Kết tinh thạch cao được tăng tốc bằng siêu âm

Trộn và phân tán bằng siêu âm đẩy nhanh quá trình kết tinh và phản ứng đông kết của thạch cao (CaSO₄･2H₂O).
Ứng dụng siêu âm công suất vào huyền phù thạch cao đẩy nhanh quá trình kết tinh, qua đó rút ngắn thời gian đông kết.
Bên cạnh việc đông kết nhanh hơn, các tấm tường được sản xuất còn có khối lượng riêng thấp hơn.
Phân tán các vật liệu nano gia cường (ví dụ: CNTs, sợi nano hoặc silica) vào thạch cao bằng siêu âm mang lại độ bền cơ học cao và độ rỗng thấp.

Siêu âm giúp cải thiện quá trình sản xuất thạch cao

Để khởi đầu phản ứng đông kết giữa canxi sunfat hemihydrat và nước, canxi sunfat hemihydrat phải được phân tán đều vào nước để tạo thành huyền phù đồng nhất. Phân tán bằng siêu âm bảo đảm các hạt được thấm ướt hoàn toàn để hemihydrat được hydrat hóa hoàn toàn. Trộn huyền phù thạch cao bằng siêu âm rút ngắn thời gian đông kết nhờ quá trình kết tinh được tăng tốc.
Các thành phần bổ sung như chất tăng tốc đông kết và vật liệu nano gia cường cũng có thể được trộn rất đều vào huyền phù thạch cao.

Nguyên lý hoạt động của quá trình phân tán bằng siêu âm

Khi năng lượng siêu âm công suất cao được truyền vào chất lỏng hoặc huyền phù, hiện tượng xâm thực do siêu âm xảy ra. Hiện tượng xâm thực siêu âm tạo ra các điều kiện cực đoan cục bộ, bao gồm lực cắt lớn, các tia chất lỏng, dòng chảy rối vi mô, nhiệt độ cao, tốc độ gia nhiệt và làm nguội nhanh cũng như áp suất cao. Các lực cắt do xâm thực này thắng lực liên kết giữa các phân tử, khiến chúng được phá kết tụ và phân tán thành các hạt riêng lẻ. Hơn nữa, các hạt được tăng tốc bởi các tia chất lỏng do xâm thực, khiến chúng va chạm với nhau và nhờ đó bị phá nhỏ xuống kích thước nano hoặc thậm chí kích thước hạt sơ cấp. Hiện tượng này được gọi là nghiền ướt bằng siêu âm.
Siêu âm công suất tạo ra các vị trí tạo mầm trong dung dịch, nhờ đó đẩy nhanh quá trình kết tinh.
Nhấp vào đây để tìm hiểu thêm về kết tinh bằng siêu âm – quá trình kết tinh có sự hỗ trợ của siêu âm!

Hệ thống siêu âm công suất cao để phân tán thể tích lớn

Thiết bị phân tán siêu âm công nghiệp

Phân tán phụ gia bằng siêu âm

Trong nhiều quá trình hóa học, xử lý siêu âm được sử dụng để trộn các phụ gia như chất làm chậm đông kết (ví dụ: protein, axit hữu cơ), chất điều chỉnh độ nhớt (ví dụ: chất siêu dẻo), chất chống cháy, axit boric, hóa chất chống thấm nước (ví dụ: polysiloxan, nhũ tương sáp), sợi thủy tinh, chất tăng khả năng chịu lửa (ví dụ: vermiculit, đất sét và/hoặc silica khói), các hợp chất polyme (ví dụ: PVA, PVOH) và các phụ gia thông thường khác vào công thức phối liệu nhằm cải thiện công thức của vữa trát, vật liệu xử lý mối nối dạng đông kết và xi măng thạch cao, đồng thời rút ngắn thời gian đông kết.
Nhấp vào đây để tìm hiểu thêm về việc trộn và phối trộn phụ gia bằng siêu âm!

Hệ thống siêu âm công nghiệp

Hielscher Ultrasonics là nhà cung cấp hàng đầu của bạn về các hệ thống siêu âm công suất cao cho ứng dụng trên bàn thí nghiệm và trong công nghiệp. Hielscher cung cấp các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp mạnh mẽ và bền bỉ. Thiết bị UIP16000 (16kW) của chúng tôi là thiết bị xử lý siêu âm mạnh nhất trên toàn thế giới. Hệ thống siêu âm 16kW này dễ dàng xử lý thể tích lớn ngay cả với huyền phù có độ nhớt cao (lên đến 10.000cp). Biên độ cao lên đến 200µm (và cao hơn theo yêu cầu) bảo đảm vật liệu được xử lý đúng cách để đạt được mức độ phân tán, phá kết tụ và nghiền mong muốn. Quá trình xử lý siêu âm cường độ cao này tạo ra huyền phù chứa các hạt nano để đạt tốc độ đông kết nhanh và tạo ra các sản phẩm thạch cao vượt trội.
Độ bền bỉ của thiết bị siêu âm Hielscher cho phép vận hành 24/7 ở chế độ tải nặng và trong môi trường khắc nghiệt.
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:

Thể tích mẻ	Lưu lượng	Thiết bị được khuyến nghị
10 đến 2000mL	20 đến 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 đến 20L	0,2 đến 4L/min	UIP2000hdT
10 đến 100L	2 đến 10L/min	UIP4000
n.a.	10 đến 100L/min	UIP16000
n.a.	lớn hơn	cụm thiết bị UIP16000

Kinh nghiệm lâu năm trong lĩnh vực xử lý bằng siêu âm giúp chúng tôi tư vấn cho khách hàng từ các nghiên cứu khả thi ban đầu đến việc triển khai quy trình ở quy mô công nghiệp.

Hãy sử dụng phòng thí nghiệm quy trình siêu âm và trung tâm kỹ thuật của chúng tôi để phát triển và tối ưu hóa quy trình của bạn!

Tài liệu/Tài liệu tham khảo

Peters, S.; Stöckigt, M.; Rössler, Ch. (2009): Ảnh hưởng của siêu âm công suất đến tính lưu động và sự đông kết của hồ xi măng Portland; tại: Hội nghị quốc tế lần thứ 17 về vật liệu xây dựng, 23rd – 26th September 2009, Weimar.
Rössler, Ch. (2009): Ảnh hưởng của siêu âm công suất đến đặc tính chảy và đông kết của huyền phù xi măng; trong: Kỷ yếu Hội nghị quốc tế lần thứ 17 về vật liệu xây dựng ibausil, biên tập bởi Finger-Institut für Baustoffkunde, Bauhaus-Universität Weimar, tr. 1 – 0259 – 1 – 0264.
Zhongbiao, Man; Chen, Yuehui; Yang, Miao (2012): Chế tạo và tính chất của vật liệu composite sợi tinh thể canxi sulfat/cao su thiên nhiên. Advanced Materials Research tập 549, 2012. 597-600.

Chủ đề liên quan

Những điều cần biết

Sản xuất tấm thạch cao

Trong quá trình sản xuất tấm thạch cao, huyền phù thạch cao nung trong nước – còn gọi là canxi sulfat hemihydrat – được trải giữa lớp giấy trên và lớp giấy dưới. Sản phẩm được tạo thành phải được di chuyển liên tục trên băng tải cho đến khi huyền phù đông kết. Sau đó, tấm được sấy cho đến khi lượng nước dư trong tấm thạch cao bay hơi hết. Trong sản xuất tấm thạch cao làm tường, người ta thường bổ sung nhiều chất khác nhau vào huyền phù để cải thiện quy trình sản xuất hoặc bản thân tấm. Ví dụ, người ta thường giảm khối lượng của huyền phù bằng cách bổ sung chất tạo bọt để đưa vào một lượng khí nhất định, qua đó làm giảm khối lượng riêng của tấm thạch cao thành phẩm.

Canxi sulfat

Canxi sulfat (hay canxi sunfat) là một hợp chất vô cơ có công thức CaSO₄ và các dạng hydrat liên quan. Ở dạng khan γ-anhydrit, chất này được dùng làm chất hút ẩm đa dụng. Một dạng hydrat cụ thể của CaSO₄ được gọi là thạch cao Paris. Một dạng hydrat quan trọng khác là thạch cao, tồn tại trong tự nhiên dưới dạng khoáng vật. Đặc biệt, thạch cao được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp, ví dụ như làm vật liệu xây dựng, chất độn, dùng trong polyme, v.v. Tất cả các dạng CaSO₄ đều là chất rắn màu trắng và rất ít tan trong nước. Canxi sulfat gây ra độ cứng vĩnh cửu của nước.
Hợp chất vô cơ CaSO₄ tồn tại ở ba mức độ hydrat hóa:

trạng thái khan (tên khoáng vật: “anhydrit”) có công thức CaSO₄.
dihydrat (tên khoáng vật: “thạch cao”) có công thức CaSO₄(H₂O)₂.
hemihydrat có công thức CaSO₄(H2₂O)0.5. Có thể phân biệt các dạng hemihydrat cụ thể thành alpha-hemihydrat và beta-hemihydrat.

Phản ứng hydrat hóa và khử nước
Khi được gia nhiệt, thạch cao chuyển thành một khoáng vật đã khử nước một phần – còn gọi là canxi sulfat hemihydrat, thạch cao nung hoặc thạch cao Paris. Thạch cao nung có công thức CaSO₄·(nH₂O), trong đó 0,5 ≤ n ≤ 0,8. Cần có nhiệt độ từ 100°C đến 150°C (212°F – 302°F) để loại bỏ nước liên kết trong cấu trúc của chất này. Nhiệt độ và thời gian gia nhiệt chính xác phụ thuộc vào độ ẩm môi trường. Nhiệt độ lên tới 170°C (338°F) được áp dụng trong quá trình nung công nghiệp. Tuy nhiên, ở các nhiệt độ này, γ-anhydrit bắt đầu hình thành. Nhiệt năng cung cấp cho thạch cao tại thời điểm này (nhiệt hydrat hóa) có xu hướng được dùng để đẩy nước ra ngoài (dưới dạng hơi nước) thay vì làm tăng nhiệt độ của khoáng vật; nhiệt độ này tăng chậm cho đến khi hết nước, sau đó tăng nhanh hơn. Phương trình khử nước một phần như sau:

Tính thu nhiệt của phản ứng này có liên quan đến hiệu năng của tấm thạch cao, mang lại khả năng chống cháy cho nhà ở và các công trình khác. Khi xảy ra hỏa hoạn, kết cấu phía sau tấm thạch cao sẽ vẫn tương đối mát khi thạch cao mất nước, nhờ đó ngăn ngừa và làm chậm hư hại đối với hệ khung (do các cấu kiện gỗ cháy hoặc thép mất độ bền ở nhiệt độ cao) và sự sụp đổ kết cấu do đó gây ra. Ở nhiệt độ cao hơn, canxi sulfat giải phóng oxy và do đó đóng vai trò là chất oxy hóa. Đặc tính vật liệu này được ứng dụng trong phương pháp nhiệt nhôm. Khác với hầu hết các khoáng vật chỉ tạo thành dạng hồ lỏng hoặc bán lỏng, hoặc vẫn ở dạng bột khi được tái hydrat hóa, thạch cao nung có một đặc tính khác thường. Khi được trộn với nước ở nhiệt độ môi trường, về mặt hóa học, nó chuyển trở lại dạng dihydrat ưu tiên, đồng thời về mặt vật lý, nó đang “đông kết” thành một mạng tinh thể thạch cao cứng và tương đối bền như được thể hiện trong phương trình dưới đây:

Phản ứng tỏa nhiệt này giúp việc đúc thạch cao thành nhiều hình dạng khác nhau trở nên rất dễ dàng, bao gồm các tấm dùng làm vách thạch cao, viên phấn viết bảng và khuôn (ví dụ để cố định xương gãy hoặc để đúc kim loại). Khi được trộn với polyme, nó đã được sử dụng làm xi măng sửa chữa xương.
Khi được gia nhiệt đến 180°C, một dạng gần như không chứa nước, gọi là γ-anhydrit (CaSO₄·nH₂O trong đó n = 0 đến 0,05), được hình thành. γ-Anhydrit chỉ phản ứng chậm với nước để trở lại trạng thái dihydrat, do đó được sử dụng rộng rãi làm chất hút ẩm thương mại. Khi được gia nhiệt trên 250°C, dạng β-anhydrit hoàn toàn khan xuất hiện. β-anhydrit không phản ứng với nước, ngay cả trong khoảng thời gian địa chất, trừ khi được nghiền rất mịn.

Vữa trát

Vữa trát là vật liệu xây dựng được sử dụng làm lớp phủ bảo vệ và/hoặc trang trí cho tường, trần nhà, cũng như để tạo hình và đúc các chi tiết trang trí công trình.
Vữa stucco là loại vữa trát được sử dụng để tạo các chi tiết trang trí phù điêu.
Các loại vữa trát phổ biến nhất được phối chế với thành phần chính là thạch cao, vôi hoặc xi măng. Vữa trát được sản xuất dưới dạng bột khô (bột thạch cao). Khi bột được trộn với nước, một hỗn hợp dạng hồ đặc nhưng vẫn có thể thi công được hình thành. Phản ứng tỏa nhiệt với nước giải phóng nhiệt thông qua quá trình kết tinh, sau đó vữa trát đã hydrat hóa đông cứng.

Vữa thạch cao

Vữa thạch cao, hay thạch cao Paris, được sản xuất bằng cách xử lý nhiệt thạch cao (khoảng 300°F / 150°C):
CaSO₄·2H₂O + nhiệt → CaSO₄·0.5H₂O + 1.5H₂O (thoát ra dưới dạng hơi nước).
Thạch cao có thể được tái tạo bằng cách trộn bột khô với nước. Để khởi đầu quá trình đông kết của vữa thạch cao chưa biến tính, bột khô được trộn với nước. Sau khoảng 10 phút, phản ứng đông kết bắt đầu và hoàn tất sau khoảng 45 phút. Tuy nhiên, thạch cao chỉ đông kết hoàn toàn sau khoảng 72 giờ. Nếu vữa trát hoặc thạch cao được gia nhiệt trên 266°F / 130°C, hemihydrat được hình thành. Bột hemihydrat cũng có thể chuyển thành thạch cao khi được phân tán trong nước.