Nanoforstærkede cementmørtler med ultralydsdispergering

Sonikering med ultralyd forbedrer dispergering, eksfoliering og deagglomerering af grafen, CNT’er og nanomaterialer i cementpastaer og mørtler. Sonikatorer fra Hielscher muliggør formulering af højtydende cement fra forskning og udvikling til industriel produktion.

Nanoforstærkede cementmørtler – bedre dispergering og deagglomerering med sonikering

Nanoforstærkede cementmørtler og cementpastaer er en effektiv vej til højtydende byggematerialer. Ved at inkorporere nanomaterialer som grafen, grafenoxid, kulstofnanorør (CNT’er), nanosilica, nanoler eller andre funktionelle fyldstoffer kan cementbaserede materialer udvikles med henblik på forbedret mekanisk styrke, revnemodstand, holdbarhed og elektrisk ledningsevne, reduceret permeabilitet samt forbedrede langtidsegenskaber.
Problemet: Nanomaterialers fulde potentiale i cementsystemer opnås kun, når partiklerne er ensartet dispergeret. Grafenflager, CNT-bundter og andre nanoadditiver har 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 op. Resultatet er dårlig fordeling, svage områder i mørtelmatricen, ineffektiv udnyttelse af dyre nanomaterialer og uensartede materialeegenskaber.
Løsningen: Hielschers ultralydsapparater af probetypen giver en effektiv, skalerbar og industrielt gennemprøvet løsning til dispergering, eksfoliering, deagglomerering og funktionel sammenfletning af nanomaterialer i cementpastaer, mørtelformuleringer og prækursorsuspensioner. Hielscher udvikler og fremstiller ultralydsprocessorer til væskebehandling fra gennemførlighedsundersøgelser i laboratoriet til kontinuerlig industriel produktion med et produktsortiment, der er udviklet til opskalering fra kompakte laboratoriesystemer til industrielt udstyr med høj effekt.

Hvorfor dispergering af nanomaterialer er vigtig i cementmørtler

Nanomaterialer kan forbedre cementbaserede kompositter betydeligt, fordi de vekselvirker med cementmatricen på en meget lille længdeskala. Korrekt dispergeret grafen, CNT’er og andre nanofyldstoffer kan fungere som kimdannelsessteder, danne broer over mikrorevner, forfine porestrukturer og forbedre lastoverførslen i den hærdede matrice.
I praksis afhænger ydeevnen mindre af den nominelle mængde tilsat nanomateriale og mere af dispergeringskvaliteten. En lille mængde veldispergeret grafen eller CNT’er kan give bedre resultater end en større mængde dårligt dispergeret materiale. Agglomerater fungerer som defekter snarere end som forstærkning. De reducerer bearbejdeligheden, skaber spændingskoncentrationer og begrænser additivets effektive overfladeareal.
Ultralydsdispergering adresserer denne centrale udfordring ved formulering. Ultralyd med høj intensitet frembringer stærke lokale forskydningskræfter, mikroblanding, chokbølger og mikrostråler af væske gennem akustisk kavitation. Disse virkninger adskiller bundtede nanomaterialer, befugter partikeloverflader og fordeler dem jævnt i hele væskefasen, før de inkorporeres i cementpulver, pasta eller mørtel.

Ultralydsdeagglomerering af grafen, CNT’er og nanoadditiver

Grafennanoplader, grafenoxid, reduceret grafenoxid og kulstofnanorør er særligt attraktive til avancerede cementbaserede materialer. De kan bidrage til trækstyrke, bøjningsstyrke, brudsejhed, elektrisk ledningsevne, termisk opførsel og holdbarhed. Samtidig hører de til de additiver, der er vanskeligst at dispergere.
Ultralydskavitation hjælper med at overvinde tiltrækningskræfterne mellem strukturer på nanoskala. I en sonikeret væske frembringer kollapsende kavitationsbobler en intens lokal energitilførsel. Dette kan bryde partikelklynger op, adskille CNT-bundter, eksfoliere lagdelte materialer og forbedre fordelingen af nanofyldstoffer.

Centrale ultralydsvirkninger ved produktion af nanoforstærket mørtel omfatter:

• Deagglomerering: Opbrydning af klynger af grafen, CNT’er, nanosilica eller hybridadditiver, så der opnås mindre partikler og mere ensartede partikelfordelinger.
• Dispergering: Homogen fordeling af nanomaterialer i vand, opløsninger af plastificeringsmidler, blandinger af tilsætningsstoffer eller cementbaserede opslæmninger.
• Eksfoliering: Adskillelse af lagdelte materialer som grafit, grafennanoplader eller ler i tyndere flager med større aktivt overfladeareal.
• Befugtning og aktivering: Forbedring af væskens kontakt med nanomaterialernes overflader for bedre vekselvirkning med cementhydrater og tilsætningsstoffer.
• Sammenfletning og netværksdannelse: Understøttelse af dannelsen af fordelte CNT- eller grafennetværk, der kan forbedre brodannelse over revner, ledningsevne og strukturel funktionalitet.
• Reproducerbarhed: Etablering af kontrollerede procesbetingelser for ensartede formuleringer fra laboratorieforsøg til produktionsskala.

Fordele ved ultralydsdispergering i cementpastaer og mørtler

Den økonomiske og tekniske værdi af sonikering er særligt stor ved produktion af højtydende cement. Nanomaterialer er ofte dyre, og deres nytte afhænger af, at de anvendes effektivt. Når sonikering forbedrer dispergeringskvaliteten, kan dem, der udvikler formuleringerne, ofte reducere overdosering, øge reproducerbarheden og opnå bedre ydeevne pr. kilogram additiv.

For producenter af avancerede mørtler, reparationsmaterialer, præfabrikerede komponenter, cementbaserede materialer til 3D-printning eller specialkemikalier til byggeri kan ultralydsbehandling understøtte:

• Bedre egenskaber under tryk, bøjning og træk gennem forbedret fordeling af nanofyldstoffer.
• Bedre revnemodstand og sejhed som følge af mere effektiv mikroforstærkning.
• Reduceret permeabilitet og forbedret holdbarhed gennem forfining af porestrukturen.
• Mere ensartet materialekvalitet fra batch til batch.
• Forbedret udnyttelse af dyrt grafen, CNT’er og andre nanoadditiver.
• Hurtigere screening af formuleringer og procesoptimering.
• Skalerbar produktion fra laboratorieudvikling til kontinuerlig industriel behandling.
• Bedre kontrol af procesparametre som amplitude, energitilførsel, volumenstrøm, temperatur og opholdstid.

Hielschers ultralydsapparater er udviklet til målbar og reproducerbar energioverførsel til væsker, suspensioner og opslæmninger. Den samme grundlæggende sonikeringsmekanisme kan anvendes på tværs af effektklasser, så kunderne kan udvikle procesparametre i lille skala og derefter overføre dem til større bord-, pilot- eller industrisystemer.

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

Sonikering før tilsætning af cement: Den foretrukne procesvej

For mange nanoforstærkede cementformuleringer er den mest effektive fremgangsmåde først at dispergere nanomaterialet i væskefasen. Denne kan være vand, en opløsning af superplastificeringsmiddel, et dispergeringsmiddel med overfladeaktive stoffer, et polymertilsætningsstof, silicasol eller en anden flydende komponent i mørtelformuleringen.
En typisk procesvej med ultralyd er:

1. Tilsæt grafen, CNT’er eller andre nanomaterialer til væskefasen.
2. Forbefugt pulveret eller nanofyldstoffet under moderat blanding.
3. Anvend sonikering med høj intensitet til at deagglomerere og dispergere materialet.
4. Reguler temperaturen, hvis det er nødvendigt.
5. Tilsæt den sonikerede nanodispersion til cement, sand og andre mørtelkomponenter.
6. Bland til den endelige pasta- eller mørtelkonsistens.

Denne procesvej giver bedre kontrol end tør indblanding af nanopartikler i cementpulver. Den øger også sandsynligheden for, at nanomaterialerne allerede er adskilt, befugtet og jævnt fordelt, før hydratisering og afbinding begynder.

Økonomiske fordele ved produktion af højtydende cement

Nanoadditiver kan være dyre, og deres anvendelse skal kunne begrundes med målbare forbedringer af ydeevnen. Dårlig dispergering medfører materialespild. Agglomereret grafen eller CNT’er øger formuleringens omkostninger uden at levere den forventede forstærkning. Derimod forbedrer ultralydsdispergering den effektive udnyttelse af nanomaterialer.
De økonomiske fordele omfatter:

• Mindre spild af additiver: En større del af nanomaterialet bidrager til ydeevnen i stedet for at forblive bundet i agglomerater.
• Reduceret risiko ved formulering: Ensartet dispergering reducerer antallet af mislykkede batch og ustabile testresultater.
• Hurtigere forsknings- og udviklingscyklusser: Formuleringer kan screenes med kontrollerede sonikeringsparametre.
• Forbedret opskalering: Procesparametre kan overføres fra gennemførlighedstest til industrielt udstyr.
• Produkter med højere værdi: Stærkere, mere holdbare og funktionelle mørtler understøtter anvendelser med høje kvalitetskrav.
• Potentiale for kontinuerlig produktion: Inline-sonikering muliggør behandling med høj gennemstrømningskapacitet til kommerciel fremstilling.

For producenter ligger den centrale værdi ikke kun i bedre dispergeringskvalitet. Den ligger i muligheden for at omdanne nanoforstærket cement fra et laboratoriekoncept til en kontrolleret, skalerbar produktionsproces.

Fra formulering i laboratoriet til industriel cementproduktion

En væsentlig fordel ved Hielschers ultralydsteknologi er den praktiske vej til opskalering. Nanoforstærkede cementformuleringer kan udvikles i bordskala og derefter overføres til større systemer uden at ændre det grundlæggende behandlingsprincip. I stedet for at genopfinde dispergeringsprocessen til produktion kan producenter skalere ultralydseffekt, gennemstrømningscellens geometri, opholdstid og reaktorkonfiguration.
Dette reducerer den tekniske risiko. Det forkorter også vejen fra vellykkede mørtelprøver til kommercielle, højtydende cementprodukter.

En typisk arbejdsgang for opskalering omfatter:

1. Definer den ønskede mørtelydeevne og nanomaterialesystemet.
2. Screen grafen, CNT, nanosilica eller hybridadditiver.
3. Bestem den nødvendige sonikeringsintensitet og energitilførsel.
4. Optimer dispergeringsmedier, tilsætningsstoffer og temperaturregulering.
5. Fremstil testbatch med systemer af typen UIP1000hdT eller UIP2000hdT.
6. Valider mørtlens egenskaber som styrke, bearbejdelighed og holdbarhed.
7. Overfør processen til klynger af UIP6000hdT eller UIP16000hdT til produktion.
8. Integrer inline-sonikering i kontinuerlig fremstilling.

Højtydende cement kræver dispergering af høj kvalitet

Fremtidens cementteknologi bygger ikke kun på ny bindemiddelkemi. Den afhænger også af bedre kontrol af mikrostruktur, funktionelle additiver og behandling. Nanomaterialer som grafen og CNT’er kan hjælpe med at fremstille stærkere, sejere, smartere og mere holdbare cementbaserede materialer. Men dette kræver pålidelig dispergering.
Hielschers ultralydsapparater giver cementproducenter, producenter af byggekemikalier og forskningsinstitutter et skalerbart værktøj til behandling af nanoadditiver. Fra de tidlige formuleringstrin til inline-produktion med høj gennemstrømningskapacitet forbedrer sonikering dispergering, eksfoliering, deagglomerering og funktionel strukturering af nanomaterialer i cementpastaer og mørtler.
Ved produktion af højtydende cement giver ultralydsbehandling en klar fordel: bedre materialeegenskaber, mere effektiv udnyttelse af dyre nanoadditiver og en direkte vej fra succes i laboratoriet til industriel fremstilling.

Tabellen nedenfor giver en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet:

Sonikatorer fra Hielscher til forskning, gennemførlighedstest og produktion

Hielscher tilbyder ultralydsprocessorer i effektklasser til laboratorie-, bord-, pilot- og industrisystemer. Dette er afgørende for udviklere af cement og mørtel, fordi nanoforstærkede formuleringer ofte skal gennem flere stadier: indledende materialescreening, udvikling af dispergeringsparametre, mørteltest, pilotbatch og industriel produktion.
Hielschers produktsortiment er bygget op omkring skalerbar ultralydsbehandling med systemer til laboratorieudvikling, pilot- og bordforsøg, krævende industriel drift og kontinuerlig inline-produktion med gennemstrømningsceller og reaktorer.

UIP1000hdT og UIP2000hdT til forskning i bordskala og gennemførlighedstest

UIP1000hdT og UIP2000hdT er kraftige ultralydsprocessorer til bordopstilling, der bruges til udvikling af formuleringer, gennemførlighedsundersøgelser og behandling i mellemstor skala. De er velegnede til udvikling af nanoforstærkede cementformuleringer, hvor forskere har behov for at teste nanomaterialetype, koncentration, dispergeringsmidlets kemi, sonikeringsintensitet, behandlingstid og temperaturregulering.

Disse systemer er ideelle til:

• Dispergering af grafen og CNT’er i vand eller opløsninger af tilsætningsstoffer.
• Gennemførlighedstest af nanoforstærkede cementpastaer.
• Optimering af energitilførslen ved sonikering.
• Fremstilling af reproducerbare testbatch.
• Udvikling af højtydende mørtelformuleringer.
• Kontinuerlig behandling i lille skala med opstillinger med gennemstrømningsceller.
• Validering af opskalering før industriel produktion.

For forsknings- og udviklingsteams leverer UIP1000hdT og UIP2000hdT den procesintensitet, som krævende nanomaterialer kræver, samtidig med at opstillingen forbliver praktisk anvendelig i laboratorier, tekniske centre og pilotmiljøer.

Eksfoliering af grafen med ultralyd

Klynger af UIP6000hdT og UIP16000hdT til produktion med høj gennemstrømningskapacitet

Til produktion i kommerciel skala af nanoforstærkede cementadditiver, nanodispersioner eller komponenter til højtydende mørtel kan industrielle ultralydsapparater fra Hielscher som UIP6000hdT og UIP16000hdT konfigureres i klynger til kontinuerlig behandling med høj gennemstrømningskapacitet.
Klynger af enheder af typen UIP6000hdT eller UIP16000hdT gør det muligt for producenter at øge behandlingskapaciteten, samtidig med at der opretholdes en kontrolleret ultralydsenergitilførsel. Denne modulære tilgang er særligt nyttig, når produktionsvolumenerne vokser fra pilotskala til fremstilling i fuld skala.

Industrielle konfigurationer understøtter:

• Kontinuerlig inline-dispergering af grafen, CNT’er og nanoadditiver.
• Behandling af koncentrerede stamdispersioner af nanomaterialer med høj gennemstrømningskapacitet.
• Integration i produktionslinjer til cementtilsætningsstoffer eller tørmørtel.
• Parallel drift af ultralydsreaktorer for øget kapacitet.
• Robuste produktionsmiljøer med drift 24/7.
• Processtyring og overvågning for ensartet produktkvalitet.

Hielschers industrisystemer er beregnet til krævende kontinuerlig drift, og enheder med høj effekt fås med op til 16 kW pr. apparat.

Litteratur / Referencer

• 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.