Nanoojačani cementni malteri uz ultrazvučnu disperziju

Ultrazvučna obrada poboljšava disperziju, eksfolijaciju i deaglomeraciju grafena, CNT-a i nanomaterijala u cementnim pastama i malterima. Hielscher sonikatori omogućavaju visokoučinkovitu formulaciju cementa od istraživanja i razvoja do industrijske proizvodnje.

Nanoojačani cementni malteri – bolja disperzija i deaglomeracija ultrazvučnom obradom

Nanoojačani cementni malteri i cementne paste nude snažan put prema visokoučinkovitim građevinskim materijalima. Ugradnjom nanomaterijala kao što su grafen, grafen-oksid, ugljikove nanocijevi (CNT), nanosilicijev dioksid, nanoglina ili drugi funkcionalni punioci, cementni materijali mogu se konstruirati za poboljšanu mehaničku čvrstoću, otpornost na pukotine, trajnost, električnu provodljivost, smanjenu propusnost i poboljšane dugoročne performanse.
Problem: Puni potencijal nanomaterijala u cementnim sistemima postiže se samo kada su čestice ravnomjerno dispergirane. Listovi grafena, snopovi CNT-a i drugi nanoaditivi skloni su stvaranju aglomerata zbog jakih van der Waalsovih sila, visoke površinske energije i isprepletenosti. Konvencionalno miješanje, miješanje rotor-stator ili jednostavno miješanje praškova često ne uspijeva dovoljno razbiti te aglomerate. Rezultat su loša raspodjela, slaba mjesta u matrici maltera, neučinkovita upotreba skupih nanomaterijala i nedosljedna svojstva materijala.
Rješenje: Hielscher ultrazvučni uređaji sa sondom pružaju učinkovito, skalabilno i industrijski dokazano rješenje za disperziju, eksfolijaciju, deaglomeraciju i funkcionalno isprepletanje nanomaterijala u cementnim pastama, formulacijama maltera i suspenzijama prekursora. Hielscher razvija i proizvodi ultrazvučne procesore za obradu tečnosti, od laboratorijskih studija izvodljivosti do industrijske kontinuirane proizvodnje, s portfeljem osmišljenim za povećanje razmjera od kompaktnih laboratorijskih sistema do industrijske opreme velike snage.

Zašto je disperzija nanomaterijala važna u cementnim malterima

Nanomaterijali mogu značajno poboljšati cementne kompozite jer stupaju u interakciju s cementnom matricom na vrlo maloj skali dužine. Pravilno dispergirani grafen, CNT i drugi nanopunioci mogu djelovati kao mjesta nukleacije, premošćivati mikropukotine, profinjavati strukturu pora i poboljšati prijenos opterećenja unutar očvrsle matrice.
U praksi, performanse manje zavise od nominalne količine dodanog nanomaterijala, a više od kvaliteta disperzije. Mala količina dobro dispergiranog grafena ili CNT-a može nadmašiti veću količinu loše dispergiranog materijala. Aglomerati se ponašaju kao defekti, a ne kao ojačanje. Smanjuju obradivost, stvaraju koncentracije naprezanja i ograničavaju efektivnu površinu aditiva.
Ultrazvučna disperzija rješava ovaj središnji izazov formulacije. Ultrazvuk visokog intenziteta putem akustične kavitacije uvodi snažne lokalizirane smične sile, mikromiješanje, udarne talase i mikromlazeve tečnosti. Ti učinci razdvajaju povezane nanomaterijale, vlaže površine čestica i ravnomjerno ih raspoređuju kroz tečnu fazu prije nego što se ugrade u cementni prah, pastu ili malter.

Ultrazvučna deaglomeracija grafena, CNT-a i nanoaditiva

Grafenske nanoplatelete, grafen-oksid, reducirani grafen-oksid i ugljikove nanocijevi posebno su privlačni za napredne cementne materijale. Mogu doprinijeti vlačnoj čvrstoći, čvrstoći na savijanje, žilavosti loma, električnoj provodljivosti, toplinskom ponašanju i trajnosti. Istovremeno, spadaju među aditive koje je najteže dispergirati.
Ultrazvučna kavitacija pomaže u savladavanju privlačnih sila između nanorazmjernih struktura. U sonicitiranoj tečnosti kolabirajući kavitacijski mjehurići stvaraju intenzivan lokalni unos energije. To može razbiti nakupine čestica, razdvojiti snopove CNT-a, eksfolirati slojevite materijale i poboljšati raspodjelu nanopunilaca.

Ključni ultrazvučni učinci u proizvodnji nanoojačanog maltera uključuju:

• Deaglomeracija: Razbijanje nakupina grafena, CNT-a, nanosilicijevog dioksida ili hibridnih aditiva u manje, ujednačenije raspodjele čestica.
• Disperzija: Homogeno raspoređivanje nanomaterijala u vodi, otopinama plastifikatora, mješavinama aditiva ili cementnim suspenzijama.
• Eksfolijacija: Razdvajanje slojevitih materijala kao što su grafit, grafenske nanoplatelete ili gline u tanje listove s većom aktivnom površinom.
• Vlaženje i aktivacija: Poboljšanje kontakta tečnosti s površinama nanomaterijala radi bolje interakcije s cementnim hidratima i aditivima.
• Isprepletanje i stvaranje mreže: Podrška stvaranju raspoređenih mreža CNT-a ili grafena koje mogu poboljšati premošćivanje pukotina, provodljivost i strukturnu funkcionalnost.
• Ponovljivost: Stvaranje kontroliranih procesnih uvjeta za dosljedne formulacije od laboratorijskih ispitivanja do proizvodne skale.

Prednosti ultrazvučne disperzije u cementnim pastama i malterima

Ekonomska i tehnička vrijednost ultrazvučne obrade posebno je velika u proizvodnji visokoučinkovitog cementa. Nanomaterijali su često skupi, a njihova korist zavisi od učinkovite upotrebe. Kada ultrazvučna obrada poboljša kvalitet disperzije, formulatori često mogu smanjiti predoziranje, povećati ponovljivost i postići bolje performanse po kilogramu aditiva.

Za proizvođače naprednih maltera, materijala za popravke, montažnih elemenata, cementnih materijala za 3D štampu ili specijalnih građevinskih kemikalija, ultrazvučna obrada može podržati:

• Veće performanse na pritisak, savijanje i vlak zahvaljujući poboljšanoj raspodjeli nanopunilaca.
• Bolju otpornost na pukotine i žilavost zahvaljujući učinkovitijem mikroojačanju.
• Smanjenu propusnost i poboljšanu trajnost profinjavanjem strukture pora.
• Dosljedniji kvalitet materijala od šarže do šarže.
• Bolje iskorištavanje skupog grafena, CNT-a i drugih nanoaditiva.
• Brži probir formulacija i optimizaciju procesa.
• Skalabilnu proizvodnju od laboratorijskog razvoja do kontinuirane industrijske obrade.
• Bolju kontrolu procesnih parametara kao što su amplituda, unos energije, protok, temperatura i vrijeme zadržavanja.

Hielscher ultrazvučni uređaji osmišljeni su za mjerljiv i ponovljiv prijenos energije u tečnosti, suspenzije i kaše. Isti osnovni mehanizam ultrazvučne obrade može se koristiti u svim klasama snage, što kupcima omogućava da razviju procesne parametre u maloj skali, a zatim ih prenesu na veće stolne, pilot ili industrijske sisteme.

Infracrvene termografije nanomodificirane cementne paste ojačane (a) CNT-ima i (b) GNP-ovima. CNT i grafen dispergirani su sonikatorom UP400S.
Studija i grafikoni: ©Farmaki et al., 2025

Ultrazvučna obrada prije dodavanja cementa: preferirani procesni put

Za mnoge nanoojačane cementne formulacije najučinkovitiji pristup je da se nanomaterijal prvo dispergira u tečnoj fazi. To može biti voda, otopina superplastifikatora, disperzant koji sadrži surfaktant, polimerni aditiv, silikasol ili druga tečna komponenta formulacije maltera.
Tipičan ultrazvučni procesni put je:

1. Dodajte grafen, CNT ili druge nanomaterijale u tečnu fazu.
2. Prethodno navlažite prah ili nanopunilac uz umjereno miješanje.
3. Primijenite ultrazvučnu obradu visokog intenziteta kako biste deaglomerirali i dispergirali materijal.
4. Po potrebi kontrolirajte temperaturu.
5. Dodajte sonicitiranu nanodisperziju cementu, pijesku i drugim komponentama maltera.
6. Miješajte do konačne konzistencije paste ili maltera.

Ovaj put omogućava bolju kontrolu nego suho miješanje nanočestica u cementni prah. Također povećava vjerovatnoću da su nanomaterijali već razdvojeni, navlaženi i ravnomjerno raspoređeni prije početka hidratacije i vezivanja.

Ekonomske prednosti za proizvodnju visokoučinkovitog cementa

Nanoaditivi mogu biti skupi, a njihova upotreba mora biti opravdana mjerljivim poboljšanjem performansi. Loša disperzija troši materijal. Aglomerirani grafen ili CNT povećavaju trošak formulacije bez pružanja očekivanog ojačanja. Nasuprot tome, ultrazvučna disperzija poboljšava efektivno iskorištavanje nanomaterijala.
Ekonomske prednosti uključuju:

• Manji gubitak aditiva: Više nanomaterijala doprinosi performansama umjesto da ostane zarobljeno u aglomeratima.
• Smanjen rizik formulacije: Dosljedna disperzija smanjuje broj neuspjelih šarži i nestabilnih rezultata ispitivanja.
• Brži ciklusi istraživanja i razvoja: Formulacije se mogu ispitivati uz kontrolirane parametre ultrazvučne obrade.
• Poboljšano povećanje razmjera: Procesni parametri mogu se prenijeti sa ispitivanja izvodljivosti na industrijsku opremu.
• Proizvodi veće vrijednosti: Jači, trajniji i funkcionalniji malteri podržavaju vrhunske primjene.
• Potencijal kontinuirane proizvodnje: Inline ultrazvučna obrada omogućava obradu velike propusnosti za komercijalnu proizvodnju.

Za proizvođače ključna vrijednost nije samo bolji kvalitet disperzije. To je mogućnost da se nanoojačani cement iz laboratorijskog koncepta pretvori u kontroliran, skalabilan proizvodni proces.

Od laboratorijske formulacije do industrijske proizvodnje cementa

Velika prednost Hielscher ultrazvučne tehnologije je praktičan put povećanja razmjera. Nanoojačane cementne formulacije mogu se razviti u stolnoj skali, a zatim prenijeti na veće sisteme bez promjene temeljnog principa obrade. Umjesto da iznova osmišljavaju proces disperzije za proizvodnju, proizvođači mogu skalirati ultrazvučnu snagu, geometriju protočne ćelije, vrijeme zadržavanja i konfiguraciju reaktora.
To smanjuje tehnički rizik. Također skraćuje put od uspješnih uzoraka maltera do komercijalnih visokoučinkovitih cementnih proizvoda.

Tipičan tok rada za povećanje razmjera uključuje:

1. Definirajte ciljane performanse maltera i sistem nanomaterijala.
2. Ispitajte grafen, CNT, nanosilicijev dioksid ili hibridne aditive.
3. Odredite potreban intenzitet ultrazvučne obrade i unos energije.
4. Optimizirajte disperzijske medije, aditive i kontrolu temperature.
5. Proizvedite probne šarže sistemima UIP1000hdT ili UIP2000hdT.
6. Validirajte svojstva maltera kao što su čvrstoća, obradivost i trajnost.
7. Prenesite proces na klastere UIP6000hdT ili UIP16000hdT za proizvodnju.
8. Integrirajte inline ultrazvučnu obradu u kontinuiranu proizvodnju.

Visokoučinkovit cement zahtijeva visokokvalitetnu disperziju

Budućnost cementne tehnologije ne temelji se samo na novoj hemiji veziva. Zavisi i od bolje kontrole mikrostrukture, funkcionalnih aditiva i obrade. Nanomaterijali kao što su grafen i CNT mogu pomoći u proizvodnji jačih, žilavijih, pametnijih i trajnijih cementnih materijala. Ali za to je potrebna pouzdana disperzija.
Hielscher ultrazvučni uređaji pružaju proizvođačima cementa, proizvođačima građevinskih kemikalija i istraživačkim institutima skalabilan alat za obradu nanoaditiva. Od formulacije u ranoj fazi do inline proizvodnje velike propusnosti, ultrazvučna obrada poboljšava disperziju, eksfolijaciju, deaglomeraciju i funkcionalno strukturiranje nanomaterijala u cementnim pastama i malterima.
Za proizvodnju visokoučinkovitog cementa ultrazvučna obrada nudi jasnu prednost: bolje performanse materijala, učinkovitije korištenje skupih nanoaditiva i direktan put od laboratorijskog uspjeha do industrijske proizvodnje.

Tabela u nastavku daje vam orijentacijski prikaz približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Hielscher sonikatori za istraživanje, ispitivanje izvodljivosti i proizvodnju

Hielscher nudi ultrazvučne procesore u laboratorijskoj, stolnoj, pilot i industrijskoj klasi snage. To je ključno za razvojne inženjere cementa i maltera jer nanoojačane formulacije često moraju proći kroz nekoliko faza: početni probir materijala, razvoj parametara disperzije, ispitivanje maltera, pilot šarže i industrijsku proizvodnju.
Portfelj kompanije Hielscher izgrađen je oko skalabilne ultrazvučne obrade, sa sistemima za laboratorijski razvoj, pilot i stolna ispitivanja, industrijski rad velikog opterećenja i kontinuiranu inline proizvodnju pomoću protočnih ćelija i reaktora.

UIP1000hdT i UIP2000hdT za stolna istraživanja i ispitivanja izvodljivosti

UIP1000hdT i UIP2000hdT snažni su stolni ultrazvučni procesori za razvoj formulacija, studije izvodljivosti i obradu srednjih razmjera. Dobro su prikladni za razvoj nanoojačanih cementnih formulacija gdje istraživači trebaju ispitati vrstu nanomaterijala, koncentraciju, hemiju disperzanta, intenzitet ultrazvučne obrade, vrijeme obrade i kontrolu temperature.

Ovi sistemi idealni su za:

• Disperziju grafena i CNT-a u vodi ili otopinama aditiva.
• Ispitivanje izvodljivosti nanoojačanih cementnih pasta.
• Optimizaciju unosa energije ultrazvučne obrade.
• Pripremu ponovljivih probnih šarži.
• Razvoj visokoučinkovitih formulacija maltera.
• Kontinuiranu obradu u maloj skali s postavkama s protočnom ćelijom.
• Validaciju povećanja razmjera prije industrijske proizvodnje.

Za timove za istraživanje i razvoj, UIP1000hdT i UIP2000hdT pružaju intenzitet procesa potreban za zahtjevne nanomaterijale, a postavu održavaju praktičnom za laboratorijsko, tehnološko-centralno i pilot okruženje.

Ultrazvučna eksfolijacija grafena

Klasteri UIP6000hdT i UIP16000hdT za proizvodnju velike propusnosti

Za proizvodnju nanoojačanih cementnih aditiva, nanodisperzija ili visokoučinkovitih komponenti maltera u komercijalnoj skali, Hielscher industrijski ultrazvučni uređaji kao što su UIP6000hdT i UIP16000hdT mogu se konfigurirati u klastere za kontinuiranu obradu velike propusnosti.
Klasteri jedinica UIP6000hdT ili UIP16000hdT omogućavaju proizvođačima da povećaju kapacitet obrade uz održavanje kontroliranog unosa ultrazvučne energije. Ovaj modularni pristup posebno je koristan kada obim proizvodnje raste od pilot skale do pune proizvodne skale.

Industrijske konfiguracije podržavaju:

• Kontinuiranu inline disperziju grafena, CNT-a i nanoaditiva.
• Obradu velike propusnosti glavnih disperzija nanomaterijala.
• Integraciju u linije za proizvodnju cementnih aditiva ili suhih mješavina maltera.
• Paralelni rad ultrazvučnih reaktora radi povećanog kapaciteta.
• Robusna proizvodna okruženja 24/7.
• Kontrolu i nadzor procesa za dosljedan kvalitet proizvoda.

Hielscher industrijski sistemi predviđeni su za zahtjevan kontinuirani rad, a jedinice velike snage dostupne su do 16 kW po uređaju.

Literatura / reference

• 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.