Ultrasəs dispersiyası ilə nanoarmaturlaşdırılmış sement məhlulları

Ultrasəs emalı sement pastalarında və tikinti məhlullarında qrafenin, CNT-lərin və nanomaterialların dispersiyasını, eksfoliasiyasını və deaqqlomerasiyasını yaxşılaşdırır. Hielscher sonikatorları tədqiqat və işlənmədən sənaye istehsalına qədər yüksək göstəricili sement tərkiblərinin hazırlanmasına imkan verir.

Nanoarmaturlaşdırılmış sement məhlulları – ultrasəs emalı ilə daha yaxşı dispersiya və deaqqlomerasiya

Nanoarmaturlaşdırılmış sement məhlulları və sement pastaları yüksək göstəricili tikinti materiallarının əldə edilməsi üçün güclü bir yol təqdim edir. Qrafen, qrafen oksidi, karbon nanoboruları (CNT-lər), nanosilisium dioksid, nanogillər və ya digər funksional doldurucular kimi nanomaterialları daxil etməklə sement əsaslı materialları daha yüksək mexaniki möhkəmlik, çatlara davamlılıq, uzunömürlülük, elektrik keçiriciliyi, daha aşağı keçiricilik və yaxşılaşdırılmış uzunmüddətli istismar göstəriciləri üçün layihələndirmək mümkündür.
Problem: Sement sistemlərində nanomaterialların tam potensialı yalnız hissəciklər bərabər dispersləşdirildikdə reallaşır. Qrafen təbəqələri, CNT dəstələri və digər nanoəlavələr güclü van der Waals qüvvələri, yüksək səth enerjisi və bir-birinə dolaşma səbəbindən aqqlomeratlar əmələ gətirməyə meyillidir. Adi qarışdırma, rotor-statorla qarışdırma və ya tozların sadəcə qarışdırılması çox vaxt bu aqqlomeratları kifayət qədər parçalaya bilmir. Nəticədə qeyri-qənaətbəxş paylanma, məhlul matrisində zəif sahələr, bahalı nanomateriallardan səmərəsiz istifadə və qeyri-sabit material xassələri yaranır.
Həll: Hielscher zond tipli ultrasəs cihazları sement pastalarında, tikinti məhlulu tərkiblərində və prekursor suspenziyalarında nanomaterialların dispersiyası, eksfoliasiyası, deaqqlomerasiyası və funksional şəkildə bir-birinə dolaşması üçün səmərəli, miqyaslandırıla bilən və sənayedə sınaqdan çıxmış həll təqdim edir. Hielscher laboratoriyada tətbiq imkanlarının yoxlanılmasından fasiləsiz sənaye istehsalına qədər mayelərin emalı üçün ultrasəs prosessorları hazırlayır və istehsal edir; onun məhsul çeşidi yığcam laboratoriya sistemlərindən yüksək güclü sənaye avadanlıqlarına qədər miqyaslandırma üçün nəzərdə tutulub.

Sement məhlullarında nanomaterialların dispersiyası nə üçün vacibdir

Nanomateriallar sement matrisi ilə çox kiçik uzunluq miqyasında qarşılıqlı təsir göstərdikləri üçün sement əsaslı kompozitləri əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdıra bilər. Düzgün dispersləşdirilmiş qrafen, CNT-lər və digər nanodoldurucular nüvələşmə mərkəzləri kimi çıxış edə, mikroçatları körpüləyə, məsamə strukturlarını təkmilləşdirə və bərkimış matris daxilində yükün ötürülməsini yaxşılaşdıra bilər.
Praktikada göstəricilər əlavə edilən nanomaterialın nominal miqdarından daha az, dispersiyanın keyfiyyətindən isə daha çox asılıdır. Yaxşı dispersləşdirilmiş az miqdarda qrafen və ya CNT zəif dispersləşdirilmiş daha böyük miqdarda materialdan üstün nəticə verə bilər. Aqqlomeratlar armaturlaşdırıcı elementlər kimi deyil, qüsurlar kimi davranır. Onlar işlənə bilmə qabiliyyətini azaldır, gərginlik konsentrasiyaları yaradır və əlavənin effektiv səth sahəsini məhdudlaşdırır.
Ultrasəs dispersiyası tərkibin hazırlanmasındakı bu əsas çətinliyi aradan qaldırır. Yüksək intensivlikli ultrasəs akustik kavitasiya vasitəsilə güclü lokal sürüşmə qüvvələri, mikroqarışdırma, zərbə dalğaları və maye mikroşırnaqları yaradır. Bu təsirlər dəstələnmiş nanomaterialları ayırır, hissəciklərin səthlərini isladır və sement tozuna, pastasına və ya tikinti məhluluna daxil edilməzdən əvvəl onları maye faza boyunca bərabər paylayır.

Qrafenin, CNT-lərin və nanoəlavələrin ultrasəslə deaqqlomerasiyası

Qrafen nanolövhəcikləri, qrafen oksidi, reduksiya olunmuş qrafen oksidi və karbon nanoboruları qabaqcıl sement əsaslı materiallar üçün xüsusilə cəlbedicidir. Onlar dartılma möhkəmliyinə, əyilmə möhkəmliyinə, sınılmaya müqavimətə, elektrik keçiriciliyinə, istilik davranışına və uzunömürlülüyə töhfə verə bilər. Eyni zamanda, onlar dispersləşdirilməsi ən çətin olan əlavələr arasındadır.
Ultrasəs kavitasiyası nanoölçülü strukturlar arasındakı cazibə qüvvələrini aşmağa kömək edir. Ultrasəslə emal olunan mayedə çökən kavitasiya qabarcıqları intensiv lokal enerji daxilolması yaradır. Bu, hissəcik qruplarını parçalaya, CNT dəstələrini ayıra, laylı materialları eksfoliasiya edə və nanodoldurucuların paylanmasını yaxşılaşdıra bilər.

Nanoarmaturlaşdırılmış tikinti məhlulu istehsalında əsas ultrasəs təsirlərinə aşağıdakılar daxildir:

• Deaqqlomerasiya: Qrafen, CNT, nanosilisium dioksid və ya hibrid əlavələrin qruplarını parçalayaraq daha kiçik hissəciklər və daha bərabər hissəcik paylanması əldə etmək.
• Dispersiya: Nanomaterialları suda, plastifikator məhlullarında, qatqı qarışıqlarında və ya sement əsaslı suspenziyalarda homogen paylamaq.
• Eksfoliasiya: Qrafit, qrafen nanolövhəcikləri və ya gillər kimi laylı materialları daha yüksək aktiv səth sahəsinə malik daha nazik təbəqələrə ayırmaq.
• İslatma və aktivləşdirmə: Sement hidratları və qatqılarla daha yaxşı qarşılıqlı təsir üçün mayenin nanomaterial səthləri ilə təmasını yaxşılaşdırmaq.
• Bir-birinə dolaşma və şəbəkənin formalaşması: Çatların körpülənməsini, keçiriciliyi və struktur funksionallığını gücləndirə bilən paylanmış CNT və ya qrafen şəbəkələrinin formalaşmasını dəstəkləmək.
• Təkrarlanabilirlik: Laboratoriya sınaqlarından istehsal miqyasına qədər sabit tərkiblər əldə etmək üçün idarə olunan proses şəraiti yaratmaq.

Sement pastalarında və tikinti məhlullarında ultrasəs dispersiyasının üstünlükləri

Ultrasəs emalının iqtisadi və texniki dəyəri yüksək göstəricili sement istehsalında xüsusilə böyükdür. Nanomateriallar çox vaxt bahalıdır və onların faydası səmərəli istifadədən asılıdır. Ultrasəs emalı dispersiyanın keyfiyyətini yaxşılaşdırdıqda, tərkib hazırlayan mütəxəssislər çox vaxt həddindən artıq dozalamanı azalda, təkrarlanabilirliyi artıra və əlavənin hər kiloqramına düşən daha yüksək göstəricilər əldə edə bilirlər.

Qabaqcıl tikinti məhlulları, təmir materialları, əvvəlcədən tökülmüş komponentlər, 3D çap üçün yararlı sement əsaslı materiallar və ya xüsusi tikinti kimyəviləri istehsalçıları üçün ultrasəs emalı aşağıdakılara kömək edə bilər:

• Nanodoldurucuların paylanmasının yaxşılaşdırılması hesabına daha yüksək sıxılma, əyilmə və dartılma göstəriciləri.
• Daha səmərəli mikroarmaturlaşdırma sayəsində çatlara daha yaxşı davamlılıq və daha yüksək sınılmaya müqavimət.
• Məsamə strukturunun təkmilləşdirilməsi hesabına daha aşağı keçiricilik və daha yüksək uzunömürlülük.
• Partiyadan partiyaya daha sabit material keyfiyyəti.
• Bahalı qrafen, CNT-lər və digər nanoəlavələrdən daha yaxşı istifadə.
• Tərkiblərin daha sürətli ilkin qiymətləndirilməsi və prosesin optimallaşdırılması.
• Laboratoriyada işlənmədən fasiləsiz sənaye emalına qədər miqyaslandırıla bilən istehsal.
• Amplituda, daxil edilən enerji, axın sürəti, temperatur və qalma müddəti kimi proses parametrlərinə daha yaxşı nəzarət.

Hielscher ultrasəs cihazları mayelərə, suspenziyalara və şlamlara ölçülə bilən və təkrarlana bilən enerji ötürülməsi üçün nəzərdə tutulub. Eyni əsas ultrasəs emalı mexanizmi müxtəlif güc siniflərində istifadə oluna bilər; bu, müştərilərə proses parametrlərini kiçik miqyasda hazırlayıb sonra daha böyük masaüstü, pilot və ya sənaye sistemlərinə köçürməyə imkan verir.

(a) CNT-lərlə və (b) GNP-lərlə armaturlaşdırılmış, nanomodifikasiya olunmuş sement pastasının infraqırmızı termoqramları. CNT və qrafen UP400S sonikatoru ilə dispersləşdirilmişdir.
Tədqiqat və qrafiklər: ©Farmaki et al., 2025

Sement əlavə edilməzdən əvvəl ultrasəs emalı: üstünlük verilən proses yolu

Bir çox nanoarmaturlaşdırılmış sement tərkibi üçün ən effektiv yanaşma əvvəlcə nanomaterialı maye fazada dispersləşdirməkdir. Bu, su, superplastifikator məhlulu, səthi aktiv maddə tərkibli dispersant, polimer qatqısı, silisium dioksid solu və ya tikinti məhlulu tərkibinin başqa maye komponenti ola bilər.
Tipik ultrasəs proses yolu belədir:

1. Qrafen, CNT-lər və ya digər nanomaterialları maye fazaya əlavə edin.
2. Tozu və ya nanodoldurucunu orta intensivlikdə qarışdırmaqla əvvəlcədən isladın.
3. Materialı deaqqlomerasiya etmək və dispersləşdirmək üçün yüksək intensivlikli ultrasəs emalı tətbiq edin.
4. Lazım olduqda temperatura nəzarət edin.
5. Ultrasəslə emal olunmuş nanodispersiyanı sementə, quma və digər tikinti məhlulu komponentlərinə əlavə edin.
6. Pasta və ya tikinti məhlulunun son konsistensiyasına çatana qədər qarışdırın.

Bu yol nanohissəciklərin sement tozuna quru şəkildə qarışdırılmasından daha yaxşı nəzarət imkanı yaradır. Həmçinin hidratasiya və tutuşma başlamazdan əvvəl nanomaterialların artıq ayrılmış, isladılmış və bərabər paylanmış olması ehtimalını artırır.

Yüksək göstəricili sement istehsalı üçün iqtisadi faydalar

Nanoəlavələr bahalı ola bilər və onların istifadəsi ölçülə bilən göstərici artımları ilə əsaslandırılmalıdır. Zəif dispersiya materialın israfına səbəb olur. Aqqlomerasiya olunmuş qrafen və ya CNT-lər gözlənilən armaturlaşdırmanı təmin etmədən tərkibin maya dəyərini artırır. Əksinə, ultrasəs dispersiyası nanomateriallardan effektiv istifadəni yaxşılaşdırır.
İqtisadi faydalara aşağıdakılar daxildir:

• Əlavə israfının azalması: Nanomaterialın daha böyük hissəsi aqqlomeratlarda qapalı qalmaq əvəzinə materialın göstəricilərinə töhfə verir.
• Tərkiblə bağlı riskin azalması: Sabit dispersiya uğursuz partiyaları və qeyri-sabit sınaq nəticələrini azaldır.
• Daha sürətli tədqiqat və işlənmə dövrləri: Tərkiblər idarə olunan ultrasəs emalı parametrləri ilə ilkin qiymətləndirilə bilər.
• Daha yaxşı miqyaslandırma: Proses parametrləri tətbiq imkanlarının yoxlanılmasından sənaye avadanlığına köçürülə bilər.
• Daha yüksək dəyərli məhsullar: Daha möhkəm, daha uzunömürlü və funksional tikinti məhlulları yüksək tələblərə cavab verən tətbiqləri dəstəkləyir.
• Fasiləsiz istehsal potensialı: Axın xəttində ultrasəs emalı kommersiya istehsalı üçün yüksək emal məhsuldarlığını təmin edir.

İstehsalçılar üçün əsas dəyər yalnız daha yaxşı dispersiya keyfiyyəti deyil. Bu, nanoarmaturlaşdırılmış sementi laboratoriya konsepsiyasından idarə olunan, miqyaslandırıla bilən istehsal prosesinə çevirmək imkanıdır.

Laboratoriyada tərkibin hazırlanmasından sənaye sement istehsalına qədər

Hielscher ultrasəs texnologiyasının əsas üstünlüklərindən biri praktik miqyaslandırma yoludur. Nanoarmaturlaşdırılmış sement tərkibləri masaüstü miqyasda hazırlanıb sonra əsas emal prinsipi dəyişdirilmədən daha böyük sistemlərə köçürülə bilər. İstehsal üçün dispersiya prosesini yenidən qurmaq əvəzinə istehsalçılar ultrasəs gücünü, axın kamerasının həndəsəsini, qalma müddətini və reaktor konfiqurasiyasını miqyaslandıra bilərlər.
Bu, texniki riski azaldır. Həmçinin uğurlu tikinti məhlulu nümunələrindən kommersiya məqsədli yüksək göstəricili sement məhsullarına gedən yolu qısaldır.

Tipik miqyaslandırma iş axınına aşağıdakılar daxildir:

1. Tikinti məhlulunun hədəf göstəricilərini və nanomaterial sistemini müəyyənləşdirin.
2. Qrafen, CNT, nanosilisium dioksid və ya hibrid əlavələri ilkin qiymətləndirin.
3. Tələb olunan ultrasəs emalı intensivliyini və daxil edilən enerjini müəyyənləşdirin.
4. Dispersiya mühitlərini, qatqıları və temperatur nəzarətini optimallaşdırın.
5. UIP1000hdT və ya UIP2000hdT sistemləri ilə sınaq partiyaları istehsal edin.
6. Tikinti məhlulunun möhkəmlik, işlənə bilmə qabiliyyəti və uzunömürlülük kimi xassələrini təsdiqləyin.
7. İstehsal üçün prosesi UIP6000hdT və ya UIP16000hdT klasterlərinə köçürün.
8. Axın xəttində ultrasəs emalını fasiləsiz istehsala inteqrasiya edin.

Yüksək göstəricili sement yüksək keyfiyyətli dispersiya tələb edir

Sement texnologiyasının gələcəyi yalnız yeni bağlayıcı kimyasına əsaslanmır. O, həm də mikrostruktura, funksional əlavələrə və emala daha yaxşı nəzarətdən asılıdır. Qrafen və CNT-lər kimi nanomateriallar daha möhkəm, sınılmaya daha davamlı, daha ağıllı və daha uzunömürlü sement əsaslı materialların istehsalına kömək edə bilər. Lakin bu, etibarlı dispersiya tələb edir.
Hielscher ultrasəs cihazları sement istehsalçılarına, tikinti kimyəviləri istehsalçılarına və tədqiqat institutlarına nanoəlavələrin emalı üçün miqyaslandırıla bilən vasitə təqdim edir. İlkin mərhələdə tərkibin hazırlanmasından yüksək məhsuldarlıqlı axın xətti istehsalına qədər ultrasəs emalı sement pastalarında və tikinti məhlullarında nanomaterialların dispersiyasını, eksfoliasiyasını, deaqqlomerasiyasını və funksional strukturlaşmasını yaxşılaşdırır.
Yüksək göstəricili sement istehsalı üçün ultrasəs emalı aydın üstünlük təqdim edir: daha yaxşı material göstəriciləri, bahalı nanoəlavələrdən daha səmərəli istifadə və laboratoriya uğurundan sənaye istehsalına birbaşa yol.

Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal gücü barədə təsəvvür yaradır:

Tədqiqat, tətbiq imkanlarının yoxlanılması və istehsal üçün Hielscher sonikatorları

Hielscher laboratoriya, masaüstü, pilot və sənaye güc siniflərində ultrasəs prosessorları təklif edir. Bu, sement və tikinti məhlulu hazırlayan mütəxəssislər üçün vacibdir, çünki nanoarmaturlaşdırılmış tərkiblər çox vaxt bir neçə mərhələdən keçməlidir: materialın ilkin qiymətləndirilməsi, dispersiya parametrlərinin hazırlanması, tikinti məhlulunun sınağı, pilot partiyalar və sənaye istehsalı.
Hielscher şirkətinin məhsul çeşidi miqyaslandırıla bilən ultrasəs emalı üzərində qurulub və laboratoriyada işlənmə, pilot və masaüstü sınaqlar, ağır şəraitdə sənaye istismarı, eləcə də axın kameraları və reaktorlarla fasiləsiz axın xətti istehsalı üçün sistemləri əhatə edir.

Masaüstü tədqiqat və tətbiq imkanlarının yoxlanılması üçün UIP1000hdT və UIP2000hdT

UIP1000hdT və UIP2000hdT tərkibin hazırlanması, tətbiq imkanlarının araşdırılması və orta miqyaslı emal üçün güclü masaüstü ultrasəs prosessorlarıdır. Onlar tədqiqatçıların nanomaterialın növünü, konsentrasiyasını, dispersantın kimyəvi tərkibini, ultrasəs emalının intensivliyini, emal müddətini və temperatur nəzarətini sınaqdan keçirməli olduğu nanoarmaturlaşdırılmış sement tərkiblərinin hazırlanması üçün çox uyğundur.

Bu sistemlər aşağıdakılar üçün idealdır:

• Qrafen və CNT-lərin suda və ya qatqı məhlullarında dispersiyası.
• Nanoarmaturlaşdırılmış sement pastalarının tətbiq imkanlarının yoxlanılması.
• Ultrasəs emalı zamanı daxil edilən enerjinin optimallaşdırılması.
• Təkrarlana bilən sınaq partiyalarının hazırlanması.
• Yüksək göstəricili tikinti məhlulu tərkiblərinin hazırlanması.
• Axın kameralı qurğularla kiçik miqyaslı fasiləsiz emal.
• Sənaye istehsalından əvvəl miqyaslandırmanın təsdiqlənməsi.

Tədqiqat və işlənmə qrupları üçün UIP1000hdT və UIP2000hdT çətin emal olunan nanomaterialların tələb etdiyi proses intensivliyini təmin edir, eyni zamanda qurğunu laboratoriya, texniki mərkəz və pilot mühitlər üçün praktik saxlayır.

Qrafenin ultrasəslə eksfoliasiyası

Yüksək məhsuldarlıqlı istehsal üçün UIP6000hdT və UIP16000hdT klasterləri

Nanoarmaturlaşdırılmış sement əlavələrinin, nanodispersiyaların və ya yüksək göstəricili tikinti məhlulu komponentlərinin kommersiya miqyasında istehsalı üçün UIP6000hdT və UIP16000hdT kimi Hielscher sənaye ultrasəs cihazları yüksək məhsuldarlıqlı fasiləsiz emal məqsədilə klasterlər şəklində konfiqurasiya edilə bilər.
UIP6000hdT və ya UIP16000hdT qurğularının klasterləri istehsalçılara daxil edilən ultrasəs enerjisini nəzarət altında saxlamaqla emal gücünü artırmağa imkan verir. Bu modul yanaşma istehsal həcmləri pilot miqyasdan tammiqyaslı istehsala yüksəldikdə xüsusilə faydalıdır.

Sənaye konfiqurasiyaları aşağıdakılara imkan verir:

• Qrafenin, CNT-lərin və nanoəlavələrin axın xəttində fasiləsiz dispersiyası.
• Nanomaterialların konsentrat dispersiyalarının yüksək məhsuldarlıqla emalı.
• Sement qatqısı və ya quru qarışıq tikinti məhlulu istehsal xətlərinə inteqrasiya.
• Emal gücünü artırmaq üçün ultrasəs reaktorlarının paralel işləməsi.
• Etibarlı 24/7 istehsal mühitləri.
• Sabit məhsul keyfiyyəti üçün prosesə nəzarət və monitorinq.

Hielscher sənaye sistemləri yüksək tələblər qoyulan fasiləsiz istismar üçün nəzərdə tutulub və hər cihaz üçün 16 kW-a qədər yüksək güclü qurğular mövcuddur.

Ədəbiyyat / İstinadlar

• Dalla, Panagiota T., Ilias K. Tragazikis, George Trakakis, Costas Galiotis, Konstantinos G. Dassios, Theodore E. Matikas (2021): Multifunctional Cement Mortars Enhanced with Graphene Nanoplatelets and Carbon Nanotubes. Sensors 21, no. 3: 933.
• Ilias Κ. Tragazikis, Konstantinos G. Dassios, Panagiota T. Dalla, Dimitrios A. Exarchos, Theodore E. Matikas (2019): Acoustic emission investigation of the effect of graphene on the fracture behavior of cement mortars. Engineering Fracture Mechanics, Volume 210, 2019. 444-451.
• Bibi, U., Bahrami, A., Shabbir, F., Imran, M., Nasir, M. A., Ahmad, A. (2023): Graphene-Based Strain Sensing of Cementitious Composites with Natural and Recycled Sands. Sensors, 23(16), 2023. 7175.
• Farmaki, S. G., Dalla, P. T., Exarchos, D. A., Dassios, K. G., & Matikas, T. E. (2025): Thermal and Electrical Properties of Cement-Based Materials Reinforced with Nano-Inclusions. Nanomanufacturing, 5(3), 13; 2025.