EEN STUKJE GESCHIEDENIS

GipskristalNatuurgips is ontstaan ongeveer tussen 225 en 280 miljoen jaar geleden door zoutafzettingen van de zee. Gips komt voor in verschillende hoedanigheden. De meest heldere variant van gips werd vroeger gebruikt om Mariabeelden mee te versieren en wordt daarom in religieuze kringen ook wel Mariaglas genoemd. Gips is een in principe een erg zacht mineraal; met een hardheid van 2 op de schaal van Mohs kan het gekrast worden door je vingernagel. Als je met een hamer op een gipskristal slaat, is de kans groot dat het mineraal breekt langs een mooi recht vlak. Dit wordt ook wel splijting genoemd. Deze splijting is het gevolg van opbouw van de atomen in het gipskristal. Een gipskristal bestaat namelijk uit allemaal laagjes calciumsulfaat (CaSO4) met daartussen laagjes watermoleculen (H2O). De laagjes watermoleculen hebben een zwakke binding met het calciumsulfaat, dus zal het kristal makkelijk breken langs deze lagen. In de vroege oudheid was het al bekend dat, door gedeelte­lijk of geheel uitdrijven van kristalwater uit de ruwe gipssteen door verhitting, men het met water aangemaakt gebrand gips weer kon gebruiken. Uit dit tijdperk is bekend dat (ca. 7000 jr. v. Chr.) in Egypte gips als deklaag voor de conservering van lijken werd toegepast.

89837579_ca50dc1fceOok werden kalk en gips met elkaar vermengd en in de oudheid gebruikt als metselstoffen. De Perzen, Egyptena­ren, Babyloniërs, Grieken en Romeinen kenden reeds de kunst om met gips te werken; het werd verwerkt bij de bouw van de Torens van Jericho, het Paleis van Knossos ,Pompeï toren van Pisa e.a. Ook in de pyramidebouw werd gips reeds toegepast.

In Europa werd gips als bouwmateriaal veel later toege­past, de Barok- en Rococo-tijd brachten gips als bouw­materiaal in hoog aanzien. In deze tijd werd hoofdzakelijk gebrand gips (terra alba) gebruikt. De stenen werden voornamelijk vanuit Cyprus of Tyrrhie (Italië) geïmpor­teerd, waarna ze werden gebrand en verpulverd en met 2½ delen water vermengd.

De Arabische arts Abu Mansur Muwaffak was de eerste die, in ca. 970 na Chr. gips toepaste, als spalkmateriaal bij een beenbreuk. In Europa werd het pas achthonderd jaar later als zodanig toegepast door een chirurg van Napoleon I, Jean Dominique Larrey (1766-1842).

In 1756 verscheen het boek “Afhandeling van de Tanden”, geschreven door Phillip Pfaff, tandarts van Frederik de Grote. Hij maakte een afdruk van de mond met zegelwas en goot de afdruk vol met gipsbrij: dit werd “maatnemen” ge­noemd. Zonder Pfaff’s ontdekking, welke een lange tijd vergeten was, zou de verdere ontwikkeling voor de tand­techniek ondenkbaar zijn.

De eerste echte wetenschappelijke onderzoekingen naar gips deed Antoine Lavoisier (1765-1767). Hij ontdekte dat door het verhitten (branden) van de ruwe gipssteen, driekwart van het kristalwater gemakkelijker kon worden uitgedreven dan het overgebleven gedeelte.

In het jaar 1820 werd “de afdruklepel” door Delabarre uitgevonden en in 1840 voegden L. Gilbert en ook W.H. Dwi­nelle afbindversnellers toe voor het gebruik van gips in de tandtechniek. Toen al werd gips, als afdrukgips voor het nemen van de afdruk gebruikt. Bij het uitnemen van de afdruk uit de mond brak de afdrukgips in vele stukjes. Het weer aan elkaar plakken van de stukjes bleek een enorm precisie werk. En dat is nog steeds zo.

oudetandartsHenry Louis Le Chatelier zette het wetenschappelijke onderzoek van Lavoisier voort in 1887 en hij beschreef dat bij het verhitten (branden) van fijngemalen gipssteen een temperatuurstilstand ontstond bij 128° C en 163° C, en dat bij 128°C driekwart en bij 163°C de rest werd uitgedreven.

Port heeft in 1905 de beïnvloeding van tandtechnisch gips met zouten onderzocht, hij wilde de afdruk verbeteren. Hij stelde vast dat verschillende gipssoorten ook een andere gips:water verhouding hebben en in 1906 kwam daaruit als resultaat dat de afbindtemperatuur net zo veel toeneemt als dat men gips bij de gipsbrij toevoegt.

Lohman en Witzel onderzochten in 1918 het volume van het calciumsulfaat. In dit zelfde jaar hield de Gysi zich bezig met het onder­zoek naar de bron van de fouten welke optraden bij de gipsafdruk.
Hij veronderstelde als eerste dat tijdens het afbinden er verband moest bestaan tussen de afbindexpansie en de hardheid van de aangemaakte gips. Deze thermodynamische onderzoekingen werden door de Amerikanen Kelly, Southard en Anderson (1941) voortgezet. Zij definieerden en stelden de fasen en vormen vast welke plaatsvonden in het systeem calciumsulfaat (rehydratie). In de jaren 1944-1949 kregen Haddon, Cafferat, Eberl en Insgram patenten voor hun onderzoekingen naar de be­ïnvloe­ding van de kristalvormen van het halfhydraat door toevoe­gingen van organische stoffen.

De discussie over de waterverbindingen en onderzoekingen in het systeem CaSO4.2H2O is tot op heden nog in volle gang.

DEFINIËRING VAN GIPS

In zowel het Nederlandse als het Duitse taalgebruik ken­nen we de verzamelnaam “gips”. Deze verzamelnaam wordt zowel gebruikt voor: gipssteen, chemiegips, rea-gips, gebrand gips en afge­bonden gips.

In de Engelse taal echter worden andere benamingen ge­bruikt. De ruwe gipssteen heet hier: “gypsum”. Het gebrand gips wordt “plaster” genoemd. In de Franse taal verstaat men onder de naam “plâtre de Paris” gebrand gips.

De naam “plâtre” wordt ook hier als verzamelnaam gebruikt.

CHEMISCHE ANALYSE GIPS2013062962615609
(Gemiddelde waarden)
Kristalwater 5 %
Onoplosbare delen 1 %
SO3 53 %
Ca0 37 %
MgO 0,5 %
CO2 1,5 %
R 2 O3 0,15 %
Alkali sporen
Residu:
filter 40 µu 0,6 – 1,2 %

DE GIPSSTEEN

Het mineraal gips, met de samenstelling CaSO4.2H2O, komt gewoonlijk voor als kleurloze, transparante monocliene kristallen en wordt gerekend tot de sulfaten. Behalve als grote kristallen komt het ook vaak massief of in fijnkorrelige massa’s voor. In Noord-Amerika is als korrelige massa de woestijn “White Sands” bekend.

SteenNamen voor bepaalde vormen van dit mineraal zijn: gipsalbast (de massieve vorm), gips- of satijnspaat, ook mariaglas of draadgips genoemd (de vezelige vorm), en seleniet (de fraai uitgekristalliseerde vorm). Gips is de gewoonste van alle sulfaatmineralen. Het “gipsgesteente” is ontstaan in relatief vlakke nevenbekkens welke van de oceaan afgesloten werden en onder gunstige klimatologische (warme) omstandigheden langzaam verdampten. Dit gebeurde ca. 250 miljoen jaar geleden. Zo vormden zich kristallen die zich laag voor laag opstapelden zoals zout, calcium, magnesium, sulfaationen e.a. Voor de productie zijn de volgende calciumsulfaten belangrijk:
- anhydriet (CaSO4)
- dihydraat (CaSo4.2H2O)

In de loop van de tijd zijn de zouten door het hemelwater in de rivieren naar zee afgevoerd. Er bleef zuivere gips over. Het dihydraat is bruikbaar voor productie. Zo vorm­den zich bekkens in Frankrijk, Midden-Europa, Afrika en Amerika. Gipsgesteente kan bruin, groen, roze, rood of wit zijn. Het gesteente komt zowel in bergmassieven voor als diep onder de oppervlakte van de aarde. (Zelfs in Neder­land bevindt zich een gipslaag; deze is echter door zijn diepteligging onrendabel). In Luxemburg bevindt zich een rendabele “nachtbouw”. In Duitsland formeerde zich aan de zuidrand van het Harzgebergte een groot gipsbekken. Het gesteente wat zich in het Harzgebied bevindt, heeft een reinheidsgraad van ca. 95 % en is dus bijzonder ge­schikt voor de productie van tandtechnisch gips. De in Frankrijk gevormde bekkens zijn niet zo rein. Bekkens in Noord-Amerika hebben een mooie kristalvorm (stone soorten). Ook Engeland heeft een mooi gipsbekken. Hierdoor laat de gipssteen zich gemakkelijk van elkaar onderscheiden.

1280x720-hu0In Duitsland komt natuurgips voor als bergmassieven; op de bergmassieven bevindt zich een mooie flora. Om bij het delven zoveel mogelijk onreinheid te voorkomen, worden de aardlagen en de zich daarop bevindende planten zorgvuldig weggehaald. Door mijnbouwingenieurs wordt daarna de kwali­teit van de lagen door proefboringen bepaald. Het delven geschiedt met zwaar materieel, geholpen door dynamiet.

De gipsfabrieken die natuurgips delven zijn verplicht het afgegraven gebied in de oorspronkelijke staat terug te brengen plus de daarop behorende flora. Het is achteraf bijna niet meer vast te stellen dat er van een bepaald gebied in een eerdere periode gipsstenen gedolven zijn. Hierdoor stegen de productiekosten van natuurgips sterk en had tot gevolg dat de belangstelling toenam naar het zoeken naar andere vormen van gipsproductie.

PRODUKTIE

AUTOCL-1De gedolven gipssteen wordt verkleind tot brokken van circa 2 cm. Wanneer de stenen teveel aanhangend water hebben door het schoonwassen, worden ze eerst gedroogd.

In de groeve hebben de mijnbouwingenieurs de stenen al gescheiden in 2 groepen: de stenen waar de α (alfa)gipssoorten van gemaakt worden en de stenen waar de ß (beta) soorten van gemaakt worden.

Men heeft nu het dihydraat CaSO4.2H2O gedolven en dat reageert niet op water. Er zal eerst een hemihydraat CaSO4+½H2O van gemaakt moeten worden door driekwart van het kristal­water uit te drijven. Er wordt 1½H2O uitgedreven. De ß stenen worden in een kookketel gekookt en hiervan worden volgens het ISO 6873 en de Din norm 13911 de Klasse 1 en 2, zoals afdrukgips en alabaster soorten, geproduceerd. De α-stenen worden in de autoclaaf gebrand en hiervan worden volgens ISO 6873 en Din norm 13911 de Klasse 3 en 4 geproduceerd.

Tijdens het branden in de auto­claaf kan gedurende het proces de kristalvorm beïnvloed worden, door met meer of minder druk, in combinatie van een hogere of een lagere temperatuur te calcineren. Na het branden wordt het product naar de opslagsilo’s gebla­zen. Om de optimale kwaliteit te verkrijgen laat men het product ca. 3 dagen in deze silo’s rusten (“besterven”).

Dan wordt het gips naar de mengers geblazen en met de zgn. “toevoegingen” vermengd. Zo kan men het vereiste product verkrijgen. Er worden toegevoegd; versnellers, expansie-1eb8618b5da64710901139751957d5baverkleinende middelen, verharders e.d. De toevoegingen zijn nooit meer dan ca. 1%. Ook het kleuren geschiedt in de mengers. Daarna wordt het eindproduct naar de afvulsi­lo’s geblazen en in de gewenste verpakking verpakt. Gips is hierdoor een volkomen zuiver bacterievrij product (het is niet in contact geweest met onzuiverheden). Zo wordt gips gebruikt voor velerlei toepassingen; o.a als vulstof voor de papier-cement-verf-geneesmiddelen-voedsel-banden industrie, keramische industrie, verwerkt als verbandgips, maken van modellen, in de bouw e.d.

De verpakkingen worden aan het doel waarvoor het gips gebruikt wordt aangepast. Zo zal een gips voor de keramische industrie verpakt worden in een 3-voudige ventielzak met een bitumen tussenlaag. Voor de tandtechniek is dit echter niet geschikt; zo zal­ Zwolsman Gips de tandtechnische gipssoorten laten verpakken in cartons, plastic emmers of in 5-voudige papieren zakken met een plastic binnenzak met een inhoud van 25 kg. Deze zakken worden na het vullen dichtgenaaid en over de naad wordt een strook geplakt want verpakkingen dienen zo te zijn dat eigenschappen van de gips goed bewaard en behouden kunnen worden.

BEÏNVLOEDING VAN DE REHYDRATIE

Hiervoor is al verteld dat eerst kristalwater uit de gipssteen moet worden gedreven. Aan gebrand gips kan weer water worden toegevoegd. En door toevoeging van water komt het weer terug in de oorspron­kelijke vorm. We hebben dus:

dihydraat en hier wordt een hemihydraat van gemaakt(calci­ne­ren).
CaSO4.2H2O —>energie 2CaSO4.H2O+1H2O

Door toevoeging van water gaat de gipsbrij verstijven. Nu ontstaat de chemische reactie. De moleculen grijpen weer in elkaar waardoor warmte ontstaat, die op zijn beurt het water uitdrijft. Het is in dit stadium niet aan te raden aan het model te komen omdat  gips dan gaat brokkelen en men het afbinden verhindert. In deze fase ontstaat de expansie en de hardheid. Deze dienen gemeten te worden volgens de DIN-norm 13911 na 60 minuten; dus “nat”, want het model is dan nog niet volkomen droog. Vanzelfsprekend geeft de hardheid na 24 uur hogere waarden, dit mag men wel opgeven maar dit is niet relevant en volgens de voorgeschreven normen ISO en DIN.
De fabrikant dient de waarden te vermelden. De expansie en retractie ontstaan tijdens het uitharden en dus ook het “koel” en “droog” worden van het uitgegoten model. Laat men het model met rust en wordt het niet meer vochtig gemaakt dan bereikt het model na 5 tot 7 dagen de gunstig­ste waarden. Het is in de praktijk echter bijna onmogelijk het uitgeharde model droog te laten.
Het dient te worden vermeld dat, wanneer een eenmaal uitgeharde gips weer vochtig gemaakt wordt, het weer iets in beweging komt.