Циментови разтвори, подсилени с наноматериали, чрез ултразвуково диспергиране

Ултразвуковата обработка подобрява диспергирането, ексфолирането и деагломерацията на графен, CNT и наноматериали в циментови пасти и разтвори. Ултразвуковите апарати на Hielscher позволяват разработването на високоефективни циментови състави от научноизследователската и развойната дейност до промишленото производство.

Циментови разтвори, подсилени с наноматериали – по-добро диспергиране и деагломерация чрез ултразвукова обработка

Циментовите разтвори и пасти, подсилени с наноматериали, предлагат ефективен път към високоефективни строителни материали. Чрез включване на наноматериали като графен, графенов оксид, въглеродни нанотръби (CNT), наносилициев диоксид, наноглини или други функционални пълнители материалите на циментова основа могат да бъдат проектирани с подобрена механична якост, устойчивост на напукване, дълготрайност и електропроводимост, намалена пропускливост и подобрени дългосрочни експлоатационни характеристики.
Проблемът: Пълният потенциал на наноматериалите в циментовите системи се реализира само когато частиците са равномерно диспергирани. Графеновите листове, сноповете от CNT и другите нанодобавки са склонни да образуват агломерати поради силните ван дер Ваалсови сили, високата повърхностна енергия и преплитането. Конвенционалното разбъркване, роторно-статорното смесване или простото смесване на прахове често не успяват да разрушат тези агломерати в достатъчна степен. Резултатът е неравномерно разпределение, слаби места в матрицата на разтвора, неефективно използване на скъпи наноматериали и непостоянни свойства на материала.
Решението: Ултразвуковите апарати със сонда на Hielscher осигуряват ефективно, мащабируемо и доказано в промишлеността решение за диспергиране, ексфолиране, деагломерация и функционално преплитане на наноматериали в циментови пасти, състави на разтвори и суспензии на прекурсори. Hielscher разработва и произвежда ултразвукови процесори за обработка на течности от лабораторни изпитвания за приложимост до непрекъснато промишлено производство, с продуктова гама, проектирана за мащабиране от компактни лабораторни системи до промишлено оборудване с висока мощност.

Защо диспергирането на наноматериали е важно за циментовите разтвори

Наноматериалите могат значително да подобрят композитите на циментова основа, тъй като взаимодействат с циментовата матрица на много малък пространствен мащаб. Правилно диспергираните графен, CNT и други нанопълнители могат да действат като центрове на зародишообразуване, да свързват двата бряга на микропукнатини, да усъвършенстват поровата структура и да подобряват предаването на натоварването във втвърдената матрица.
На практика експлоатационните характеристики зависят по-малко от номиналното количество добавен наноматериал и повече от качеството на диспергирането. Малко количество добре диспергиран графен или CNT може да осигури по-добри характеристики от по-голямо количество слабо диспергиран материал. Агломератите действат като дефекти, вместо като армировка. Те намаляват обработваемостта, създават концентрации на напрежения и ограничават ефективната повърхностна площ на добавката.
Ултразвуковото диспергиране решава това основно предизвикателство при разработването на състави. Чрез акустична кавитация ултразвукът с висок интензитет създава силни локализирани сили на срязване, микросмесване, ударни вълни и течни микроструи. Тези ефекти разделят наноматериалите, събрани в снопове, омокрят повърхностите на частиците и ги разпределят равномерно в цялата течна фаза, преди да бъдат включени в циментов прах, паста или разтвор.

Ултразвукова деагломерация на графен, CNT и нанодобавки

Графеновите нанопластинки, графеновият оксид, редуцираният графенов оксид и въглеродните нанотръби са особено привлекателни за усъвършенствани материали на циментова основа. Те могат да допринесат за якостта на опън, якостта на огъване, жилавостта на разрушаване, електропроводимостта, топлинното поведение и дълготрайността. Същевременно те са сред най-трудните за диспергиране добавки.
Ултразвуковата кавитация помага за преодоляване на силите на привличане между структурите с наноразмери. В течност, подложена на ултразвукова обработка, колапсиращите кавитационни мехурчета осигуряват интензивно локално въвеждане на енергия. Това може да разруши струпванията на частици, да раздели сноповете от CNT, да ексфолира слоести материали и да подобри разпределението на нанопълнителите.

Основните ултразвукови ефекти при производството на разтвори, подсилени с наноматериали, включват:

• Деагломерация: Разрушаване на струпвания от графен, CNT, наносилициев диоксид или хибридни добавки, за да се получат по-малки частици с по-равномерно разпределение.
• Диспергиране: Хомогенно разпределяне на наноматериали във вода, разтвори на пластификатори, смеси от добавки или суспензии на циментова основа.
• Ексфолиране: Разделяне на слоести материали като графит, графенови нанопластинки или глини на по-тънки листове с по-голяма активна повърхностна площ.
• Омокряне и активиране: Подобряване на контакта на течността с повърхностите на наноматериалите за по-добро взаимодействие с циментовите хидрати и добавките.
• Преплитане и образуване на мрежи: Подпомагане на образуването на разпределени мрежи от CNT или графен, които могат да подобрят свързването на двата бряга на пукнатините, проводимостта и структурната функционалност.
• Възпроизводимост: Създаване на контролирани условия на процеса за състави с постоянни характеристики от лабораторните изпитвания до производствения мащаб.

Предимства на ултразвуковото диспергиране в циментови пасти и разтвори

Икономическата и техническата стойност на ултразвуковата обработка е особено голяма при производството на високоефективен цимент. Наноматериалите често са скъпи и ползата от тях зависи от ефективното им използване. Когато ултразвуковата обработка подобрява качеството на диспергирането, разработчиците на състави често могат да намалят прекомерното дозиране, да повишат възпроизводимостта и да постигнат по-добри експлоатационни характеристики на килограм добавка.

За производителите на усъвършенствани разтвори, ремонтни материали, сглобяеми елементи, материали на циментова основа за 3D печат или специализирани строителни химикали ултразвуковата обработка може да подпомогне:

• По-високи показатели при натиск, огъване и опън чрез подобрено разпределение на нанопълнителите.
• По-добра устойчивост на напукване и жилавост благодарение на по-ефективното микроармиране.
• Намалена пропускливост и подобрена дълготрайност чрез усъвършенстване на поровата структура.
• По-постоянно качество на материала между отделните партиди.
• Подобрено оползотворяване на скъпи графен, CNT и други нанодобавки.
• По-бърз предварителен подбор на състави и оптимизиране на процеса.
• Мащабируемо производство от лабораторната разработка до непрекъснатата промишлена обработка.
• По-добър контрол на параметрите на процеса като амплитуда, вложена енергия, дебит, температура и време на престой.

Ултразвуковите апарати на Hielscher са проектирани за измеримо и възпроизводимо предаване на енергия към течности, суспензии и гъсти суспензии. Един и същ основен механизъм на ултразвукова обработка може да се използва в различни класове на мощност, което позволява на клиентите да разработват параметрите на процеса в малък мащаб и след това да ги пренасят към по-големи настолни, пилотни или промишлени системи.

Инфрачервени термограми на наномодифицирана циментова паста, подсилена с (a) CNT и (b) GNP. CNT и графенът са диспергирани с ултразвуков апарат UP400S.
Изследване и графики: ©Farmaki et al., 2025

Ултразвукова обработка преди добавяне на цимента: предпочитаният технологичен маршрут

За много циментови състави, подсилени с наноматериали, най-ефективният подход е наноматериалът първо да се диспергира в течната фаза. Това може да бъде вода, разтвор на суперпластификатор, диспергиращ агент, съдържащ повърхностноактивно вещество, полимерна добавка, зол на силициев диоксид или друг течен компонент на състава на разтвора.
Типичният технологичен маршрут с ултразвукова обработка е:

1. Добавете графен, CNT или други наноматериали към течната фаза.
2. Предварително омокрете праха или нанопълнителя при умерено смесване.
3. Приложете ултразвукова обработка с висок интензитет за деагломерация и диспергиране на материала.
4. Контролирайте температурата, ако е необходимо.
5. Добавете обработената с ултразвук нанодисперсия към цимента, пясъка и другите компоненти на разтвора.
6. Смесете до получаване на крайната консистенция на пастата или разтвора.

Този маршрут позволява по-добър контрол от сухото смесване на наночастици с циментов прах. Той също така увеличава вероятността наноматериалите вече да са разделени, омокрени и равномерно разпределени, преди да започнат хидратацията и свързването.

Икономически ползи за производството на високоефективен цимент

Нанодобавките могат да бъдат скъпи и използването им трябва да бъде обосновано с измеримо подобрение на експлоатационните характеристики. Лошото диспергиране води до разхищение на материал. Агломерираният графен или CNT увеличават разходите за състава, без да осигуряват очакваното подсилване. За разлика от това ултразвуковото диспергиране подобрява ефективното оползотворяване на наноматериалите.
Икономическите ползи включват:

• По-малко разхищение на добавки: По-голяма част от наноматериала допринася за експлоатационните характеристики, вместо да остава затворена в агломерати.
• Намален риск при разработването на състави: Диспергирането с постоянни характеристики намалява броя на неуспешните партиди и нестабилните резултати от изпитванията.
• По-бързи цикли на научноизследователска и развойна дейност: Съставите могат да бъдат подлагани на предварителен подбор при контролирани параметри на ултразвуковата обработка.
• Подобрено мащабиране: Параметрите на процеса могат да бъдат пренесени от изпитванията за приложимост към промишлено оборудване.
• Продукти с по-висока стойност: По-здравите, по-дълготрайни и функционални разтвори подпомагат приложенията от висок клас.
• Потенциал за непрекъснато производство: Ултразвуковата обработка в поточна линия позволява обработка с висока производителност за търговско производство.

За производителите основната стойност не е само по-доброто качество на диспергирането. Тя е възможността циментът, подсилен с наноматериали, да бъде превърнат от лабораторна концепция в контролиран, мащабируем производствен процес.

От лабораторно разработване на състави до промишлено производство на цимент

Основно предимство на ултразвуковата технология на Hielscher е практическият път за мащабиране. Циментовите състави, подсилени с наноматериали, могат да бъдат разработени в мащаба на настолна система и след това пренесени към по-големи системи, без да се променя основният принцип на обработка. Вместо да разработват наново процеса на диспергиране за производството, производителите могат да мащабират ултразвуковата мощност, геометрията на проточната клетка, времето на престой и конфигурацията на реактора.
Това намалява техническия риск. То също така съкращава пътя от успешните проби на разтвори до търговски високоефективни циментови продукти.

Типичната последователност за мащабиране включва:

1. Определете целевите експлоатационни характеристики на разтвора и системата от наноматериали.
2. Направете предварителен подбор на графен, CNT, наносилициев диоксид или хибридни добавки.
3. Определете необходимия интензитет на ултразвуковата обработка и вложената енергия.
4. Оптимизирайте дисперсионните среди, добавките и температурния контрол.
5. Произведете изпитвателни партиди със системи UIP1000hdT или UIP2000hdT.
6. Валидирайте свойствата на разтвора като якост, обработваемост и дълготрайност.
7. Пренесете процеса към групи от апарати UIP6000hdT или UIP16000hdT за производство.
8. Интегрирайте ултразвуковата обработка в поточна линия в непрекъснатото производство.

Високоефективният цимент се нуждае от висококачествено диспергиране

Бъдещето на циментовата технология не се основава само на нов химичен състав на свързващите вещества. То зависи и от по-добрия контрол на микроструктурата, функционалните добавки и обработката. Наноматериали като графен и CNT могат да помогнат за производството на по-здрави, по-жилави, по-интелигентни и по-дълготрайни материали на циментова основа. Но това изисква надеждно диспергиране.
Ултразвуковите апарати на Hielscher предоставят на производителите на цимент, производителите на строителни химикали и изследователските институти мащабируем инструмент за обработка на нанодобавки. От ранния етап на разработване на състави до производството в поточна линия с висока производителност ултразвуковата обработка подобрява диспергирането, ексфолирането, деагломерацията и функционалното структуриране на наноматериали в циментови пасти и разтвори.
За производството на високоефективен цимент ултразвуковата обработка предлага ясно предимство: по-добри експлоатационни характеристики на материала, по-ефективно използване на скъпи нанодобавки и пряк път от лабораторния успех до промишленото производство.

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

Ултразвукови апарати на Hielscher за изследвания, изпитвания за приложимост и производство

Hielscher предлага ултразвукови процесори в лабораторни, настолни, пилотни и промишлени класове на мощност. Това е от съществено значение за разработчиците на цименти и разтвори, тъй като съставите, подсилени с наноматериали, често трябва да преминат през няколко етапа: първоначален подбор на материали, разработване на параметри на диспергиране, изпитване на разтвори, пилотни партиди и промишлено производство.
Продуктовата гама на Hielscher е изградена около мащабируема ултразвукова обработка, със системи за лабораторни разработки, пилотни и настолни изпитвания, промишлена работа при тежки условия и непрекъснато производство в поточна линия с използване на проточни клетки и реактори.

UIP1000hdT и UIP2000hdT за изследвания с настолни системи и изпитвания за приложимост

UIP1000hdT и UIP2000hdT са мощни настолни ултразвукови процесори за разработване на състави, изследвания за приложимост и обработка в среден мащаб. Те са много подходящи за разработване на циментови състави, подсилени с наноматериали, при които изследователите трябва да изпитват вида и концентрацията на наноматериала, химичния състав на диспергиращия агент, интензитета на ултразвуковата обработка, времето за обработка и температурния контрол.

Тези системи са идеални за:

• Диспергиране на графен и CNT във вода или разтвори на добавки.
• Изпитвания за приложимост на циментови пасти, подсилени с наноматериали.
• Оптимизиране на вложената енергия при ултразвуковата обработка.
• Подготовка на възпроизводими изпитвателни партиди.
• Разработване на състави на високоефективни разтвори.
• Непрекъсната обработка в малък мащаб с инсталации с проточни клетки.
• Валидиране на мащабирането преди промишленото производство.

За екипите за научноизследователска и развойна дейност UIP1000hdT и UIP2000hdT осигуряват интензитета на процеса, необходим за взискателни наноматериали, като същевременно инсталацията остава практична за лаборатории, технически центрове и пилотни условия.

Ултразвуково ексфолиране на графен

Групи от апарати UIP6000hdT и UIP16000hdT за производство с висока производителност

За производство в търговски мащаб на циментови добавки, подсилени с наноматериали, нанодисперсии или компоненти за високоефективни разтвори промишлените ултразвукови апарати на Hielscher, като UIP6000hdT и UIP16000hdT, могат да бъдат конфигурирани в групи за непрекъсната обработка с висока производителност.
Групите от апарати UIP6000hdT или UIP16000hdT позволяват на производителите да увеличават капацитета за обработка, като същевременно поддържат контролирано въвеждане на ултразвукова енергия. Този модулен подход е особено полезен, когато производствените обеми нарастват от пилотен мащаб до пълномащабно производство.

Промишлените конфигурации поддържат:

• Непрекъснато диспергиране на графен, CNT и нанодобавки в поточна линия.
• Обработка с висока производителност на концентрирани дисперсии на наноматериали.
• Интегриране в производствени линии за циментови добавки или сухи смеси за разтвори.
• Паралелна работа на ултразвукови реактори за увеличен капацитет.
• Надеждна работа в производствени условия 24/7.
• Контрол и наблюдение на процеса за постоянно качество на продукта.

Промишлените системи на Hielscher са предназначени за взискателна непрекъсната работа, а апаратите с висока мощност се предлагат с мощност до 16 kW на апарат.

Литература / Източници

• 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.