Нано-армирани циментови разтвори с ултразвукова дисперсия

Ултразвуковата обработка подобрява дисперсията, ексфолиацията и деагломерацията на графен, въглеродни нанотръби (CNT) и наноматериали в циментови пасти и хоросани. Ултразвуковите апарати на Hielscher позволяват разработването на висококачествени циментови състави от R&D към промишленото производство.

Наноармирани циментови разтвори – По-добро разпръскване и деагломерация чрез ултразвукова обработка

Наноармираните циментови разтвори и циментови пасти предлагат ефективен път към създаването на висококачествени строителни материали. Чрез добавянето на наноматериали като графен, графенов оксид, въглеродни нанотръби (CNTs), наносилициев диоксид, наноглини или други функционални пълнители, циментовите материали могат да бъдат проектирани така, че да притежават подобрена механична якост, устойчивост на напукване, дълготрайност, електропроводимост, намалена пропускливост и подобрени дългосрочни експлоатационни характеристики.
Проблемът: Пълният потенциал на наноматериалите в циментовите системи се реализира само когато частиците са равномерно разпръснати. Графеновите листове, снопчетата от въглеродни нанотръби (CNT) и други нанодобавки са склонни да образуват агломерати поради силните ван дер Ваалсови сили, високата повърхностна енергия и взаимното заплитане. Обичайното разбъркване, смесването с ротор-статор или простото смесване на прахове често не успяват да разбият тези агломерати в достатъчна степен. Резултатът е лошо разпределение, слаби места в матрицата на хоросана, неефективно използване на скъпите наноматериали и неравномерни свойства на материала.
Решението: Ултразвуковите апарати от типа „сонда“ на Hielscher предлагат ефективно, мащабируемо и доказано в промишлеността решение за диспергиране, ексфолиране, деагломерация и функционално преплитане на наноматериали в циментови пасти, състави на строителни разтвори и суспензии на прекурсори. Hielscher разработва и произвежда ултразвукови процесори за обработка на течности – от лабораторни проучвания за осъществимост до непрекъснато промишлено производство, като предлага продуктова гама, предназначена за мащабиране от компактни лабораторни системи до промишлено оборудване с висока мощност.

Защо дисперсията на наноматериалите е важна при циментовите разтвори

Наноматериалите могат значително да подобрят циментовите композити, тъй като взаимодействат с циментовата матрица на много малък мащаб. Правилно диспергираният графен, въглеродните нанотръби (CNT) и други нанопълнители могат да действат като места за зародиш на кристали, да премостват микропукнатини, да усъвършенстват порестата структура и да подобрят преноса на натоварването в рамките на втвърдената матрица.
На практика характеристиките зависят по-малко от номиналното количество добавен наноматериал и повече от качеството на дисперсията. Малко количество добре диспергиран графен или въглеродни нанотръби може да даде по-добри резултати от по-голямо количество лошо диспергиран материал. Агломератите действат по-скоро като дефекти, отколкото като армиране. Те намаляват обработваемостта, създават концентрации на напрежение и ограничават ефективната повърхност на добавката.
Ултразвуковата дисперсия решава този основен проблем при формулирането. Ултразвукът с висока интензивност предизвиква силни локализирани срязващи сили, микросмесване, ударни вълни и микроструи от течност чрез акустична кавитация. Тези ефекти разделят слепналите наноматериали, навлажняват повърхностите на частиците и ги разпределят равномерно в течната фаза, преди те да бъдат вмъкнати в циментовия прах, пастата или хоросана.

Ултразвуково раздробяване на графен, въглеродни нанотръби и нанодобавки

Графеновите нанопластинки, графеновият оксид, редуцираният графенов оксид и въглеродните нанотръби са особено привлекателни за съвременните циментови материали. Те могат да допринесат за повишаване на якостта на опън, якостта на огъване, устойчивостта на счупване, електропроводимостта, термичните свойства и дълготрайността. В същото време те са сред най-трудните за диспергиране добавки.
Ултразвуковата кавитация спомага за преодоляване на притегателните сили между структурите в наномащаб. В течност, подложена на ултразвуково въздействие, разрушаващите се кавитационни мехурчета генерират интензивен локален приток на енергия. Това може да разбие клъстерите от частици, да раздели снопчетата от въглеродни нанотръби (CNT), да ексфолира слоестите материали и да подобри разпределението на нанопълнителите.

Сред основните ултразвукови ефекти при производството на наноармирани строителни разтвори са:

• Деагломерация: Разбиване на агрегати от графен, въглеродни нанотръби, наносилициев диоксид или хибридни добавки на по-малки, с по-равномерно разпределение на частиците.
• Дисперсия: Равномерно разпределяне на наноматериали във вода, разтвори на пластификатори, смеси от добавки или циментови суспензии.
• Ексфолиация: Разделяне на слоести материали като графит, графенови нанопластинки или глини на по-тънки слоеве с по-голяма активна повърхност.
• Напояване и активиране: Подобряване на контакта на течността с повърхностите на наноматериалите с цел по-добро взаимодействие с циментовите хидрати и добавките.
• Заплитане и образуване на мрежи: Подпомага формирането на разпределени мрежи от въглеродни нанотръби (CNT) или графен, които могат да подобрят способността за премостване на пукнатини, проводимостта и структурната функционалност.
• Възпроизводимост: Създаване на контролирани технологични условия за постигане на еднородни състави – от лабораторни изпитвания до производствен мащаб.

Предимства на ултразвуковата дисперсия в циментовите пасти и строителните разтвори

Икономическата и техническата полза от ултразвуковата обработка е особено значителна при производството на висококачествен цимент. Наноматериалите често са скъпи, а ползата от тях зависи от ефективното им използване. Когато ултразвуковата обработка подобрява качеството на дисперсията, разработчиците на формули често могат да намалят предозирането, да повишат възпроизводимостта и да постигнат по-висока ефективност на килограм добавка.

За производителите на съвременни строителни разтвори, ремонтни материали, сглобяеми елементи, циментови материали за 3D-печат или специализирани строителни химикали, ултразвуковата обработка може да подпомогне:

• По-високи характеристики при натиск, огъване и опън благодарение на подобреното разпределение на нанопълнителите.
• По-добра устойчивост на напукване и по-голяма издръжливост благодарение на по-ефективното микроармиране.
• Намалена пропускливост и подобрена издръжливост чрез усъвършенстване на порестата структура.
• По-постоянно качество на материала от партида до партида.
• По-ефективно използване на скъпите графен, въглеродни нанотръби и други нанодобавки.
• По-бърз скрининг на формулировките и оптимизация на процесите.
• Мащабируемо производство – от лабораторна разработка до непрекъсната промишлена преработка.
• По-добър контрол върху параметрите на процеса, като амплитуда, вложената енергия, дебит, температура и време на престой.

Ултразвуковите апарати на Hielscher са проектирани за измеримо и възпроизводимо пренасяне на енергия в течности, суспензии и каши. Един и същ основен механизъм на ултразвукова обработка може да се използва във всички класове мощност, което позволява на клиентите да разработват технологични параметри в малък мащаб и след това да ги прехвърлят към по-големи настолни, пилотни или промишлени системи.

Инфрачервени термографии на наномодифицирана циментова паста, армирана с (а) въглеродни нанотръби (CNT) и (б) графенови наночастици (GNP). Въглеродните нанотръби и графенът бяха диспергирани с ултразвуков диспергатор UP400S.
Изследване и графики: ©Farmaki и др., 2025 г.

Ултразвукова обработка преди добавянето на цимент: предпочитаният технологичен процес

При много от рецептурите за наноармирани циментови смеси най-ефективният подход е първо да се диспергира наноматериалът в течната фаза. Това може да бъде вода, разтвор на суперпластификатор, диспергатор, съдържащ повърхностноактивно вещество, полимерна добавка, силициев сол или друг течен компонент от рецептурата на строителната смес.
Типичният технологичен процес при ултразвуковата обработка е следният:

1. Добавете графен, въглеродни нанотръби или други наноматериали към течната фаза.
2. Намокрете предварително праха или нанопълнителя, като разбърквате умерено.
3. Приложете ултразвуково въздействие с висока интензивност, за да разбиете агломератите и да диспергирате материала.
4. При необходимост регулирайте температурата.
5. Добавете нанодисперсията, обработена с ултразвук, към цимента, пясъка и другите съставки на строителната смес.
6. Разбъркайте, докато се получи консистенция на паста или хоросан.

Този метод осигурява по-добър контрол в сравнение със сухото смесване на наночастици в циментовия прах. Освен това той увеличава вероятността наноматериалите да бъдат вече отделени, навлажнени и равномерно разпределени, преди да започнат хидратацията и втвърдяването.

Икономически ползи от производството на висококачествен цимент

Нанодобавките могат да бъдат скъпи и тяхното използване трябва да бъде обосновано с измеримо подобрение на експлоатационните характеристики. Лошата дисперсия води до загуба на материал. Агломерираният графен или въглеродните нанотръби увеличават себестойността на формулата, без да осигуряват очакваното укрепване. За разлика от това, ултразвуковата дисперсия подобрява ефективното използване на наноматериалите.
Икономическите ползи включват:

• Намаляване на отпадъците от добавки: По-голяма част от наноматериала допринася за производителността, вместо да остава затворена в агломерати.
• Намален риск, свързан с формулировката: Постоянната дисперсия намалява броя на бракуваните партиди и нестабилните резултати от тестовете.
• По-бърз R&D цикли: Формулировките могат да бъдат подложени на скрининг при контролирани параметри на ултразвукова обработка.
• Подобрено мащабиране: Параметрите на процеса могат да бъдат прехвърлени от тестовете за осъществимост към промишленото оборудване.
• Продукти с по-висока стойност: По-здравите, по-издръжливи и функционални строителни разтвори са подходящи за приложения от най-висок клас.
• Възможности за непрекъснато производство: Вградената ултразвукова обработка позволява обработка с висока производителност за промишлено производство.

За производителите ключовата полза не е само по-доброто качество на дисперсията. Тя се състои в способността да се превърне наноармиран цимент от лабораторна концепция в контролиран и мащабируем производствен процес.

От лабораторната рецептура до промишленото производство на цимент

Едно от основните предимства на ултразвуковата технология на Hielscher е практичният подход към мащабирането. Формулировките на наноармирания цимент могат да бъдат разработени в лабораторни условия и след това прехвърлени към по-големи системи, без да се променя основният принцип на обработката. Вместо да преосмислят процеса на диспергиране за производствени нужди, производителите могат да мащабират ултразвуковата мощност, геометрията на поточната клетка, времето на престой и конфигурацията на реактора.
Това намалява техническия риск. Освен това съкращава пътя от успешните проби на хоросан до пускането на пазара на висококачествени циментови продукти.

Типичният работен процес при мащабиране включва:

1. Определете целевите експлоатационни характеристики на хоросана и системата от наноматериали.
2. Графен, въглеродни нанотръби (CNT), наносилициев диоксид или хибридни добавки.
3. Определете необходимата интензивност на ултразвуковата обработка и вложената енергия.
4. Оптимизирайте дисперсионните среди, добавките и регулирането на температурата.
5. Произвеждайте тестови партиди със системите UIP1000hdT или UIP2000hdT.
6. Проверете свойствата на строителната смес, като якост, обработваемост и дълготрайност.
7. Прехвърлете процеса към клъстери UIP6000hdT или UIP16000hdT за производствена експлоатация.
8. Въвеждане на вградена ултразвукова обработка в непрекъснатия производствен процес.

Висококачественият цимент изисква висококачествена дисперсия

Бъдещето на циментовата технология не се основава единствено на новите химични свойства на свързващите вещества. То зависи също така от по-добрия контрол върху микроструктурата, функционалните добавки и технологичния процес. Наноматериали като графен и въглеродни нанотръби (CNT) могат да спомогнат за производството на по-здрави, по-устойчиви, по-интелигентни и по-издръжливи циментови материали. Това обаче изисква надеждно разпръскване.
Ултразвуковите апарати на Hielscher предоставят на производителите на цимент, производителите на строителни химикали и изследователските институти мащабируем инструмент за обработка на нанодобавки. От ранните етапи на разработване на формули до високопроизводителното производство в производствената линия, ултразвуковата обработка подобрява дисперсията, ексфолиацията, деагломерацията и функционалното структуриране на наноматериалите в циментовите пасти и строителните разтвори.
За производството на висококачествен цимент ултразвуковата обработка предлага явно предимство: по-добри експлоатационни характеристики на материала, по-ефективно използване на скъпите нанодобавки и пряк път от лабораторния успех към промишленото производство.

Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:

Ултразвукови апарати „Hielscher“ за научни изследвания, тестове за осъществимост и производство

Hielscher предлага ултразвукови процесори в различни класове мощност – лабораторни, настолни, пилотни и промишлени. Това е от съществено значение за разработчиците на цимент и строителни разтвори, тъй като наноармираните състави често трябва да преминават през няколко етапа: първоначален подбор на материалите, разработване на параметрите на дисперсията, изпитване на строителните разтвори, пилотни партиди и промишлено производство.
Портфолиото на Hielscher е изградено около мащабируема ултразвукова обработка и включва системи за лабораторна разработка, пилотни и настолни изпитвания, индустриална експлоатация при тежки условия, както и непрекъснато производство в производствената линия с използване на проточни клетки и реактори.

UIP1000hdT и UIP2000hdT за лабораторни изследвания и тестове за осъществимост

UIP1000hdT и UIP2000hdT са мощни настолни ултразвукови процесори, предназначени за разработване на рецептури, проучвания за осъществимост и преработка в среден мащаб. Те са подходящи за разработване на наноармирани циментови формули, при което изследователите трябва да тестват вида на наноматериала, концентрацията, химичния състав на диспергатора, интензивността на ултразвуковата обработка, времето за обработка и контрола на температурата.

Тези системи са идеални за:

• Дисперсия на графен и въглеродни нанотръби във вода или в смесени разтвори.
• Изследване на приложимостта на наноармирани циментови пасти.
• Оптимизиране на вложената енергия при ултразвукова обработка.
• Приготвяне на възпроизводими тестови партиди.
• Разработване на рецептури за висококачествени строителни разтвори.
• Неголяма непрекъсната преработка с помощта на системи с проточни клетки.
• Валидиране при мащабиране преди започването на промишленото производство.

за R&Моделите от серия D – UIP1000hdT и UIP2000hdT – осигуряват необходимата интензивност на процеса за обработка на сложни наноматериали, като в същото време конфигурацията им остава практична за използване в лабораторни условия, технически центрове и пилотни инсталации.

Ултразвуково ексфолиране на графен

Клъстери UIP6000hdT и UIP16000hdT за производство с висока производителност

За производство в промишлен мащаб на наноармирани добавки за цимент, нанодисперсии или висококачествени компоненти за строителни разтвори, промишлените ултразвукови апарати на Hielscher, като например моделите UIP6000hdT и UIP16000hdT, могат да бъдат конфигурирани в клъстери за непрекъсната обработка с висока производителност.
Групирането на устройства от моделите UIP6000hdT или UIP16000hdT дава възможност на производителите да увеличат производствения капацитет, като същевременно поддържат контролиран приток на ултразвукова енергия. Този модулен подход е особено полезен, когато производствените обеми нарастват от пилотен мащаб до пълномащабно производство.

Поддръжка на индустриални конфигурации:

• Непрекъснато вграждане на графен, въглеродни нанотръби и нанодобавки.
• Обработка с висока производителност на основни дисперсии от наноматериали.
• Интегриране в производствени линии за добавки към цимент или за сухи строителни смеси.
• Паралелна работа на ултразвуковите реактори за увеличаване на капацитета.
• Надеждни производствени среди, работещи 24 часа в денонощието, 7 дни в седмицата.
• Контрол и мониторинг на процесите за осигуряване на постоянно качество на продукта.

Промишлените системи на Hielscher са предназначени за работа при тежки условия в непрекъснат режим, като се предлагат устройства с висока мощност до 16 kW на брой.

Литература / Препратки