Nanoforstærkede cementmørtler med ultralydsdispersion

Ultralydsbehandling forbedrer spredningen, eksfolieringen og deagglomereringen af grafen, CNT’er og nanomaterialer i cementpastaer og mørtel. Hielschers ultralydsapparater muliggør udvikling af højtydende cementformuleringer fra R&D til industriproduktionen.

Nanoforstærkede cementmørtler – Bedre spredning og deagglomerering ved hjælp af ultralydsbehandling

Nanoforstærkede cementmørtler og cementpastaer udgør en lovende vej mod højtydende byggematerialer. Ved at inkorporere nanomaterialer såsom grafen, grafenoxid, kulstofnanorør (CNT'er), nanosilica, nano-ler eller andre funktionelle fyldstoffer kan cementbaserede materialer udvikles med henblik på forbedret mekanisk styrke, revnebestandighed, holdbarhed, elektrisk ledningsevne, reduceret permeabilitet og forbedret langtidseffektivitet.
Problemet: Nanomaterialers fulde potentiale i cementsystemer udnyttes først fuldt ud, når partiklerne er jævnt fordelt. Grafenlag, CNT-bundter og andre nanoadditiver har en tendens til at danne agglomerater på grund af stærke van der Waals-kræfter, høj overfladeenergi og sammenfiltring. Konventionel omrøring, rotor-stator-blanding eller simpel pulverblanding formår ofte ikke at bryde disse agglomerater tilstrækkeligt. Resultatet er dårlig fordeling, svage punkter i mørtelmatricen, ineffektiv udnyttelse af dyre nanomaterialer og uensartede materialeegenskaber.
Løsningen: Hielschers ultralydsapparater af sondetypen udgør en effektiv, skalerbar og industrielt gennemprøvet løsning til dispersion, eksfoliering, deagglomerering og funktionel sammenfletning af nanomaterialer i cementpastaer, mørtelblandinger og forløbersuspensioner. Hielscher udvikler og fremstiller ultralydsprocessorer til væskebehandling, lige fra laboratorieforsøg til industriel kontinuerlig produktion, med et produktsortiment designet til opskalering fra kompakte laboratoriesystemer til højtydende industrielt udstyr.

Hvorfor spredningen af nanomaterialer er vigtig i cementmørtel

Nanomaterialer kan forbedre cementbaserede kompositter betydeligt, da de interagerer med cementmatricen på et meget lille længdeskala. Korrekt dispergeret grafen, CNT’er og andre nanofyldstoffer kan fungere som kernedannelsessteder, bygge bro over mikrorevner, forfine porestrukturer og forbedre belastningsoverførslen inden for den hærdede matrix.
I praksis afhænger ydeevnen mindre af den nominelle mængde tilsat nanomateriale og mere af dispersionskvaliteten. En lille mængde godt dispergeret grafen eller CNT'er kan give bedre resultater end en større mængde dårligt dispergeret materiale. Agglomerater fungerer snarere som defekter end som forstærkning. De nedsætter bearbejdeligheden, skaber spændingskoncentrationer og begrænser additivets effektive overfladeareal.
Ultralydsdispersion løser denne centrale udfordring i forbindelse med formuleringen. Ultralyd med høj intensitet frembringer stærke, lokaliserede forskydningskræfter, mikroblanding, chokbølger og mikrostråler af væske gennem akustisk kavitation. Disse effekter adskiller sammenklumpede nanomaterialer, befugter partiklernes overflader og fordeler dem jævnt i væskefasen, inden de blandes ind i cementpulver, cementpasta eller mørtel.

Ultralydsbaseret deagglomerering af grafen, kulstofnanorør og nanoadditiver

Grafen-nanoplader, grafenoxid, reduceret grafenoxid og kulstofnanorør er særligt interessante til avancerede cementbaserede materialer. De kan bidrage til trækstyrke, bøjningsstyrke, brudsejhed, elektrisk ledningsevne, termiske egenskaber og holdbarhed. Samtidig hører de til blandt de tilsætningsstoffer, der er sværest at dispergere.
Ultralydskavitation bidrager til at overvinde tiltrækningskræfterne mellem strukturer i nanoskala. I en væske, der udsættes for ultralyd, genererer kollapsende kavitationsbobler en intens lokal energitilførsel. Dette kan opløse partikelklynger, adskille CNT-bundter, eksfoliere lagdelte materialer og forbedre fordelingen af nanofyldstoffer.

De vigtigste ultralydseffekter ved fremstilling af nanoforstærket mørtel omfatter:

• Deagglomeration: Opdeling af klynger af grafen, kulstofnanorør, nanosilica eller hybridtilsætningsstoffer i mindre, mere ensartede partikelfordelinger.
• Dispersion: Homogen fordeling af nanomaterialer i vand, blødgøreropløsninger, tilsætningsblandinger eller cementbaserede opslæmninger.
• Hudpeeling: Opdeling af lagdelte materialer såsom grafit, grafen-nanoplader eller lerarter i tyndere lag med et større aktivt overfladeareal.
• Fugtning og aktivering: Forbedring af væskekontakten med overflader af nanomaterialer for at opnå bedre interaktion med cementhydrater og tilsætningsstoffer.
• Sammenfiltring og netværksdannelse: Fremmer dannelsen af distribuerede CNT- eller grafen-netværk, der kan forbedre revneoverbroen, ledningsevnen og den strukturelle funktionalitet.
• Reproducerbarhed: Skabelse af kontrollerede procesbetingelser for ensartede formuleringer fra laboratorieforsøg til produktionsskala.

Fordelene ved ultralydsdispersion i cementpastaer og mørtel

Den økonomiske og tekniske værdi af ultralydsbehandling er særlig stor inden for produktion af højtydende cement. Nanomaterialer er ofte dyre, og deres fordele afhænger af, at de anvendes effektivt. Når ultralydsbehandling forbedrer dispersionskvaliteten, kan produktudviklere ofte reducere overdosering, øge reproducerbarheden og opnå bedre ydeevne pr. kilogram tilsætningsstof.

For producenter af avancerede mørtler, reparationsmaterialer, præfabrikerede komponenter, 3D-printbare cementbaserede materialer eller specialkemikalier til byggebranchen kan ultralydsbehandling bidrage til:

• Bedre ydeevne med hensyn til tryk-, bøjnings- og trækstyrke takket være en forbedret fordeling af nanofyldstoffer.
• Bedre brudmodstand og sejhed takket være en mere effektiv mikroforsterkning.
• Reduceret permeabilitet og forbedret holdbarhed ved at forfine porestrukturen.
• Mere ensartet materialekvalitet fra batch til batch.
• Bedre udnyttelse af dyre grafen, kulstofnanorør og andre nano-tilsætningsstoffer.
• Hurtigere screening af formuleringer og procesoptimering.
• Skalerbar produktion fra laboratorieudvikling til kontinuerlig industriel forarbejdning.
• Bedre kontrol med procesparametre såsom amplitude, energitilførsel, gennemstrømningshastighed, temperatur og opholdstid.

Hielschers ultralydsenheder er udviklet til at sikre en målbar og reproducerbar energioverførsel til væsker, suspensioner og opslæmninger. Den samme grundlæggende sonikeringsmekanisme kan anvendes på tværs af effektklasser, hvilket giver kunderne mulighed for at udvikle procesparametre i lille skala og derefter overføre dem til større bordmodeller, pilotanlæg eller industrielle systemer.

Infrarøde termografier af nanomodificeret cementpasta forstærket med (a) CNT’er og (b) GNP’er. CNT’er og grafen blev dispergeret ved hjælp af ultralydsapparatet UP400S.
Undersøgelse og grafer: ©Farmaki et al., 2025

Ultralydsbehandling før tilsætning af cement: Den foretrukne fremgangsmåde

For mange nanoforstærkede cementblandinger er den mest effektive fremgangsmåde først at dispergere nanomaterialet i den flydende fase. Dette kan være vand, en opløsning af superplastificeringsmiddel, et overfladeaktivt middel, der indeholder et dispergeringsmiddel, en polymertilsætning, silicasol eller en anden flydende komponent i mørtelblandingen.
En typisk procesvej ved ultralyd er:

1. Tilsæt grafen, kulstofnanorør eller andre nanomaterialer til væskefasen.
2. Fugt pulveret eller nanofyldstoffet på forhånd under moderat omrøring.
3. Anvend højintensiv ultralydsbehandling for at opløse klumperne og sprede materialet.
4. Juster temperaturen, hvis det er nødvendigt.
5. Tilsæt den ultralydbehandlede nanodispersion til cement, sand og andre mørtelkomponenter.
6. Bland, indtil blandingen har den endelige konsistens som en pasta eller mørtel.

Denne fremgangsmåde giver bedre kontrol end tørblanding af nanopartikler i cementpulver. Den øger også sandsynligheden for, at nanomaterialerne allerede er adskilt, befugtet og jævnt fordelt, inden hydratiseringen og hærdningen går i gang.

Økonomiske fordele ved produktion af højtydende cement

Nano-tilsætningsstoffer kan være dyre, og brugen af dem skal retfærdiggøres af målbare præstationsgevinster. Dårlig dispersion medfører spild af materiale. Agglomereret grafen eller CNT’er øger omkostningerne ved formuleringen uden at give den forventede forstærkningseffekt. Derimod forbedrer ultralydsdispersion den effektive udnyttelse af nanomaterialer.
De økonomiske fordele omfatter:

• Mindre affald fra tilsætningsstoffer: En større del af nanomaterialet bidrager til ydeevnen i stedet for at forblive bundet i agglomerater.
• Mindre risiko ved formuleringen: En ensartet spredning mindsker antallet af fejlbehæftede partier og ustabile testresultater.
• Hurtigere R&D-cyklusser: Formuleringer kan screenes ved hjælp af kontrollerede ultralydsparametre.
• Forbedret opskalering: Procesparametre kan overføres fra gennemførlighedstest til industrielt udstyr.
• Produkter i den højere prisklasse: Stærkere, mere holdbare og funktionelle mørtler er velegnede til anvendelser i den øverste kvalitet.
• Potentiale for kontinuerlig produktion: Inline-ultralydsbehandling muliggør behandling med høj kapacitet til kommerciel produktion.

For producenterne ligger den største værdi ikke blot i en bedre dispersionskvalitet. Det er evnen til at omdanne nanoforstærket cement fra et laboratoriekoncept til en kontrolleret, skalerbar produktionsproces.

Fra laboratorieformulering til industriel cementproduktion

En væsentlig fordel ved Hielschers ultralydsteknologi er den praktiske opskalering. Nanoforstærkede cementformuleringer kan udvikles i laboratorieformat og derefter overføres til større systemer uden at ændre det grundlæggende procesprincip. I stedet for at genopfinde dispersionsprocessen til produktion kan producenterne skalere ultralydseffekten, gennemstrømningscellens geometri, opholdstiden og reaktorkonfigurationen.
Dette mindsker den tekniske risiko. Det forkorter desuden vejen fra vellykkede mørtelprøver til kommercielle højtydende cementprodukter.

En typisk arbejdsgang ved opskalering omfatter:

1. Definer de ønskede egenskaber for mørtlen og nanomaterialesystemet.
2. Sigt grafen, CNT, nanosilica eller hybridtilsætningsstoffer.
3. Bestem den nødvendige ultralydsintensitet og energitilførsel.
4. Optimer dispergeringsmidler, tilsætningsstoffer og temperaturregulering.
5. Fremstil testpartier med UIP1000hdT- eller UIP2000hdT-systemer.
6. Undersøg mørtelens egenskaber, såsom styrke, bearbejdelighed og holdbarhed.
7. Overfør processen til UIP6000hdT- eller UIP16000hdT-klynger til produktionsbrug.
8. Integrer inline-ultralydsbehandling i den kontinuerlige produktion.

Højtydende cement kræver dispersion af høj kvalitet

Fremtiden inden for cementteknologi bygger ikke udelukkende på ny kemisk sammensætning af bindemidler. Den afhænger også af bedre kontrol med mikrostrukturen, funktionelle tilsætningsstoffer og forarbejdningsprocesserne. Nanomaterialer som grafen og CNT’er kan bidrage til at fremstille stærkere, mere modstandsdygtige, smartere og mere holdbare cementbaserede materialer. Men dette kræver en pålidelig dispersion.
Hielschers ultralydsapparater giver cementproducenter, producenter af byggekemikalier og forskningsinstitutter et skalerbart værktøj til forarbejdning af nanoadditiver. Fra de tidlige stadier af formuleringen til inline-produktion med høj kapacitet forbedrer ultralydsbehandlingen spredningen, eksfolieringen, deagglomereringen og den funktionelle strukturering af nanomaterialer i cementpastaer og mørtel.
Når det gælder produktion af højtydende cement, giver ultralydsbehandling en klar fordel: bedre materialegenskaber, mere effektiv udnyttelse af dyre nano-tilsætningsstoffer og en direkte vej fra laboratorieresultater til industriel produktion.

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:

Hielscher-ultralydsapparater til forskning, gennemførlighedstest og produktion

Hielscher tilbyder ultralydsprocessorer i forskellige effektklasser, herunder laboratorie-, bord-, pilot- og industriklasse. Dette er af afgørende betydning for udviklere af cement og mørtel, da nanoforstærkede formuleringer ofte skal gennemgå flere faser: indledende materialesortering, udvikling af dispersionsparametre, mørtelafprøvning, pilotbatcher og industriel produktion.
Hielschers produktportefølje er baseret på skalerbar ultralydsbehandling og omfatter systemer til laboratorieudvikling, pilot- og bordforsøg, industriel drift i stor skala samt kontinuerlig inline-produktion ved hjælp af gennemstrømningsceller og reaktorer.

UIP1000hdT og UIP2000hdT til forskning på laboratoriebordet og gennemførlighedstest

UIP1000hdT og UIP2000hdT er kraftfulde bordmodeller af ultralydsprocessorer til formulering, gennemførlighedsundersøgelser og forarbejdning i mellemstor skala. De er særdeles velegnede til udvikling af nanoforstærkede cementformuleringer, hvor forskere skal teste nanomaterialetype, koncentration, dispergeringsmidlets kemiske sammensætning, ultralydsintensitet, forarbejdningstid og temperaturregulering.

Disse systemer er ideelle til:

• Dispersion af grafen og CNT i vand eller blandingsopløsninger.
• Gennemførlighedstest af nanoforstærkede cementpastaer.
• Optimering af energitilførslen ved ultralydsbehandling.
• Fremstilling af reproducerbare testpartier.
• Udvikling af højtydende mørtelformuleringer.
• Kontinuerlig forarbejdning i lille skala ved hjælp af flowcelle-opsætninger.
• Validering af opskalering inden industriel produktion.

for R&D-serien, UIP1000hdT og UIP2000hdT, leverer den procesintensitet, der kræves til krævende nanomaterialer, samtidig med at opsætningen forbliver praktisk at anvende i laboratorier, tekniske centre og pilotanlæg.

Eksfoliering af grafen med ultralyd

UIP6000hdT- og UIP16000hdT-klynger til produktion med høj kapacitet

Til produktion i kommerciel skala af nanoforstærkede cementtilsætningsstoffer, nanodispersioner eller højtydende mørtelkomponenter kan Hielschers industrielle ultralydsapparater, såsom UIP6000hdT og UIP16000hdT, konfigureres i klynger til kontinuerlig forarbejdning med høj kapacitet.
Ved at samle flere UIP6000hdT- eller UIP16000hdT-enheder kan producenter øge behandlingskapaciteten og samtidig opretholde en kontrolleret tilførsel af ultralydsenergi. Denne modulære tilgang er især nyttig, når produktionsmængderne stiger fra pilotskala til fuldskala-produktion.

Understøttelse af industrielle konfigurationer:

• Kontinuerlig inline-dispersion af grafen, kulstofnanorør og nanoadditiver.
• Højkapacitetsbehandling af masterdispersioner af nanomaterialer.
• Integration i produktionslinjer til cementtilsætningsstoffer eller tørblandet mørtel.
• Parallel drift af ultralydsreaktorer for øget kapacitet.
• Robuste produktionsmiljøer, der kører døgnet rundt.
• Processtyring og -overvågning for at sikre ensartet produktkvalitet.

Hielschers industrielle systemer er udviklet til krævende kontinuerlig drift, og der findes højtydende enheder med en effekt på op til 16 kW pr. enhed.

Litteratur / Referencer