Nanoverstärkte Zementmörtel mit Ultraschalldispergierung

Die Ultraschallbehandlung verbessert die Dispergierung, Exfoliation und Deagglomeration von Graphen, CNTs und Nanomaterialien in Zementleimen und Mörteln. Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglichen die Entwicklung von Hochleistungszementrezepturen von Forschung und Entwicklung bis zur industriellen Produktion.

Nanoverstärkte Zementmörtel – bessere Dispergierung und Deagglomeration durch Ultraschallbehandlung

Nanoverstärkte Zementmörtel und Zementleime bieten einen wirkungsvollen Weg zu Hochleistungsbaustoffen. Durch die Zugabe von Nanomaterialien wie Graphen, Graphenoxid, Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), Nanosilica, Nanotonen oder anderen funktionellen Füllstoffen lassen sich zementgebundene Materialien gezielt auf eine höhere mechanische Festigkeit, Rissbeständigkeit, Dauerhaftigkeit und elektrische Leitfähigkeit, eine geringere Permeabilität sowie eine verbesserte Langzeitleistung auslegen.
Das Problem: Das volle Potenzial von Nanomaterialien in Zementsystemen wird nur dann ausgeschöpft, wenn die Partikel gleichmäßig dispergiert sind. Graphenschichten, CNT-Bündel und andere Nanoadditive neigen aufgrund starker Van-der-Waals-Kräfte, hoher Oberflächenenergie und gegenseitiger Verschlaufung zur Bildung von Agglomeraten. Herkömmliches Rühren, Rotor-Stator-Mischen oder einfaches Pulvermischen reicht häufig nicht aus, um diese Agglomerate ausreichend aufzubrechen. Die Folgen sind eine schlechte Verteilung, Schwachstellen in der Mörtelmatrix, eine ineffiziente Nutzung teurer Nanomaterialien und uneinheitliche Materialeigenschaften.
Die Lösung: Die Ultraschallgeräte mit Sonotrode von Hielscher bieten eine effiziente, skalierbare und industriell bewährte Lösung für die Dispergierung, Exfoliation, Deagglomeration und funktionelle Verschlaufung von Nanomaterialien in Zementleimen, Mörtelrezepturen und Vorläufersuspensionen. Hielscher entwickelt und fertigt Ultraschallprozessoren für die Flüssigkeitsverarbeitung von Machbarkeitsuntersuchungen im Labor bis zur kontinuierlichen industriellen Produktion. Das Portfolio ist auf die Maßstabsvergrößerung von kompakten Laborsystemen bis hin zu leistungsstarken Industrieanlagen ausgelegt.

Warum die Dispergierung von Nanomaterialien in Zementmörteln wichtig ist

Nanomaterialien können zementgebundene Verbundwerkstoffe erheblich verbessern, da sie auf einer sehr kleinen Längenskala mit der Zementmatrix wechselwirken. Gut dispergiertes Graphen, CNTs und andere Nanofüllstoffe können als Keimbildungsstellen wirken, Mikrorisse überbrücken, Porenstrukturen verfeinern und die Lastübertragung innerhalb der erhärteten Matrix verbessern.
In der Praxis hängt die Leistungsfähigkeit weniger von der nominell zugesetzten Menge an Nanomaterial als von der Qualität der Dispergierung ab. Eine kleine Menge gut dispergierten Graphens oder gut dispergierter CNTs kann wirksamer sein als eine größere Menge schlecht dispergierten Materials. Agglomerate wirken als Fehlstellen statt als Verstärkung. Sie verringern die Verarbeitbarkeit, erzeugen Spannungskonzentrationen und begrenzen die wirksame Oberfläche des Additivs.
Die Ultraschalldispergierung begegnet dieser zentralen Herausforderung bei der Rezepturentwicklung. Hochintensiver Ultraschall erzeugt durch akustische Kavitation starke lokale Scherkräfte, Mikromischung, Stoßwellen und Flüssigkeitsmikrostrahlen. Diese Effekte trennen gebündelte Nanomaterialien, benetzen Partikeloberflächen und verteilen sie gleichmäßig in der gesamten Flüssigphase, bevor sie in Zementpulver, Zementleim oder Mörtel eingearbeitet werden.

Ultraschalldeagglomeration von Graphen, CNTs und Nanoadditiven

Graphennanoplättchen, Graphenoxid, reduziertes Graphenoxid und Kohlenstoffnanoröhren sind für fortschrittliche zementgebundene Materialien besonders attraktiv. Sie können zur Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, Bruchzähigkeit, elektrischen Leitfähigkeit, zum thermischen Verhalten und zur Dauerhaftigkeit beitragen. Gleichzeitig gehören sie zu den am schwierigsten zu dispergierenden Additiven.
Ultraschallkavitation hilft, die Anziehungskräfte zwischen nanoskaligen Strukturen zu überwinden. In einer beschallten Flüssigkeit erzeugen kollabierende Kavitationsblasen einen intensiven lokalen Energieeintrag. Dadurch lassen sich Partikelcluster aufbrechen, CNT-Bündel trennen, geschichtete Materialien exfolieren und die Verteilung von Nanofüllstoffen verbessern.

Zu den wichtigsten Ultraschalleffekten bei der Herstellung nanoverstärkter Mörtel gehören:

• Deagglomeration: Aufbrechen von Clustern aus Graphen, CNTs, Nanosilica oder Hybridadditiven für eine feinere und gleichmäßigere Partikelverteilung.
• Dispergierung: Homogenes Verteilen von Nanomaterialien in Wasser, Lösungen von Betonverflüssigern, Zusatzmittelmischungen oder zementgebundenen Suspensionen.
• Exfoliation: Auftrennen geschichteter Materialien wie Graphit, Graphennanoplättchen oder Tone in dünnere Schichten mit größerer aktiver Oberfläche.
• Benetzung und Aktivierung: Verbesserung des Flüssigkeitskontakts mit den Oberflächen von Nanomaterialien für eine bessere Wechselwirkung mit Zementhydraten und Zusatzmitteln.
• Verschlaufung und Netzwerkbildung: Unterstützung der Bildung verteilter CNT- oder Graphennetzwerke, die Rissüberbrückung, Leitfähigkeit und strukturelle Funktionalität verbessern können.
• Reproduzierbarkeit: Schaffung kontrollierter Prozessbedingungen für konsistente Rezepturen vom Laborversuch bis zum Produktionsmaßstab.

Vorteile der Ultraschalldispergierung in Zementleimen und Mörteln

Der wirtschaftliche und technische Nutzen der Ultraschallbehandlung ist bei der Herstellung von Hochleistungszement besonders groß. Nanomaterialien sind häufig teuer, und ihr Nutzen hängt von ihrem effizienten Einsatz ab. Wenn die Ultraschallbehandlung die Dispergierqualität verbessert, können Rezepturentwickler häufig Überdosierungen reduzieren, die Reproduzierbarkeit erhöhen und eine höhere Leistungsfähigkeit pro Kilogramm Additiv erzielen.

Für Hersteller fortschrittlicher Mörtel, Reparaturmaterialien, Fertigteile, 3D-druckbarer zementgebundener Materialien oder bauchemischer Spezialprodukte kann die Ultraschallverarbeitung Folgendes unterstützen:

• Höhere Druck-, Biege- und Zugfestigkeit durch eine verbesserte Verteilung der Nanofüllstoffe.
• Bessere Rissbeständigkeit und Zähigkeit durch eine wirksamere Mikroverstärkung.
• Geringere Permeabilität und verbesserte Dauerhaftigkeit durch Verfeinerung der Porenstruktur.
• Gleichmäßigere Materialqualität von Charge zu Charge.
• Verbesserte Nutzung von teurem Graphen, CNTs und anderen Nanoadditiven.
• Schnelleres Rezepturscreening und schnellere Prozessoptimierung.
• Skalierbare Produktion von der Entwicklung im Labor bis zur kontinuierlichen industriellen Verarbeitung.
• Bessere Kontrolle von Prozessparametern wie Amplitude, Energieeintrag, Volumenstrom, Temperatur und Verweilzeit.

Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind auf eine messbare und reproduzierbare Energieübertragung in Flüssigkeiten, Suspensionen und Schlämme ausgelegt. Derselbe grundlegende Beschallungsmechanismus kann über verschiedene Leistungsklassen hinweg eingesetzt werden. So können Kunden Prozessparameter im kleinen Maßstab entwickeln und anschließend auf größere Tisch-, Pilot- oder Industriesysteme übertragen.

Infrarotthermogramme von nanomodifiziertem Zementleim, verstärkt mit (a) CNTs und (b) GNPs. CNTs und Graphen wurden mit dem Ultraschallgerät UP400S dispergiert.
Studie und Diagramme: ©Farmaki et al., 2025

Ultraschallbehandlung vor der Zementzugabe: der bevorzugte Prozessweg

Bei vielen nanoverstärkten Zementrezepturen ist es am wirksamsten, das Nanomaterial zunächst in der Flüssigphase zu dispergieren. Dabei kann es sich um Wasser, eine Fließmittellösung, ein tensidhaltiges Dispergiermittel, ein polymeres Zusatzmittel, Kieselsol oder eine andere flüssige Komponente der Mörtelrezeptur handeln.
Ein typischer Ultraschallprozess läuft wie folgt ab:

1. Geben Sie Graphen, CNTs oder andere Nanomaterialien zur Flüssigphase hinzu.
2. Benetzen Sie das Pulver oder den Nanofüllstoff unter mäßigem Mischen vor.
3. Wenden Sie hochintensive Ultraschallbehandlung an, um das Material zu deagglomerieren und zu dispergieren.
4. Regeln Sie bei Bedarf die Temperatur.
5. Geben Sie die ultraschallbehandelte Nanodispersion zu Zement, Sand und anderen Mörtelkomponenten hinzu.
6. Mischen Sie, bis die endgültige Konsistenz des Zementleims oder Mörtels erreicht ist.

Dieser Prozessweg ermöglicht eine bessere Kontrolle als das trockene Einmischen von Nanopartikeln in Zementpulver. Er erhöht außerdem die Wahrscheinlichkeit, dass die Nanomaterialien bereits getrennt, benetzt und gleichmäßig verteilt sind, bevor Hydratation und Erstarren beginnen.

Wirtschaftliche Vorteile bei der Herstellung von Hochleistungszement

Nanoadditive können teuer sein, und ihr Einsatz muss durch messbare Leistungsverbesserungen gerechtfertigt sein. Eine schlechte Dispergierung verschwendet Material. Agglomeriertes Graphen oder agglomerierte CNTs erhöhen die Rezepturkosten, ohne die erwartete Verstärkung zu liefern. Die Ultraschalldispergierung verbessert dagegen die effektive Nutzung von Nanomaterialien.
Zu den wirtschaftlichen Vorteilen gehören:

• Geringere Additivverschwendung: Ein größerer Anteil des Nanomaterials trägt zur Leistungsfähigkeit bei, statt in Agglomeraten gebunden zu bleiben.
• Geringeres Rezepturrisiko: Eine gleichbleibende Dispergierung reduziert Fehlchargen und schwankende Testergebnisse.
• Schnellere Forschungs- und Entwicklungszyklen: Rezepturen können mit kontrollierten Beschallungsparametern gescreent werden.
• Verbesserte Maßstabsvergrößerung: Prozessparameter lassen sich von Machbarkeitsversuchen auf Industrieanlagen übertragen.
• Höherwertige Produkte: Festere, dauerhaftere und funktionelle Mörtel ermöglichen hochwertige Anwendungen.
• Potenzial für kontinuierliche Produktion: Die Inline-Ultraschallbehandlung ermöglicht eine Verarbeitung mit hohem Durchsatz für die kommerzielle Herstellung.

Für Hersteller liegt der entscheidende Nutzen nicht nur in einer besseren Dispergierqualität. Er liegt auch in der Möglichkeit, nanoverstärkten Zement von einem Laborkonzept in einen kontrollierten, skalierbaren Produktionsprozess zu überführen.

Von der Rezepturentwicklung im Labor zur industriellen Zementproduktion

Ein wesentlicher Vorteil der Ultraschalltechnologie von Hielscher ist der praxisgerechte Weg zur Maßstabsvergrößerung. Nanoverstärkte Zementrezepturen können im Tischgerätemaßstab entwickelt und anschließend auf größere Systeme übertragen werden, ohne das grundlegende Verarbeitungsprinzip zu verändern. Statt den Dispergierprozess für die Produktion neu zu entwickeln, können Hersteller Ultraschallleistung, Durchflusszellengeometrie, Verweilzeit und Reaktorkonfiguration skalieren.
Dies reduziert das technische Risiko. Außerdem verkürzt es den Weg von erfolgreichen Mörtelproben zu kommerziellen Hochleistungszementprodukten.

Ein typischer Ablauf zur Maßstabsvergrößerung umfasst:

1. Definieren Sie die angestrebten Leistungsmerkmale des Mörtels und das Nanomaterialsystem.
2. Screenen Sie Graphen-, CNT-, Nanosilica- oder Hybridadditive.
3. Bestimmen Sie die erforderliche Beschallungsintensität und den erforderlichen Energieeintrag.
4. Optimieren Sie Dispergiermedien, Zusatzmittel und Temperaturregelung.
5. Stellen Sie Testchargen mit UIP1000hdT- oder UIP2000hdT-Systemen her.
6. Validieren Sie Mörteleigenschaften wie Festigkeit, Verarbeitbarkeit und Dauerhaftigkeit.
7. Übertragen Sie den Prozess für die Produktion auf UIP6000hdT- oder UIP16000hdT-Cluster.
8. Integrieren Sie die Inline-Ultraschallbehandlung in die kontinuierliche Herstellung.

Hochleistungszement benötigt eine hochwertige Dispergierung

Die Zukunft der Zementtechnologie beruht nicht allein auf neuer Bindemittelchemie. Sie hängt auch von einer besseren Kontrolle der Mikrostruktur, der funktionellen Additive und der Verarbeitung ab. Nanomaterialien wie Graphen und CNTs können dazu beitragen, festere, zähere, intelligentere und dauerhaftere zementgebundene Materialien herzustellen. Dies setzt jedoch eine zuverlässige Dispergierung voraus.
Die Ultraschallgeräte von Hielscher bieten Zementproduzenten, Herstellern bauchemischer Produkte und Forschungsinstituten ein skalierbares Werkzeug für die Verarbeitung von Nanoadditiven. Von der frühen Rezepturentwicklung bis zur Inline-Produktion mit hohem Durchsatz verbessert die Ultraschallbehandlung die Dispergierung, Exfoliation, Deagglomeration und funktionelle Strukturierung von Nanomaterialien in Zementleimen und Mörteln.
Für die Herstellung von Hochleistungszement bietet die Ultraschallverarbeitung einen klaren Vorteil: bessere Materialeigenschaften, eine effizientere Nutzung teurer Nanoadditive und einen direkten Weg vom Laborerfolg zur industriellen Herstellung.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

Ultraschallgeräte von Hielscher für Forschung, Machbarkeitsversuche und Produktion

Hielscher bietet Ultraschallprozessoren in Leistungsklassen für Labor-, Tisch-, Pilot- und Industriesysteme an. Dies ist für Zement- und Mörtelentwickler wesentlich, da nanoverstärkte Rezepturen häufig mehrere Stufen durchlaufen müssen: anfängliches Materialscreening, Entwicklung der Dispergierparameter, Mörtelprüfung, Pilotchargen und industrielle Produktion.
Das Portfolio von Hielscher ist auf skalierbare Ultraschallverarbeitung ausgerichtet und umfasst Systeme für die Entwicklung im Labor, Versuche mit Pilot- und Tischsystemen, den anspruchsvollen industriellen Betrieb und die kontinuierliche Inline-Produktion mit Durchflusszellen und Reaktoren.

UIP1000hdT und UIP2000hdT für Forschung mit Tischgeräten und Machbarkeitsversuche

UIP1000hdT und UIP2000hdT sind leistungsstarke Ultraschallprozessoren in Tischbauweise für Rezepturentwicklung, Machbarkeitsstudien und Verarbeitung im mittleren Maßstab. Sie eignen sich gut für die Entwicklung nanoverstärkter Zementrezepturen, bei der Forschende Nanomaterialtyp, Konzentration, chemische Zusammensetzung des Dispergiermittels, Beschallungsintensität, Verarbeitungszeit und Temperaturregelung untersuchen müssen.

Diese Systeme sind ideal für:

• Dispergierung von Graphen und CNTs in Wasser oder Zusatzmittellösungen.
• Machbarkeitsversuche mit nanoverstärkten Zementleimen.
• Optimierung des Energieeintrags bei der Ultraschallbehandlung.
• Herstellung reproduzierbarer Testchargen.
• Entwicklung von Hochleistungsmörtelrezepturen.
• Kontinuierliche Verarbeitung im kleinen Maßstab mit Durchflusszellenaufbauten.
• Validierung der Maßstabsvergrößerung vor der industriellen Produktion.

Für Forschungs- und Entwicklungsteams liefern UIP1000hdT und UIP2000hdT die für anspruchsvolle Nanomaterialien erforderliche Prozessintensität, während der Aufbau für den Einsatz im Labor, im Technikum und in Pilotanlagen praktikabel bleibt.

Ultraschallexfoliation von Graphen

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

Für die Herstellung nanoverstärkter Zementzusätze, Nanodispersionen oder Hochleistungsmörtelkomponenten im kommerziellen Maßstab können industrielle Ultraschallgeräte von Hielscher wie UIP6000hdT und UIP16000hdT als Cluster für die kontinuierliche Verarbeitung mit hohem Durchsatz konfiguriert werden.
Cluster aus UIP6000hdT- oder UIP16000hdT-Geräten ermöglichen es Herstellern, die Verarbeitungskapazität zu erhöhen und dabei den Ultraschallenergieeintrag kontrolliert zu halten. Dieser modulare Ansatz ist besonders nützlich, wenn das Produktionsvolumen vom Pilotmaßstab zur Produktion im vollen Maßstab wächst.

Industrielle Konfigurationen unterstützen:

• Kontinuierliche Inline-Dispergierung von Graphen, CNTs und Nanoadditiven.
• Verarbeitung von Nanomaterial-Masterdispersionen mit hohem Durchsatz.
• Integration in Produktionslinien für Zementzusatzmittel oder Trockenmörtel.
• Parallelbetrieb von Ultraschallreaktoren zur Kapazitätserhöhung.
• Robuste Produktionsumgebungen für den 24/7-Betrieb.
• Prozessregelung und -überwachung für eine gleichbleibende Produktqualität.

Die Industriesysteme von Hielscher sind für anspruchsvollen Dauerbetrieb ausgelegt, und Hochleistungsgeräte sind mit bis zu 16 kW pro Gerät erhältlich.

Literatur / Quellen

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• 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.
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