Nanoverstärkte Zementmörtel mit Ultraschalldispersion

Die Ultraschallbehandlung verbessert die Dispersion, Exfoliation und Deagglomeration von Graphen, CNTs und Nanomaterialien in Zementpasten und Mörteln. Hielscher-Ultraschallgeräte ermöglichen die Entwicklung hochleistungsfähiger Zementformulierungen von R&D zur Industrieproduktion.

Nano-verstärkte Zementmörtel – Bessere Dispersion und Desagglomeration durch Ultraschallbehandlung

Nanoverstärkte Zementmörtel und Zementpasten bieten einen vielversprechenden Weg hin zu Hochleistungsbaustoffen. Durch den Einbau von Nanomaterialien wie Graphen, Graphenoxid, Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), Nanosilika, Nanotone oder anderen funktionellen Füllstoffen lassen sich zementäre Werkstoffe so gestalten, dass sie eine verbesserte mechanische Festigkeit, Rissbeständigkeit, Dauerhaftigkeit, elektrische Leitfähigkeit, geringere Durchlässigkeit und eine verbesserte Langzeitleistung aufweisen.
Das Problem: Das volle Potenzial von Nanomaterialien in Zementsystemen wird nur dann ausgeschöpft, wenn die Partikel gleichmäßig dispergiert sind. Graphenblätter, CNT-Bündel und andere Nanoadditive neigen aufgrund starker van-der-Waals-Kräfte, hoher Oberflächenenergie und Verfilzungen dazu, Agglomerate zu bilden. Herkömmliches Rühren, Rotor-Stator-Mischen oder einfaches Pulvermischen reicht oft nicht aus, um diese Agglomerate ausreichend aufzubrechen. Die Folge sind eine schlechte Verteilung, Schwachstellen in der Mörtelmatrix, eine ineffiziente Nutzung teurer Nanomaterialien und uneinheitliche Materialeigenschaften.
Die Lösung: Die Sonden-Ultraschallgeräte von Hielscher bieten eine effiziente, skalierbare und industriell bewährte Lösung für die Dispersion, Exfoliation, Deagglomeration und funktionelle Vernetzung von Nanomaterialien in Zementpasten, Mörtelformulierungen und Vorläufersuspensionen. Hielscher entwickelt und fertigt Ultraschallgeräte für die Flüssigkeitsverarbeitung – von der Machbarkeitsprüfung im Labor bis hin zur industriellen Serienproduktion – mit einem Produktportfolio, das auf die Skalierung von kompakten Laborsystemen bis hin zu leistungsstarken Industrieanlagen ausgelegt ist.

Warum die Dispersion von Nanomaterialien in Zementmörteln wichtig ist

Nanomaterialien können zementäre Verbundwerkstoffe erheblich verbessern, da sie auf sehr kleiner Längenskala mit der Zementmatrix interagieren. Richtig dispergiertes Graphen, Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und andere Nanofüllstoffe können als Keimbildungsstellen fungieren, Mikrorisse überbrücken, die Porenstruktur verfeinern und die Lastübertragung innerhalb der ausgehärteten Matrix verbessern.
In der Praxis hängt die Leistungsfähigkeit weniger von der nominellen Menge des zugesetzten Nanomaterials ab als vielmehr von der Qualität der Dispersion. Eine geringe Menge gut dispergierten Graphens oder CNTs kann eine größere Menge schlecht dispergierten Materials in ihrer Leistung übertreffen. Agglomerate wirken eher wie Defekte als wie Verstärkung. Sie verringern die Verarbeitbarkeit, verursachen Spannungskonzentrationen und schränken die effektive Oberfläche des Additivs ein.
Die Ultraschalldispersion bietet eine Lösung für diese zentrale Herausforderung bei der Formulierung. Hochintensiver Ultraschall erzeugt durch akustische Kavitation starke lokale Scherkräfte, Mikromischung, Stoßwellen und flüssige Mikrostrahlen. Diese Effekte trennen gebündelte Nanomaterialien voneinander, benetzen die Partikeloberflächen und verteilen sie gleichmäßig in der flüssigen Phase, bevor sie in Zementpulver, Zementpaste oder Mörtel eingearbeitet werden.

Ultraschall-Deagglomeration von Graphen, Kohlenstoffnanoröhren und Nano-Additiven

Graphen-Nanoplättchen, Graphenoxid, reduziertes Graphenoxid und Kohlenstoffnanoröhren sind für moderne zementäre Werkstoffe besonders interessant. Sie können die Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, Bruchzähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, das thermische Verhalten und die Dauerhaftigkeit verbessern. Gleichzeitig gehören sie zu den Additiven, die sich am schwierigsten dispergieren lassen.
Ultraschallkavitation hilft dabei, die Anziehungskräfte zwischen Strukturen im Nanobereich zu überwinden. In einer beschallten Flüssigkeit erzeugen kollabierende Kavitationsblasen einen intensiven lokalen Energieeintrag. Dadurch können Partikelcluster aufgebrochen, CNT-Bündel getrennt, Schichtmaterialien exfoliert und die Verteilung von Nanofüllstoffen verbessert werden.

Zu den wichtigsten Ultraschall-Effekten bei der Herstellung von nanoverstärktem Mörtel zählen:

• Desagglomerierung: Aufbrechen von Aggregaten aus Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, Nanosilica oder Hybridadditiven in kleinere, gleichmäßigere Partikelverteilungen.
• Dispersion: Homogene Verteilung von Nanomaterialien in Wasser, Weichmacherlösungen, Zusatzstoffmischungen oder zementhaltigen Aufschlämmungen.
• Peeling: Trennung von Schichtmaterialien wie Graphit, Graphen-Nanoplättchen oder Tonerden in dünnere Schichten mit größerer aktiver Oberfläche.
• Benetzung und Aktivierung: Verbesserung des Flüssigkeitskontakts mit Oberflächen von Nanomaterialien für eine bessere Wechselwirkung mit Zementhydraten und Zusatzstoffen.
• Verschränkung und Netzwerkbildung: Unterstützung der Bildung verteilter CNT- oder Graphen-Netzwerke, die die Rissüberbrückung, die Leitfähigkeit und die strukturelle Funktionalität verbessern können.
• Reproduzierbarkeit: Schaffung kontrollierter Prozessbedingungen für gleichbleibende Rezepturen – vom Laborversuch bis zum Produktionsmaßstab.

Vorteile der Ultraschalldispersion in Zementmassen und Mörteln

Der wirtschaftliche und technische Nutzen der Ultraschallbehandlung kommt besonders bei der Herstellung von Hochleistungszementen zum Tragen. Nanomaterialien sind oft teuer, und ihr Nutzen hängt von ihrem effizienten Einsatz ab. Wenn die Ultraschallbehandlung die Dispersionsqualität verbessert, können Formulierer häufig die Überdosierung reduzieren, die Reproduzierbarkeit erhöhen und eine höhere Leistungsfähigkeit pro Kilogramm Additiv erzielen.

Für Hersteller von Hochleistungsmörteln, Reparaturmaterialien, Fertigbauteilen, 3D-druckfähigen zementären Werkstoffen oder Spezialbauchemikalien kann die Ultraschallverarbeitung folgende Vorteile bieten:

• Höhere Druck-, Biege- und Zugfestigkeit durch eine verbesserte Verteilung der Nanofüllstoffe.
• Bessere Rissbeständigkeit und Zähigkeit durch eine effektivere Mikroverstärkung.
• Geringere Durchlässigkeit und verbesserte Haltbarkeit durch Verfeinerung der Porenstruktur.
• Gleichmäßigere Materialqualität von Charge zu Charge.
• Bessere Nutzung von kostspieligem Graphen, Kohlenstoffnanoröhren und anderen Nano-Additiven.
• Schnelleres Screening von Formulierungen und schnellere Prozessoptimierung.
• Skalierbare Produktion von der Laborentwicklung bis zur kontinuierlichen industriellen Verarbeitung.
• Bessere Kontrolle der Prozessparameter wie Amplitude, Energiezufuhr, Durchflussrate, Temperatur und Verweilzeit.

Hielscher-Ultraschallgeräte sind für eine messbare und reproduzierbare Energieübertragung in Flüssigkeiten, Suspensionen und Schlämme ausgelegt. Der gleiche Kernmechanismus der Ultraschallbehandlung kann über alle Leistungsklassen hinweg genutzt werden, sodass Kunden Prozessparameter im kleinen Maßstab entwickeln und diese anschließend auf größere Tisch-, Pilot- oder Industrieanlagen übertragen können.

Infrarot-Thermogramme von nanomodifizierter Zementpaste, verstärkt mit (a) CNTs und (b) GNPs. CNTs und Graphen wurden mit dem Ultraschallgerät UP400S dispergiert.
Studie und Grafiken: ©Farmaki et al., 2025

Ultraschallbehandlung vor der Zementzugabe: Der bevorzugte Verfahrensweg

Bei vielen nanoverstärkten Zementrezepturen besteht der effektivste Ansatz darin, das Nanomaterial zunächst in der flüssigen Phase zu dispergieren. Dabei kann es sich um Wasser, eine Superplastifiziererlösung, ein tensidhaltiges Dispergiermittel, eine Polymerzusatzstoffmischung, ein Siliziumdioxid-Sol oder eine andere flüssige Komponente der Mörtelrezeptur handeln.
Ein typischer Ablauf eines Ultraschallverfahrens sieht wie folgt aus:

1. Fügen Sie Graphen, Kohlenstoffnanoröhren oder andere Nanomaterialien zur flüssigen Phase hinzu.
2. Das Pulver oder den Nanofüllstoff unter mäßigem Rühren vorfeuchten.
3. Wenden Sie hochintensive Ultraschallbehandlung an, um das Material zu desagglomerieren und zu dispergieren.
4. Regeln Sie die Temperatur bei Bedarf.
5. Die ultraschallbehandelte Nanodispersion zu Zement, Sand und anderen Mörtelbestandteilen hinzufügen.
6. Zu einer Paste oder einem Mörtel mit der gewünschten Konsistenz vermischen.

Dieses Verfahren ermöglicht eine bessere Kontrolle als das Trockenmischen von Nanopartikeln in Zementpulver. Zudem erhöht es die Wahrscheinlichkeit, dass die Nanomaterialien bereits vor Beginn der Hydratation und des Abbindevorgangs voneinander getrennt, benetzt und gleichmäßig verteilt sind.

Wirtschaftliche Vorteile bei der Herstellung von Hochleistungszement

Nano-Additive können kostspielig sein, und ihr Einsatz muss durch messbare Leistungssteigerungen gerechtfertigt sein. Eine schlechte Dispersion führt zu Materialverschwendung. Agglomeriertes Graphen oder CNTs erhöhen die Formulierungskosten, ohne die erwartete Verstärkungswirkung zu erzielen. Im Gegensatz dazu verbessert die Ultraschalldispersion die effektive Nutzung von Nanomaterialien.
Zu den wirtschaftlichen Vorteilen zählen:

• Weniger Additivabfälle: Ein größerer Anteil des Nanomaterials trägt zur Leistungsfähigkeit bei, anstatt in Agglomeraten gebunden zu bleiben.
• Geringeres Formulierungsrisiko: Eine gleichmäßige Verteilung verringert die Anzahl fehlerhafter Chargen und instabiler Testergebnisse.
• Schnelleres R&D-Zyklen: Formulierungen können unter kontrollierten Ultraschallparametern untersucht werden.
• Verbesserte Skalierung: Prozessparameter können aus der Machbarkeitsprüfung auf die Industrieanlagen übertragen werden.
• Produkte im höheren Preissegment: Stärkere, langlebigere und funktionalere Mörtel eignen sich für hochwertige Anwendungen.
• Potenzial für eine kontinuierliche Produktion: Die Inline-Ultraschallbehandlung ermöglicht eine Verarbeitung mit hohem Durchsatz für die kommerzielle Fertigung.

Für die Hersteller liegt der entscheidende Vorteil nicht nur in einer besseren Dispergierqualität. Es ist vielmehr die Fähigkeit, nanoverstärkten Zement von einem Laborkonzept in einen kontrollierten, skalierbaren Produktionsprozess umzusetzen.

Von der Laborformulierung bis zur industriellen Zementherstellung

Ein wesentlicher Vorteil der Ultraschalltechnologie von Hielscher ist der praktische Skalierungsweg. Nanoverstärkte Zementformulierungen können im Labormaßstab entwickelt und anschließend auf größere Systeme übertragen werden, ohne das grundlegende Verarbeitungsprinzip zu ändern. Anstatt den Dispersionsprozess für die Produktion neu zu entwickeln, können Hersteller die Ultraschallleistung, die Geometrie der Durchflusszelle, die Verweilzeit und die Reaktorkonfiguration skalieren.
Dadurch werden technische Risiken verringert. Zudem verkürzt sich der Weg von erfolgreichen Mörtelproben zu kommerziellen Hochleistungszementprodukten.

Ein typischer Scale-up-Arbeitsablauf umfasst:

1. Legen Sie die angestrebte Mörtelleistung und das Nanomaterialsystem fest.
2. Sieb-Graphen, CNT, Nanosilica oder Hybridadditive.
3. Ermitteln Sie die erforderliche Ultraschallintensität und die Energiezufuhr.
4. Optimieren Sie Dispergiermittel, Zusatzstoffe und die Temperaturregelung.
5. Führen Sie Testchargen mit den Systemen UIP1000hdT oder UIP2000hdT durch.
6. Überprüfen Sie die Eigenschaften des Mörtels wie Festigkeit, Verarbeitbarkeit und Dauerhaftigkeit.
7. Übertragen Sie den Prozess für den Produktivbetrieb auf UIP6000hdT- oder UIP16000hdT-Cluster.
8. Integration der Inline-Ultraschallbehandlung in die kontinuierliche Fertigung.

Hochleistungszement erfordert eine hochwertige Dispersion

Die Zukunft der Zementtechnologie beruht nicht nur auf einer neuen Bindemittelchemie. Sie hängt auch von einer besseren Steuerung der Mikrostruktur, von funktionellen Zusatzstoffen und von der Verarbeitung ab. Nanomaterialien wie Graphen und Kohlenstoffnanoröhren können dazu beitragen, festere, zähere, intelligentere und langlebigere zementäre Werkstoffe herzustellen. Dies setzt jedoch eine zuverlässige Dispersion voraus.
Ultraschallgeräte von Hielscher bieten Zementherstellern, Herstellern von Bauchemikalien und Forschungsinstituten ein skalierbares Werkzeug für die Verarbeitung von Nanoadditiven. Von der frühen Formulierungsphase bis hin zur Inline-Produktion mit hohem Durchsatz verbessert die Ultraschallbehandlung die Dispersion, Exfoliation, Desagglomeration und funktionale Strukturierung von Nanomaterialien in Zementpasten und Mörteln.
Für die Herstellung von Hochleistungszement bietet die Ultraschallbehandlung einen klaren Vorteil: bessere Materialeigenschaften, eine effizientere Nutzung teurer Nano-Additive und einen direkten Weg vom Laborerfolg zur industriellen Fertigung.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:

Hielscher-Ultraschallgeräte für Forschung, Machbarkeitsprüfungen und Produktion

Hielscher bietet Ultraschallgeräte in den Leistungsklassen Labor, Tischgerät, Pilotanlage und Industrie an. Dies ist für Entwickler von Zement und Mörtel von entscheidender Bedeutung, da nanoverstärkte Formulierungen häufig mehrere Phasen durchlaufen müssen: anfängliche Materialauswahl, Entwicklung der Dispersionsparameter, Mörteltests, Pilotchargen und industrielle Produktion.
Das Portfolio von Hielscher basiert auf skalierbarer Ultraschallverarbeitung und umfasst Systeme für die Laborentwicklung, Pilot- und Labortests, den industriellen Hochleistungsbetrieb sowie die kontinuierliche Inline-Produktion unter Verwendung von Durchflusszellen und Reaktoren.

UIP1000hdT und UIP2000hdT für Laborforschung und Machbarkeitsprüfungen

Der UIP1000hdT und der UIP2000hdT sind leistungsstarke Tisch-Ultraschallgeräte für die Rezepturentwicklung, Machbarkeitsstudien und die Verarbeitung im mittleren Maßstab. Sie eignen sich hervorragend für die Entwicklung von nanoverstärkten Zementformulierungen, bei der Forscher die Art des Nanomaterials, die Konzentration, die Chemie des Dispergiermittels, die Ultraschallintensität, die Verarbeitungszeit und die Temperaturregelung testen müssen.

Diese Systeme eignen sich ideal für:

• Dispersion von Graphen und CNT in Wasser oder Mischlösungen.
• Machbarkeitsprüfung von nanoverstärkten Zementmassen.
• Optimierung des Energieeinsatzes bei der Ultraschallbehandlung.
• Herstellung reproduzierbarer Testchargen.
• Entwicklung von Hochleistungsmörtelrezepturen.
• Kontinuierliche Verarbeitung im kleinen Maßstab mit Durchflusszellen-Anordnungen.
• Validierung im Maßstabsaufbau vor der industriellen Produktion.

für F&Die D-Serienmodelle UIP1000hdT und UIP2000hdT bieten die für anspruchsvolle Nanomaterialien erforderliche Prozessintensität und sind gleichzeitig so konzipiert, dass sie sich problemlos in Laboren, technischen Zentren und Pilotanlagen einsetzen lassen.

Graphen-Exfoliation mit Ultraschall

UIP6000hdT- und UIP16000hdT-Cluster für die Produktion mit hohem Durchsatz

Für die Produktion von nanoverstärkten Zementzusätzen, Nanodispersionen oder Hochleistungsmörtelkomponenten im industriellen Maßstab lassen sich industrielle Ultraschallgeräte von Hielscher wie das UIP6000hdT und das UIP16000hdT in Clustern für eine kontinuierliche Verarbeitung mit hohem Durchsatz konfigurieren.
Durch die Kombination mehrerer UIP6000hdT- oder UIP16000hdT-Geräte können Hersteller ihre Verarbeitungskapazität steigern und gleichzeitig die zugeführte Ultraschallenergie präzise steuern. Dieser modulare Ansatz erweist sich insbesondere dann als nützlich, wenn das Produktionsvolumen vom Pilotmaßstab auf den Serienbetrieb ausgeweitet wird.

Unterstützung für industrielle Konfigurationen:

• Kontinuierliche Inline-Dispergierung von Graphen, Kohlenstoffnanoröhren und Nanoadditiven.
• Hochdurchsatzverarbeitung von Masterdispersionen aus Nanomaterialien.
• Integration in Produktionslinien für Zementzusatzstoffe oder Trockenmörtel.
• Parallelbetrieb von Ultraschallreaktoren zur Steigerung der Kapazität.
• Robuste Produktionsumgebungen, die rund um die Uhr in Betrieb sind.
• Prozesssteuerung und -überwachung für eine gleichbleibende Produktqualität.

Die industriellen Systeme von Hielscher sind für den anspruchsvollen Dauerbetrieb ausgelegt, und es sind Hochleistungsgeräte mit einer Leistung von bis zu 16 kW pro Gerät erhältlich.

Literatur / Literaturhinweise