Nano-vyztužené cementové malty s ultrazvukovou disperzí

Ultrazvuková sonikace zlepšuje disperzi, exfoliaci a deagglomeraci grafenu, uhlíkových nanotrubiček (CNT) a nanomateriálů v cementových pastách a maltách. Sonikátory Hielscher umožňují vysoce výkonné formulování cementu od R&D k průmyslové výrobě.

Cementové malty vyztužené nanomateriály – Lepší disperze a deaglomerace pomocí ultrazvuku

Cementové malty a cementové pasty vyztužené nanomateriály představují slibnou cestu k výkonným stavebním materiálům. Díky přidání nanomateriálů, jako je grafen, oxid grafenu, uhlíkové nanotrubice (CNT), nano-křemík, nano-jíly nebo jiná funkční plniva, lze cementové materiály upravit tak, aby vykazovaly vyšší mechanickou pevnost, odolnost proti praskání, trvanlivost, elektrickou vodivost, sníženou propustnost a lepší dlouhodobé vlastnosti.
Problém: Plný potenciál nanomateriálů v cementových systémech se projeví pouze tehdy, jsou-li částice rovnoměrně rozptýleny. Grafenové vrstvy, svazky uhlíkových nanotrubiček (CNT) a další nanoaditiva mají tendenci tvořit aglomeráty v důsledku silných van der Waalsových sil, vysoké povrchové energie a vzájemného propletení. Běžné míchání, míchání pomocí rotoru a statoru nebo jednoduché smíchání prášků často nedokáže tyto aglomeráty dostatečně rozbít. Výsledkem je špatné rozložení, slabá místa v matrici malty, neefektivní využití drahých nanomateriálů a nejednotné vlastnosti materiálu.
Řešení: Ultrazvukové přístroje typu sondy od společnosti Hielscher představují efektivní, škálovatelné a v průmyslu osvědčené řešení pro disperzi, exfoliaci, deaglomeraci a funkční propletení nanomateriálů v cementových pastách, maltových směsích a suspenzích prekurzorů. Společnost Hielscher vyvíjí a vyrábí ultrazvukové procesory pro zpracování kapalin, a to od laboratorních studií proveditelnosti až po průmyslovou kontinuální výrobu, s portfoliem navrženým pro škálování od kompaktních laboratorních systémů až po vysoce výkonná průmyslová zařízení.

Proč je disperze nanomateriálů v cementových maltách důležitá

Nanomateriály mohou výrazně zlepšit vlastnosti cementových kompozitů, protože na velmi malém délkovém měřítku interagují s cementovou matricí. Správně rozptýlený grafen, uhlíkové nanotrubice (CNT) a další nanoplníiva mohou působit jako místa nukleace, překlenovat mikrotrhliny, zjemňovat pórovitou strukturu a zlepšovat přenos zatížení uvnitř ztvrdlé matrice.
V praxi závisí vlastnosti méně na nominálním množství přidaného nanomateriálu a více na kvalitě disperze. Malé množství dobře dispergovaného grafenu nebo uhlíkových nanotrubiček (CNT) může dosáhnout lepších výsledků než větší množství špatně dispergovaného materiálu. Aglomeráty se chovají spíše jako vady než jako výztuž. Snižují zpracovatelnost, vytvářejí koncentrace napětí a omezují efektivní povrchovou plochu přísady.
Ultrazvuková disperze řeší tento klíčový problém při přípravě směsí. Vysoce intenzivní ultrazvuk prostřednictvím akustické kavitace vyvolává silné lokální smykové síly, mikromíchání, rázové vlny a mikroproudy kapaliny. Tyto jevy rozptylují shluky nanomateriálů, smáčejí povrchy částic a rovnoměrně je rozptylují v kapalné fázi ještě předtím, než jsou zapracovány do cementového prášku, pasty nebo malty.

Ultrazvuková deaglomerace grafenu, uhlíkových nanotrubiček a nanoaditiv

Nanodesky z grafenu, oxid grafenu, redukovaný oxid grafenu a uhlíkové nanotrubice jsou obzvláště zajímavé pro pokročilé cementové materiály. Mohou přispívat k pevnosti v tahu, pevnosti v ohybu, lomové houževnatosti, elektrické vodivosti, tepelným vlastnostem a trvanlivosti. Zároveň patří mezi přísady, které se nejhůře dispergují.
Ultrazvuková kavitace pomáhá překonat přitažlivé síly mezi strukturami v nanoměřítku. V kapalině vystavené ultrazvuku dochází při kolapsu kavitačních bublin k intenzivnímu lokálnímu přísunu energie. To může rozbít shluky částic, oddělit svazky uhlíkových nanotrubiček (CNT), exfoliovat vrstevnaté materiály a zlepšit distribuci nanoplnív.

Mezi klíčové ultrazvukové jevy při výrobě nano-vyztužených malt patří:

• Deaglomerace: Rozdrobnění shluků grafenu, uhlíkových nanotrubiček, nano-křemíku nebo hybridních přísad na menší částice s rovnoměrnějším rozložením.
• Disperze: Rovnoměrné rozptýlení nanomateriálů ve vodě, v roztocích změkčovadel, v přísadových směsích nebo v cementových kaších.
• Peeling: Rozdělení vrstevnatých materiálů, jako je grafit, grafenové nanoplatelety nebo jíly, na tenčí vrstvy s větším aktivním povrchem.
• Smáčení a aktivace: Zlepšení kontaktu kapaliny s povrchy nanomateriálů za účelem lepší interakce s cementovými hydráty a přísadami.
• Propletení a tvorba sítí: Podpora tvorby rozptýlených sítí z uhlíkových nanotrubiček (CNT) nebo grafenu, které mohou zlepšit překlenování trhlin, vodivost a strukturální funkčnost.
• Reprodukovatelnost: Vytváření kontrolovaných procesních podmínek pro zajištění konzistentních složení od laboratorních pokusů až po výrobní měřítko.

Výhody ultrazvukové disperze v cementových pastách a maltách

Ekonomický a technický přínos ultrazvukové úpravy je obzvláště výrazný při výrobě vysoce výkonných cementů. Nanomateriály jsou často drahé a jejich přínos závisí na jejich efektivním využití. Pokud ultrazvuková úprava zlepší kvalitu disperze, mohou vývojáři receptur často snížit nadměrné dávkování, zvýšit reprodukovatelnost a dosáhnout vyššího výkonu na kilogram přísady.

Pro výrobce moderních malt, opravných materiálů, prefabrikovaných prvků, cementových materiálů vhodných pro 3D tisk nebo speciálních stavebních chemikálií může ultrazvukové zpracování přispět k:

• Vyšší pevnost v tlaku, ohybu a tahu díky lepšímu rozložení nanoplnív.
• Lepší odolnost proti praskání a vyšší houževnatost díky účinnějšímu mikrovýztužení.
• Snížená propustnost a zvýšená trvanlivost díky zdokonalení struktury pórů.
• Konzistentnější kvalita materiálu v jednotlivých šaržích.
• Lepší využití nákladného grafenu, uhlíkových nanotrubiček a dalších nanoaditiv.
• Rychlejší screening receptur a optimalizace procesů.
• Škálovatelná výroba od laboratorního vývoje až po nepřetržitý průmyslový proces.
• Lepší kontrola procesních parametrů, jako jsou amplituda, příkon energie, průtok, teplota a doba zdržení.

Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou navrženy pro měřitelný a reprodukovatelný přenos energie do kapalin, suspenzí a kalů. Stejný základní mechanismus sonikace lze použít napříč všemi výkonovými třídami, což zákazníkům umožňuje vyvinout procesní parametry v malém měřítku a následně je převést do větších stolních, pilotních či průmyslových systémů.

Infračervené termogramy nanomodifikované cementové pasty vyztužené (a) uhlíkovými nanotrubicemi (CNT) a (b) grafenovými nanočásticemi (GNP). Uhlíkové nanotrubice a grafen byly dispergovány pomocí ultrazvukového rozptylovače UP400S.
Studie a grafy: ©Farmaki a kol., 2025

Ultrazvuková úprava před přidáním cementu: preferovaný postup

U mnoha receptur cementových směsí vyztužených nanomateriály je nejúčinnějším postupem nejprve rozptýlit nanomateriál v kapalné fázi. Tou může být voda, roztok superplastifikátoru, dispergační prostředek obsahující povrchově aktivní látky, polymerní přísada, sol křemičitý nebo jiná kapalná složka receptury malty.
Typický postup při zpracování pomocí ultrazvuku je následující:

1. Do kapalné fáze přidejte grafen, uhlíkové nanotrubice (CNT) nebo jiné nanomateriály.
2. Prášek nebo nanoplnivo předem navlhčete za mírného míchání.
3. K rozrušení shluků a dispergaci materiálu použijte ultrazvuk s vysokou intenzitou.
4. V případě potřeby regulujte teplotu.
5. Nanodisperzi připravenou ultrazvukem přidejte do cementu, písku a dalších složek malty.
6. Smíchejte do konečné konzistence pasty nebo malty.

Tento postup umožňuje lepší kontrolu než suché míchání nanočástic do cementového prášku. Zvyšuje také pravděpodobnost, že budou nanomateriály již před zahájením hydratace a tuhnutí odděleny, smáčeny a rovnoměrně rozptýleny.

Ekonomické výhody výroby vysoce výkonného cementu

Nanoprísady mohou být nákladné a jejich použití musí být odůvodněno měřitelným zvýšením výkonu. Špatná disperze vede k plýtvání materiálem. Aglomerovaný grafen nebo uhlíkové nanotrubice zvyšují náklady na recepturu, aniž by přinesly očekávané zpevnění. Naproti tomu ultrazvuková disperze zlepšuje efektivní využití nanomateriálů.
Mezi ekonomické přínosy patří:

• Snížení množství odpadu z přísad: Větší množství nanomateriálu přispívá k výkonu, místo aby zůstávalo uzavřeno v aglomerátech.
• Snížené riziko spojené se složením: Díky rovnoměrnému rozptýlení se snižuje počet vadných šarží a nestabilních výsledků testů.
• Rychlejší R&D cyklů: Přípravky lze testovat za použití řízených parametrů ultrazvukového ozařování.
• Vylepšené škálování: Parametry procesu lze převést z předběžných testů do průmyslových zařízení.
• Produkty vyšší hodnoty: Silnější, odolnější a funkčnější malty jsou ideální pro náročné aplikace.
• Potenciál nepřetržité výroby: Inline sonikace umožňuje zpracování s vysokou kapacitou pro komerční výrobu.

Pro výrobce není klíčovou hodnotou pouze lepší kvalita disperze. Je to schopnost přeměnit nano-vyztužený cement z laboratorního konceptu na řízený a škálovatelný výrobní proces.

Od laboratorního vývoje receptury až po průmyslovou výrobu cementu

Hlavní výhodou ultrazvukové technologie společnosti Hielscher je praktická možnost škálování. Receptury cementu vyztuženého nanomateriály lze vyvinout v laboratorním měřítku a následně je převést do větších systémů, aniž by došlo ke změně základního principu zpracování. Místo toho, aby výrobci pro sériovou výrobu museli znovu vymýšlet proces dispergace, mohou upravit výkon ultrazvuku, geometrii průtokové komory, dobu zdržení a konfiguraci reaktoru.
Tím se snižuje technické riziko. Zároveň se tím zkracuje cesta od úspěšných vzorků malty k komerčním vysoce výkonným cementovým výrobkům.

Typický pracovní postup při škálování zahrnuje:

1. Stanovte požadované vlastnosti malty a systém nanomateriálů.
2. Prosévejte grafen, uhlíkové nanotrubice, nano-křemík nebo hybridní přísady.
3. Určete požadovanou intenzitu sonikace a příkon energie.
4. Optimalizujte disperzní média, přísady a regulaci teploty.
5. Vyrobte zkušební šarže pomocí systémů UIP1000hdT nebo UIP2000hdT.
6. Ověřte vlastnosti malty, jako je pevnost, zpracovatelnost a trvanlivost.
7. Přeneste tento proces do klastrů UIP6000hdT nebo UIP16000hdT pro produkční provoz.
8. Začlenit inline sonikaci do kontinuálního výrobního procesu.

Vysoce výkonný cement vyžaduje vysoce kvalitní disperzi

Budoucnost cementářské technologie nespočívá pouze v nové chemii pojiv. Závisí také na lepším řízení mikrostruktury, funkčních přísadách a způsobu zpracování. Nanomateriály, jako je grafen a uhlíkové nanotrubice (CNT), mohou přispět k výrobě pevnějších, houževnatějších, „chytřejších“ a odolnějších cementových materiálů. To však vyžaduje spolehlivou disperzi.
Ultrazvukové přístroje společnosti Hielscher poskytují výrobcům cementu, výrobcům stavební chemie a výzkumným ústavům škálovatelný nástroj pro zpracování nanoaditiv. Od raných fází vývoje receptury až po vysokokapacitní inline výrobu zlepšuje sonikace disperzi, exfoliaci, deaglomeraci a funkční strukturování nanomateriálů v cementových pastách a maltách.
Pro výrobu vysoce výkonného cementu nabízí ultrazvukové zpracování jasnou výhodu: lepší vlastnosti materiálu, efektivnější využití drahých nanoaditiv a přímou cestu od laboratorního úspěchu k průmyslové výrobě.

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:

Ultrazvukové přístroje Hielscher pro výzkum, testování proveditelnosti a výrobu

Společnost Hielscher nabízí ultrazvukové procesory v různých výkonových třídách – od laboratorních a stolních modelů až po pilotní a průmyslová zařízení. To je pro vývojáře cementů a malt zásadní, protože nano-vyztužené receptury musí často projít několika fázemi: počátečním výběrem surovin, vývojem parametrů disperze, testováním malt, pilotními šaržemi a průmyslovou výrobou.
Portfolio společnosti Hielscher je založeno na škálovatelném ultrazvukovém zpracování a zahrnuje systémy pro laboratorní vývoj, pilotní a stolní testování, náročný průmyslový provoz i kontinuální inline výrobu s využitím průtokových komor a reaktorů.

UIP1000hdT a UIP2000hdT pro laboratorní výzkum a testování proveditelnosti

Modely UIP1000hdT a UIP2000hdT jsou výkonné stolní ultrazvukové procesory určené pro vývoj receptur, studie proveditelnosti a zpracování ve středním měřítku. Jsou ideální pro vývoj receptur cementu s nanomateriálovým plněním, při kterém výzkumníci potřebují testovat typ nanomateriálu, jeho koncentraci, chemické složení dispergačních činidel, intenzitu sonikace, dobu zpracování a regulaci teploty.

Tyto systémy jsou ideální pro:

• Disperze grafenu a uhlíkových nanotrubiček ve vodě nebo ve směsných roztocích.
• Testování proveditelnosti nano-vyztužených cementových past.
• Optimalizace příkonu ultrazvukové energie.
• Příprava reprodukovatelných zkušebních šarží.
• Vývoj receptur vysoce výkonných malt.
• Kontinuální zpracování v malém měřítku s využitím průtokových cel.
• Validace při zvětšování měřítka před zahájením průmyslové výroby.

pro R&Modely řady D, UIP1000hdT a UIP2000hdT, zajišťují intenzitu zpracování potřebnou pro náročné nanomateriály a zároveň zůstávají praktickým řešením pro laboratoře, technická centra i pilotní provozy.

Ultrazvuková exfoliace grafenu

Klastry UIP6000hdT a UIP16000hdT pro vysoce výkonnou výrobu

Pro komerční výrobu nano-vyztužených cementových přísad, nanodisperzí nebo vysoce výkonných složek malt lze průmyslové ultrazvukové přístroje společnosti Hielscher, jako jsou modely UIP6000hdT a UIP16000hdT, sestavit do klastrů pro kontinuální zpracování s vysokou průchodností.
Seskupení jednotek UIP6000hdT nebo UIP16000hdT umožňuje výrobcům zvýšit zpracovatelskou kapacitu při zachování kontrolovaného příkonu ultrazvukové energie. Tento modulární přístup je obzvláště užitečný při přechodu z pilotního provozu na sériovou výrobu.

Podpora průmyslových konfigurací:

• Kontinuální inline disperze grafenu, uhlíkových nanotrubiček a nanoaditiv.
• Zpracování vzorových disperzí nanomateriálů s vysokou průchodností.
• Začlenění do výrobních linek na výrobu přísad do cementu nebo suchých maltových směsí.
• Paralelní provoz ultrazvukových reaktorů pro zvýšení kapacity.
• Robustní výrobní prostředí v nepřetržitém provozu.
• Řízení a monitorování procesů pro zajištění stálé kvality výrobků.

Průmyslové systémy společnosti Hielscher jsou určeny pro náročný nepřetržitý provoz a k dispozici jsou vysoce výkonné jednotky s výkonem až 16 kW na jedno zařízení.

Literatura / Reference