Nanovyztužené cementové malty s ultrazvukovou dispergací

Ultrazvuková sonikace zlepšuje dispergaci, exfoliaci a deaglomeraci grafenu, CNT a nanomateriálů v cementových pastách a maltách. Sonikátory Hielscher umožňují vývoj vysoce výkonných cementových receptur od výzkumu a vývoje až po průmyslovou výrobu.

Nanovyztužené cementové malty – lepší dispergace a deaglomerace pomocí sonikace

Nanovyztužené cementové malty a cementové pasty nabízejí účinnou cestu k vysoce výkonným stavebním materiálům. Začleněním nanomateriálů, jako je grafen, oxid grafenu, uhlíkové nanotrubice (CNT), nanosilika, nanojíly nebo jiná funkční plniva, lze cementové materiály navrhnout tak, aby vykazovaly vyšší mechanickou pevnost, lepší odolnost proti trhlinám, trvanlivost, elektrickou vodivost, sníženou propustnost a lepší dlouhodobé vlastnosti.
Problém: Plného potenciálu nanomateriálů v cementových systémech se dosáhne pouze tehdy, jsou-li částice rovnoměrně dispergovány. Grafenové vrstvy, svazky CNT a další nanoaditiva mají v důsledku silných van der Waalsových sil, vysoké povrchové energie a vzájemného zaplétání sklon tvořit aglomeráty. Konvenční míchání, míchání rotor-stator nebo prosté mísení prášků tyto aglomeráty často nedokáže dostatečně rozrušit. Výsledkem je špatná distribuce, slabá místa v matrici malty, neefektivní využití drahých nanomateriálů a nekonzistentní vlastnosti materiálu.
Řešení: Ultrazvukové přístroje Hielscher sondového typu poskytují účinné, škálovatelné a průmyslově osvědčené řešení pro dispergaci, exfoliaci, deaglomeraci a funkční vzájemné propojování nanomateriálů v cementových pastách, maltových recepturách a prekurzorových suspenzích. Hielscher vyvíjí a vyrábí ultrazvukové procesory pro zpracování kapalin od laboratorních studií proveditelnosti až po průmyslovou kontinuální výrobu, s portfoliem navrženým pro převod do většího měřítka od kompaktních laboratorních systémů až po vysoce výkonná průmyslová zařízení.

Proč je dispergace nanomateriálů v cementových maltách důležitá

Nanomateriály mohou výrazně zlepšit cementové kompozity, protože s cementovou matricí interagují ve velmi malém délkovém měřítku. Správně dispergovaný grafen, CNT a další nanoplniva mohou působit jako nukleační centra, přemosťovat mikrotrhliny, zjemňovat pórovou strukturu a zlepšovat přenos zatížení v zatvrdlé matrici.
V praxi závisí výsledné vlastnosti méně na nominálním množství přidaného nanomateriálu a více na kvalitě disperze. Malé množství dobře dispergovaného grafenu nebo CNT může překonat větší množství špatně dispergovaného materiálu. Aglomeráty se chovají spíše jako defekty než jako výztuž. Snižují zpracovatelnost, vytvářejí koncentrace napětí a omezují efektivní povrch aditiva.
Ultrazvuková dispergace řeší tuto klíčovou výzvu při vývoji receptur. Vysoce intenzivní ultrazvuk prostřednictvím akustické kavitace vyvolává silné lokální smykové síly, mikromíchání, rázové vlny a kapalinové mikroproudy. Tyto účinky oddělují svazky nanomateriálů, smáčejí povrchy částic a rovnoměrně je distribuují v celé kapalné fázi dříve, než jsou zapracovány do cementového prášku, pasty nebo malty.

Ultrazvuková deaglomerace grafenu, CNT a nanoaditiv

Grafenové nanodestičky, oxid grafenu, redukovaný oxid grafenu a uhlíkové nanotrubice jsou mimořádně atraktivní pro pokročilé cementové materiály. Mohou přispívat k pevnosti v tahu, pevnosti v ohybu, lomové houževnatosti, elektrické vodivosti, tepelnému chování a trvanlivosti. Zároveň patří k nejobtížněji dispergovatelným aditivům.
Ultrazvuková kavitace pomáhá překonat přitažlivé síly mezi strukturami v nanoměřítku. V sonikované kapalině vytvářejí kolabující kavitační bubliny intenzivní lokální vstup energie. To může rozbít shluky částic, oddělit svazky CNT, exfoliovat vrstevnaté materiály a zlepšit distribuci nanoplniv.

Mezi klíčové ultrazvukové účinky při výrobě nanovyztužených malt patří:

• Deaglomerace: Rozrušování shluků grafenu, CNT, nanosiliky nebo hybridních aditiv na menší částice s rovnoměrnější distribucí.
• Dispergace: Homogenní distribuce nanomateriálů ve vodě, roztocích plastifikátorů, směsích přísad nebo cementových suspenzích.
• Exfoliace: Oddělování vrstevnatých materiálů, jako je grafit, grafenové nanodestičky nebo jíly, na tenčí vrstvy s větším aktivním povrchem.
• Smáčení a aktivace: Zlepšení kontaktu kapaliny s povrchy nanomateriálů pro lepší interakci s hydráty cementu a přísadami.
• Propojování a tvorba sítí: Podpora tvorby distribuovaných sítí CNT nebo grafenu, které mohou zlepšit přemosťování trhlin, vodivost a strukturní funkčnost.
• Reprodukovatelnost: Vytváření řízených procesních podmínek pro konzistentní receptury od laboratorních zkoušek až po výrobní měřítko.

Výhody ultrazvukové dispergace v cementových pastách a maltách

Ekonomický a technický přínos sonikace je obzvláště výrazný při výrobě vysoce výkonného cementu. Nanomateriály jsou často drahé a jejich přínos závisí na jejich efektivním využití. Když sonikace zlepší kvalitu disperze, mohou vývojáři receptur často omezit předávkování, zvýšit reprodukovatelnost a dosáhnout vyššího výkonu na kilogram aditiva.

Výrobcům pokročilých malt, sanačních materiálů, prefabrikovaných dílců, cementových materiálů pro 3D tisk nebo speciální stavební chemie může ultrazvukové zpracování přinést:

• Vyšší pevnost v tlaku, ohybu a tahu díky lepší distribuci nanoplniv.
• Lepší odolnost proti trhlinám a houževnatost díky účinnějšímu mikrovyztužení.
• Sníženou propustnost a lepší trvanlivost díky zjemnění pórové struktury.
• Konzistentnější kvalitu materiálu mezi jednotlivými šaržemi.
• Lepší využití drahého grafenu, CNT a dalších nanoaditiv.
• Rychlejší screening receptur a optimalizaci procesu.
• Škálovatelnou výrobu od laboratorního vývoje až po kontinuální průmyslové zpracování.
• Lepší kontrolu procesních parametrů, jako je amplituda, vstup energie, průtok, teplota a doba zdržení.

Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou navrženy pro měřitelný a reprodukovatelný přenos energie do kapalin, suspenzí a kašovitých směsí. Stejný základní mechanismus sonikace lze využít napříč výkonovými třídami, což zákazníkům umožňuje vyvinout procesní parametry v malém měřítku a poté je přenést na větší stolní, pilotní nebo průmyslové systémy.

Infračervené termogramy nanomodifikované cementové pasty vyztužené (a) CNT a (b) GNP. CNT a grafen byly dispergovány sonikátorem UP400S.
Studie a grafy: ©Farmaki et al., 2025

Sonikace před přidáním cementu: preferovaný postup

U mnoha nanovyztužených cementových receptur je nejúčinnějším přístupem nejprve dispergovat nanomateriál v kapalné fázi. Může jít o vodu, roztok superplastifikátoru, disperzní činidlo obsahující tenzid, polymerní přísadu, silikasol nebo jinou kapalnou složku maltové receptury.
Typický postup ultrazvukového procesu je následující:

1. Přidejte grafen, CNT nebo jiné nanomateriály do kapalné fáze.
2. Předem smočte prášek nebo nanoplnivo za mírného míchání.
3. Aplikujte vysoce intenzivní sonikaci k deaglomeraci a dispergaci materiálu.
4. V případě potřeby regulujte teplotu.
5. Přidejte sonikovanou nanodisperzi k cementu, písku a dalším složkám malty.
6. Míchejte až do dosažení konečné konzistence pasty nebo malty.

Tento postup umožňuje lepší kontrolu než suché mísení nanočástic do cementového prášku. Zároveň zvyšuje pravděpodobnost, že nanomateriály budou již před začátkem hydratace a tuhnutí oddělené, smočené a rovnoměrně distribuované.

Ekonomické přínosy pro výrobu vysoce výkonného cementu

Nanoaditiva mohou být nákladná a jejich použití musí být odůvodněno měřitelným zlepšením vlastností. Špatná disperze znamená plýtvání materiálem. Aglomerovaný grafen nebo CNT zvyšují náklady na recepturu, aniž by poskytly očekávané vyztužení. Naproti tomu ultrazvuková dispergace zlepšuje efektivní využití nanomateriálů.
Mezi ekonomické přínosy patří:

• Menší ztráty aditiv: Větší část nanomateriálu přispívá k výsledným vlastnostem, místo aby zůstala uzavřena v aglomerátech.
• Nižší riziko při vývoji receptur: Konzistentní disperze snižuje počet nevyhovujících šarží a nestabilních výsledků zkoušek.
• Rychlejší cykly výzkumu a vývoje: Receptury lze prověřovat s řízenými parametry sonikace.
• Lepší převod do většího měřítka: Procesní parametry lze přenést ze studií proveditelnosti na průmyslová zařízení.
• Produkty s vyšší přidanou hodnotou: Pevnější, trvanlivější a funkční malty umožňují prémiové aplikace.
• Potenciál kontinuální výroby: Inline sonikace umožňuje vysokokapacitní zpracování pro komerční výrobu.

Pro výrobce není klíčovým přínosem pouze lepší kvalita disperze. Je jím schopnost převést nanovyztužený cement z laboratorního konceptu na řízený, škálovatelný výrobní proces.

Od laboratorní receptury k průmyslové výrobě cementu

Hlavní výhodou ultrazvukové technologie Hielscher je praktická cesta k převodu do většího měřítka. Nanovyztužené cementové receptury lze vyvinout ve stolním měřítku a poté přenést na větší systémy beze změny základního principu zpracování. Místo toho, aby výrobci pro výrobu vyvíjeli proces dispergace znovu od začátku, mohou škálovat ultrazvukový výkon, geometrii průtokové cely, dobu zdržení a konfiguraci reaktoru.
To snižuje technické riziko. Zároveň se tím zkracuje cesta od úspěšných vzorků malty ke komerčním vysoce výkonným cementovým produktům.

Typický postup převodu do většího měřítka zahrnuje:

1. Definujte cílové vlastnosti malty a systém nanomateriálu.
2. Proveďte screening grafenu, CNT, nanosiliky nebo hybridních aditiv.
3. Stanovte potřebnou intenzitu sonikace a vstup energie.
4. Optimalizujte disperzní média, přísady a regulaci teploty.
5. Vyrobte zkušební šarže se systémy UIP1000hdT nebo UIP2000hdT.
6. Ověřte vlastnosti malty, jako je pevnost, zpracovatelnost a trvanlivost.
7. Přeneste proces pro výrobu na klastry UIP6000hdT nebo UIP16000hdT.
8. Integrujte inline sonikaci do kontinuální výroby.

Vysoce výkonný cement vyžaduje vysoce kvalitní disperzi

Budoucnost cementářské technologie nespočívá pouze v nové chemii pojiv. Závisí také na lepší kontrole mikrostruktury, funkčních aditiv a zpracování. Nanomateriály, jako je grafen a CNT, mohou pomoci vyrábět pevnější, houževnatější, chytřejší a trvanlivější cementové materiály. To však vyžaduje spolehlivou dispergaci.
Ultrazvukové přístroje Hielscher poskytují výrobcům cementu, výrobcům stavební chemie a výzkumným institucím škálovatelný nástroj pro zpracování nanoaditiv. Od rané fáze vývoje receptury až po vysokokapacitní inline výrobu zlepšuje sonikace dispergaci, 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.

Následující tabulka vám poskytne přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů:

Sonikátory Hielscher pro výzkum, studie proveditelnosti a výrobu

Hielscher nabízí ultrazvukové procesory v laboratorních, stolních, pilotních a průmyslových výkonových třídách. To je pro vývojáře cementů a malt zásadní, protože nanovyztužené receptury musí často projít několika fázemi: počátečním screeningem materiálů, vývojem parametrů dispergace, zkoušením malt, pilotními šaržemi a průmyslovou výrobou.
Portfolio společnosti Hielscher je postaveno na škálovatelném ultrazvukovém zpracování se systémy pro laboratorní vývoj, pilotní a stolní testování, náročný průmyslový provoz a kontinuální inline výrobu s využitím průtokových cel a reaktorů.

UIP1000hdT a UIP2000hdT pro stolní výzkum a studie proveditelnosti

UIP1000hdT a UIP2000hdT jsou výkonné stolní ultrazvukové procesory pro vývoj receptur, studie proveditelnosti a zpracování ve středním měřítku. Jsou velmi vhodné pro vývoj nanovyztužených cementových receptur, u nichž výzkumníci potřebují testovat typ nanomateriálu, koncentraci, chemii disperzního činidla, intenzitu sonikace, dobu zpracování a regulaci teploty.

Tyto systémy jsou ideální pro:

• Dispergaci grafenu a CNT ve vodě nebo v roztocích přísad.
• Studie proveditelnosti nanovyztužených cementových past.
• Optimalizaci vstupu energie při sonikaci.
• Přípravu reprodukovatelných zkušebních šarží.
• Vývoj vysoce výkonných maltových receptur.
• Kontinuální zpracování v malém měřítku s využitím průtokových cel.
• Ověření převodu do většího měřítka před průmyslovou výrobou.

Pro týmy výzkumu a vývoje poskytují UIP1000hdT a UIP2000hdT intenzitu procesu potřebnou pro náročné nanomateriály, přičemž uspořádání zůstává praktické pro laboratoře, technická centra a pilotní provozy.

Ultrazvuková exfoliace grafenu

Klastry UIP6000hdT a UIP16000hdT pro vysokokapacitní výrobu

Pro výrobu nanovyztužených cementových aditiv, nanodisperzí nebo vysoce výkonných maltových komponent v komerčním měřítku lze průmyslové ultrazvukové přístroje Hielscher, jako jsou UIP6000hdT a UIP16000hdT, konfigurovat do klastrů pro vysokokapacitní kontinuální zpracování.
Klastry jednotek UIP6000hdT nebo UIP16000hdT umožňují výrobcům zvýšit zpracovatelskou kapacitu při zachování řízeného vstupu ultrazvukové energie. Tento modulární přístup je obzvláště užitečný, když objemy výroby rostou z pilotního měřítka na plnohodnotnou výrobu.

Průmyslové konfigurace podporují:

• Kontinuální inline dispergaci grafenu, CNT a nanoaditiv.
• Vysokokapacitní zpracování kmenových disperzí nanomateriálů.
• Integraci do výrobních linek cementových přísad nebo suchých maltových směsí.
• Paralelní provoz ultrazvukových reaktorů pro zvýšení kapacity.
• Robustní výrobní prostředí v režimu 24/7.
• Řízení a monitorování procesu pro konzistentní kvalitu produktu.

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

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.