSO₄ kallas bränd gips. Ett annat viktigt hydrat är gips, som förekommer naturligt som mineral. Särskilt gips används i stor utsträckning inom industrin, t.ex. som byggmaterial, fyllmedel, i polymerer osv. Alla former av CaSO₄ förekommer som vita fasta ämnen och är svårlösliga i vatten. Kalciumsulfat orsakar permanent hårdhet i vatten.
Den oorganiska föreningen CaSO₄ förekommer i tre hydratiseringsgrader:

• vattenfritt tillstånd (mineralnamn: ”anhydrit”) med formeln CaSO₄.
• dihydrat (mineralnamn: ”gips”) med formeln CaSO₄(H₂O)₂.
• hemihydrat med formeln CaSO₄(H2₂O)0.5. Specifika hemihydrater kan särskiljas som alfahemihydrat och betahemihydrat.

Hydratiserings- och dehydratiseringsreaktioner
Vid tillförsel av värme omvandlas gips till ett delvis dehydratiserat mineral – så kallat kalciumsulfathemihydrat, kalcinerad gips eller bränd gips. Kalcinerad gips har formeln CaSO₄·(nH₂O), där 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Temperaturer mellan 100°C och 150°C (212°F – 302°F) krävs för att avlägsna vattnet som är bundet i dess struktur. Den exakta uppvärmningstemperaturen och uppvärmningstiden beror på den omgivande luftfuktigheten. Temperaturer så höga som 170°C (338°F) används vid industriell kalcinering. Vid dessa temperaturer börjar dock γ-anhydrit bildas. Den värmeenergi som tillförs gipsen i detta skede (hydratiseringsvärmet) tenderar att gå åt till att driva ut vatten (som vattenånga) snarare än att höja mineralets temperatur, som stiger långsamt tills vattnet är borta och därefter ökar snabbare. Ekvationen för den partiella dehydratiseringen är följande:

Denna reaktions endoterma egenskap är relevant för gipsskivors funktion och ger brandskydd åt bostadshus och andra byggnader. Vid en brand förblir konstruktionen bakom en gipsskiva relativt sval när vatten avgår från gipset, vilket förebygger och fördröjer skador på stommen (genom förbränning av trädelar eller förlust av stålets hållfasthet vid höga temperaturer) och därav följande konstruktionskollaps. Vid högre temperaturer avger kalciumsulfat syre och fungerar därmed som oxidationsmedel. Denna materialegenskap används inom aluminotermi. Till skillnad från de flesta mineraler, som vid återhydratisering helt enkelt bildar flytande eller halvflytande pastor eller förblir pulverformiga, har bränd gips en ovanlig egenskap. När den blandas med vatten vid omgivningstemperatur återgår den kemiskt till den föredragna dihydratformen, samtidigt som den fysiskt ”stelnar” till ett styvt och relativt starkt kristallgitter av gips, såsom visas i ekvationen nedan:

Denna exoterma reaktion gör det mycket enkelt att gjuta gips i olika former, inklusive skivor för gipsväggar, kritor för svarta tavlor och formar (t.ex. för att immobilisera brutna ben eller för metallgjutning). Blandad med polymerer har gips använts som cement för benreparation.
Vid upphettning till 180°C bildas en nästan vattenfri form, så kallad γ-anhydrit (CaSO₄·nH₂O där n = 0 till 0,05). γ-anhydrit reagerar endast långsamt med vatten för att återgå till dihydrattillståndet och används därför i stor utsträckning som kommersiellt torkmedel. Vid upphettning över 250°C bildas den helt vattenfria formen β-anhydrit. β-anhydrit reagerar inte med vatten, ens över geologiska tidsskalor, såvida den inte är mycket finmald.

Puts

Puts är ett byggmaterial som används som skyddande och/eller dekorativt beläggningsmaterial för väggar och tak samt för att forma och gjuta dekorativa byggnadselement.
Stuckatur är putsarbete som används för att framställa reliefdekorationer.
De vanligaste typerna av puts har antingen gips, kalk eller cement som huvudingrediens. Puts framställs som ett torrt pulver (gipspulver). När pulvret blandas med vatten bildas en styv men bearbetbar pasta. Den exoterma reaktionen med vatten avger värme genom en kristallisationsprocess, varefter den hydratiserade putsen hårdnar.

Gipsputs

Gipsputs, eller bränd gips, framställs genom värmebehandling (ca 300°F / 150°C) av gips:
CaSO₄·2H₂O + värme → CaSO₄·0.5H₂O + 1.5H₂O (avges som ånga).
Gips kan återbildas genom att det torra pulvret blandas med vatten. För att sätta igång stelningen av omodifierad gipsputs blandas det torra pulvret med vatten. Efter ca 10 minuter börjar stelningsreaktionen och den avslutas efter ca 45 minuter. Fullständig stelning av gips uppnås dock efter ca 72 timmar. Om puts eller gips upphettas över 266°F / 130°C bildas hemihydrat. Hemihydratpulver kan också omvandlas till gips när det dispergeras i vatten.