Кристалізація гіпсу, прискорена ультразвуком
- Ультразвукове змішування та диспергування прискорюють кристалізацію та реакцію схоплювання гіпсу (CaSO4･2H2O).
- Застосування потужного ультразвуку до гіпсової суспензії прискорює кристалізацію, скорочуючи тим самим час схоплювання.
- Окрім швидшого схоплювання, виготовлені стінові плити мають знижену густину.
- Ультразвукове диспергування армувальних наноматеріалів (наприклад, вуглецевих нанотрубок (CNTs), нановолокон або діоксиду кремнію) у гіпсі забезпечує високу механічну міцність і низьку пористість.
Ультразвук для вдосконалення виробництва гіпсу
Щоб ініціювати реакцію схоплювання напівгідрату сульфату кальцію з водою, напівгідрат сульфату кальцію необхідно рівномірно диспергувати у воді для отримання однорідної суспензії. Ультразвукове диспергування забезпечує повне змочування частинок, завдяки чому досягається повна гідратація напівгідрату. Ультразвукове змішування гіпсової суспензії прискорює схоплювання завдяки прискореній кристалізації.
Додаткові компоненти, такі як прискорювачі та армувальні наноматеріали, також можна дуже рівномірно вводити в гіпсову суспензію.
Принцип дії ультразвукового диспергування
Коли потужний ультразвук вводиться в рідину або суспензію, виникає спричинена ультразвуком кавітація. Ультразвукова кавітація створює локальні екстремальні умови, зокрема високі зсувні сили, струмені рідини, мікротурбулентність, високі температури, швидкості нагрівання й охолодження «feat», а також високі тиски. Ці кавітаційні зсувні сили долають сили зв’язку між молекулами, завдяки чому вони деагломеруються та диспергуються як окремі частинки. Крім того, кавітаційні струмені рідини прискорюють частинки, унаслідок чого вони зіштовхуються між собою та подрібнюються до нанорозмірів або навіть до розміру первинних частинок. Це явище відоме як ультразвукове мокре подрібнення.
Потужний ультразвук створює в розчині центри зародкоутворення, завдяки чому досягається прискорена кристалізація.
Натисніть тут, щоб дізнатися більше про сонокристалізацію – кристалізацію за допомогою ультразвуку!
Промисловий ультразвуковий диспергатор
Ультразвукове диспергування добавок
У багатьох хімічних процесах ультразвукову обробку використовують для введення до складу суміші таких добавок, як сповільнювачі схоплювання (наприклад, білки, органічні кислоти), модифікатори в’язкості (наприклад, суперпластифікатори), засоби проти підгоряння, борна кислота, водовідштовхувальні хімічні речовини (наприклад, полісилоксани, воскові емульсії), скляні волокна, добавки для підвищення вогнестійкості (наприклад, вермикуліт, глини та/або пірогенний діоксид кремнію), полімерні сполуки (наприклад, PVA, PVOH) та інші традиційні добавки, щоб поліпшити склад штукатурки, шовних сумішей, що тверднуть унаслідок схоплювання, і гіпсових цементів та скоротити час схоплювання суміші.
Натисніть тут, щоб дізнатися більше про ультразвукове змішування та введення добавок!
Промислові ультразвукові системи
Hielscher Ultrasonics – ваш провідний постачальник потужних ультразвукових систем для настільного та промислового застосування. Hielscher пропонує потужні та надійні промислові ультразвукові процесори. Наш UIP16000 (16kW) – найпотужніший ультразвуковий процесор у світі. Ця ультразвукова система потужністю 16kW легко обробляє великі об’єми навіть високов’язких суспензій (до 10 000cp). Високі амплітуди до 200µm (і вищі на замовлення) забезпечують належну обробку матеріалу для досягнення бажаного ступеня диспергування, деагломерації та подрібнення. Така інтенсивна ультразвукова обробка дає змогу отримувати суспензії з нанорозмірними частинками для швидкого схоплювання та виготовлення гіпсових виробів найвищої якості.
Надійність ультразвукового обладнання Hielscher забезпечує роботу в режимі 24/7 за високих навантажень і в складних умовах.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність наших ультразвукових пристроїв:
| Об’єм партії | Об’ємна витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| від 10 до 2000mL | від 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| від 0,1 до 20L | від 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| від 10 до 100L | від 2 до 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | від 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | більша | кластер пристроїв UIP16000 |
Наш багаторічний досвід ультразвукової обробки допомагає нам консультувати клієнтів від перших техніко-економічних досліджень до впровадження процесу в промисловому масштабі.
Література / Посилання
- Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): Вплив потужного ультразвуку на текучість і тужавлення портландцементних паст; на: 17-й Міжнародній конференції з будівельних матеріалів, 23rd – 26th September 2009, Веймар.
- Rössler, Ch. (2009): Вплив потужного ультразвуку на текучість і тужавлення цементних суспензій; у: Збірник матеріалів 17-ї Міжнародної конференції з будівельних матеріалів ibausil, за ред. Інституту будівельного матеріалознавства імені Фінгера, Університет Баугауз у Веймарі, с. 1 – 0259 – 1 – 0264.
- Zhongbiao, Man; Chen, Yuehui; Yang, Miao (2012): Отримання та властивості композитів на основі ниткоподібних кристалів сульфату кальцію та натурального каучуку. Advanced Materials Research, т. 549, 2012. 597–600.
Факти, які варто знати
Виробництво гіпсокартону
Під час виробництва гіпсокартону водну суспензію випаленого гіпсу – так званого напівгідрату сульфату кальцію – розподіляють між верхнім і нижнім аркушами паперу. Утворений таким чином виріб необхідно безперервно переміщувати конвеєрною стрічкою, доки суспензія не затужавіє. Потім лист сушать, доки надлишкова вода в гіпсокартоні не випарується. Під час виробництва стінового гіпсокартону до суспензії, як відомо, додають різні речовини для вдосконалення виробничого процесу або самої плити. Наприклад, зазвичай зменшують масу суспензії, вводячи піноутворювачі для забезпечення певного ступеня аерації, що знижує густину готової стінової плити.
Сульфат кальцію
Сульфат кальцію (або кальцій сульфат) – це неорганічна сполука з формулою CaSO4 та спорідненими гідратами. У безводній формі γ-ангідриту його використовують як універсальний осушувач. Один із гідратів CaSO4 відомий як будівельний гіпс. Іншим важливим гідратом є гіпс, який трапляється в природі як мінерал. Саме гіпс широко застосовують у промисловості, наприклад як будівельний матеріал, наповнювач, у полімерах тощо. Усі форми CaSO4 мають вигляд білих твердих речовин і є малорозчинними у воді. Сульфат кальцію спричиняє постійну жорсткість води.
Неорганічна сполука CaSO4 існує з трьома ступенями гідратації:
- безводний стан (назва мінералу: «ангідрит») із формулою CaSO4.
- дигідрат (назва мінералу: «гіпс») із формулою CaSO4(H2O)2.
- напівгідрат із формулою CaSO4(H22O)0.5. Серед окремих напівгідратів можна розрізняти альфа-напівгідрат і бета-напівгідрат.
Реакції гідратації та дегідратації
Під дією тепла гіпс перетворюється на частково зневоднений мінерал – так званий напівгідрат сульфату кальцію, випалений гіпс, або будівельний гіпс. Випалений гіпс має формулу CaSO4·(nH2O), де 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Для видалення води, зв’язаної в його структурі, необхідні температури від 100°C до 150°C (212°F – 302°F). Точна температура й тривалість нагрівання залежать від вологості навколишнього середовища. Для промислового випалювання застосовують температури до 170°C (338°F). Однак за цих температур починається утворення γ-ангідриту. Теплова енергія, яку в цей час підводять до гіпсу (теплота гідратації), переважно витрачається на видалення води (у вигляді водяної пари), а не на підвищення температури мінералу, яка повільно зростає, доки вода не видалиться повністю, а потім підвищується швидше. Рівняння часткової дегідратації має такий вигляд:
Ендотермічний характер цієї реакції має значення для експлуатаційних властивостей гіпсокартону, забезпечуючи вогнестійкість житлових та інших споруд. Під час пожежі конструкція за листом гіпсокартону залишатиметься відносно прохолодною внаслідок втрати води гіпсом, що запобігає пошкодженню каркаса та сповільнює його пошкодження (через згоряння дерев’яних елементів або втрату міцності сталі за високих температур), а також подальше руйнування конструкції. За вищих температур сульфат кальцію виділяє кисень і завдяки цьому діє як окисник. Цю властивість матеріалу використовують в алюмінотермії. На відміну від більшості мінералів, які під час повторної гідратації просто утворюють рідкі чи напіврідкі пасти або залишаються порошкоподібними, випалений гіпс має незвичайну властивість. Під час змішування з водою за температури навколишнього середовища він хімічно повертається до переважної дигідратної форми, водночас фізично «тужавіючи» з утворенням жорсткої та відносно міцної кристалічної ґратки гіпсу, як показано в наведеному нижче рівнянні:
Ця екзотермічна реакція дає змогу легко відливати з гіпсу вироби різної форми, зокрема листи для гіпсокартонних конструкцій, крейдяні палички для шкільних дощок і форми (наприклад, для іммобілізації зламаних кісток або для металевого лиття). У суміші з полімерами його використовували як цемент для відновлення кісток.
Під час нагрівання до 180°C утворюється майже безводна форма, так званий γ-ангідрит (CaSO4·nH2O, де n = від 0 до 0,05). γ-Ангідрит лише повільно реагує з водою, повертаючись до дигідратного стану, тому його широко використовують як промисловий осушувач. Під час нагрівання вище 250°C утворюється повністю безводна форма β-ангідриту. β-Ангідрит не реагує з водою навіть у геологічних масштабах часу, якщо його не подрібнити дуже тонко.
Штукатурка
Штукатурка – це будівельний матеріал, який використовують як захисне та/або декоративне покриття для стін і стель, а також для формування, виготовлення ліпнини та відливання декоративних будівельних елементів.
Ліпнина – це вироби зі штукатурного матеріалу, які використовують для створення рельєфних оздоблень.
Найпоширеніші види штукатурки містять гіпс, вапно або цемент як основний компонент. Штукатурку виготовляють у вигляді сухого порошку (гіпсового порошку). Під час змішування порошку з водою утворюється густа, але придатна до обробки паста. Екзотермічна реакція з водою супроводжується виділенням тепла в процесі кристалізації, після чого гідратована штукатурка твердне.
Гіпсова штукатурка
Гіпсову штукатурку, або будівельний гіпс, отримують шляхом термічної обробки (прибл. 300°F / 150°C) гіпсу:
CaSO4·2H2O + тепло → CaSO4·0.5H2O + 1.5H2O (виділяється у вигляді пари).
Гіпс можна знову утворити, змішавши сухий порошок із водою. Щоб розпочалося тужавіння немодифікованої гіпсової штукатурки, сухий порошок змішують із водою. Приблизно через 10 хвилин починається реакція тужавіння, яка завершується приблизно через 45 хвилин. Однак повне тужавіння гіпсу досягається приблизно через 72 години. Якщо штукатурку або гіпс нагріти вище 266°F / 130°C, утворюється напівгідрат. Порошок напівгідрату також можна перетворити на гіпс шляхом диспергування у воді.