Verstärkte Geopolymerisation durch Sonikation

Geopolymere stellen eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Materialien auf Zementbasis dar und bieten Vorteile in Bezug auf Umwelt, Mechanik und Haltbarkeit. Die Ultraschalldispergierung ist eine hocheffiziente Technik zur Herstellung von Geopolymeren mit hervorragenden Materialeigenschaften. Die Beschallung ist ein hocheffizientes Mischverfahren, das die wirtschaftliche Herstellung von Hochleistungsgeopolymeren in großen Mengen ermöglicht.

Verbesserte Geopolymerisation durch Leistungsultraschall

Die Geopolymerisation erfordert ein sorgfältiges und kräftiges Mischen, um einen optimalen Kontakt zwischen den Komponenten zu gewährleisten und die vollständige Polymerisation zu erleichtern. Die Anwendung von Leistungsultraschall erzeugt intensive Scherkräfte und fördert so die notwendige Durchmischung und Homogenisierung, während gleichzeitig Energie bereitgestellt wird, die zu einer schnellen und gründlichen Geopolymerisation führt. Leistungsultraschall verbessert die Geopolymerisationskinetik, indem er eine bessere Dispersion der Reaktanten fördert und den Abbau von Agglomeraten erleichtert, was zu einer verbesserten Reaktionsgeschwindigkeit und Produktqualität führt.

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Ultraschall-Dispergierer MultiSonoReactor mit 16.000 Watt Dispergierleistung zum Mischen von Reagenzien und Beschleunigen katalytischer Extraktionsprozesse

MultiSonoReactor mit 16kW Ultraschallleistung für die Inline-Geopolymerisation im Produktionsmaßstab

Das Mischen und Dispergieren mit Ultraschall kann die Geopolymerisation durch mehrere Mechanismen fördern:

  • Erhöhte Reaktivität: Ultraschallenergie erhöht die Reaktivität der Geopolymer-Vorstufen, indem sie die Auflösung von Silikaten und Aluminaten fördert, die Schlüsselkomponenten bei Geopolymerisationsreaktionen sind. Der durch die Ultraschallwellen erzeugte akustische Kavitationseffekt erzeugt lokale Hotspots, die die Auflösungskinetik erhöhen und die Reaktionsgeschwindigkeit insgesamt steigern. Die Beschallung beschleunigt die Auflösung von Aluminosilikat-Vorläufern und die Polymerisation von Silikatspezies, was zu kürzeren Verarbeitungszeiten und einer schnelleren Aushärtung von Geopolymermaterialien führt.
  • Homogenes Mischen: Das Mischen mit Ultraschall gewährleistet eine gleichmäßige Dispersion der Ausgangsstoffe in der Geopolymermatrix. Diese homogene Verteilung der Reaktanten erleichtert die Bildung einer gleichmäßigeren und besser definierten Geopolymerstruktur, was zu besseren mechanischen Eigenschaften und einer besseren Gesamtleistung führt.
  • Reduzierung der Partikelgröße: Leistungsstarker Ultraschall zerkleinert auch größere Partikel und vergrößert so die für die Reaktion verfügbare Oberfläche. Diese feinere Partikelgröße fördert den Kontakt zwischen den Reaktanten und beschleunigt den Geopolymerisationsprozess.
  • Beseitigung von Agglomeraten: Das Mischen mit Ultraschall hilft, Agglomerate oder Cluster von Partikeln aufzubrechen, was einen besseren Grenzflächenkontakt zwischen den einzelnen Partikeln gewährleistet und eine effizientere Geopolymerisation fördert.
  • Diese ultraschallinduzierten Mechanismen tragen gemeinsam zur Verbesserung der Geopolymerisationskinetik und zur Entwicklung von Geopolymermaterialien mit verbesserten Eigenschaften bei.

    Leistungs-Ultraschall für eine verbesserte Herstellung von Baumaterialien

    Leistungsultraschall hat sich zu einer zuverlässigen Technologie für die Herstellung von Bau- und Konstruktionsmaterialien entwickelt, darunter Zement, Beton, Geopolymere und andere Baustoffe. Bei der Ultraschallverarbeitung werden niederfrequente Ultraschallwellen auf ein flüssiges oder aufgeschlämmtes Medium angewendet, was eine Reihe von positiven Auswirkungen auf die Material- und Verarbeitungseigenschaften hat. Forscher und Fachleute aus der Industrie haben zunehmend das Potenzial von Ultraschall zur Verbesserung der Leistung, Effizienz und Nachhaltigkeit von Baumaterialien erkannt. Diese Einführung gibt einen Überblick über die Anwendungen und Vorteile von Leistungsultraschall bei der Herstellung von Bau- und Konstruktionsmaterialien.

    Ultraschallgerät UP200St (200 W) zur Dispergierung von Ruß in Wasser unter Verwendung von Tween80 (1 Gew.-%) als Tensid.

    Ultraschalldispergierung von Carbon Black mit dem Ultraschallgerät UP200St

    Video-Miniaturansicht

    • Zement: Die Ultraschallbehandlung kann die Hydratationskinetik von zementhaltigen Materialien verbessern, indem sie die Auflösung von Klinkerphasen fördert und die Bildung von Hydratationsprodukten beschleunigt. Dies führt zu kürzeren Aushärtungszeiten, einer verbesserten Frühfestigkeitsentwicklung und einer erhöhten Dauerhaftigkeit von Betonstrukturen. Darüber hinaus kann Ultraschall die Dispersion von Zusatzstoffen und zusätzlichen zementhaltigen Materialien wie Flugasche und Schlacke erleichtern, was zu nachhaltigeren und umweltfreundlicheren Zementzusammensetzungen führt.
      Lesen Sie mehr über ultraschallbeschleunigtes Abbinden und frühe Festigkeitsentwicklung von Beton!
    • Beton: Misch- und Nachbehandlungsverfahren mit Ultraschall können die Verarbeitbarkeit, Festigkeit und Haltbarkeit von Betonmischungen verbessern. Die Beschallung fördert die Dispersion von Zuschlagstoffen und Bewehrungsfasern, verringert das Vorhandensein von Luftporen und Defekten und verbessert die Bindung zwischen der zementhaltigen Matrix und den Zuschlagstoffen. Das Ergebnis ist ein Beton mit höherer Druckfestigkeit, verbesserter Riss- und Zersetzungsbeständigkeit und verbessertem Langzeitverhalten unter verschiedenen Umweltbedingungen.
      Erfahren Sie mehr über die positiven Auswirkungen der Beschallung auf die Hydratation im Zement!
    • Geopolymere: Die Ultraschallbehandlung spielt eine entscheidende Rolle bei der Synthese und Aushärtung von Geopolymeren, die eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Materialien auf Zementbasis darstellen. Die Beschallung fördert die Auflösung von Alumosilikat-Vorläufern, beschleunigt die Polymerisation von Silikatspezies und verbessert die Homogenisierung der Reaktanten, was zu einer schnelleren Aushärtung und besseren mechanischen Eigenschaften der Geopolymerprodukte führt. Darüber hinaus kann Ultraschall die rheologischen Eigenschaften und die Verarbeitbarkeit von Geopolymeraufschlämmungen verbessern, was die Herstellung komplexer Formen und Strukturen ermöglicht.
    • Andere Baumaterialien: Leistungsstarker Ultraschall findet vielfältige Anwendung bei der Herstellung verschiedener Baumaterialien wie Mörtel, Fugenmörtel, Putz und Dämmstoffe. Die Beschallung kann die Dispersion von Zusatz-, Füll- und Verstärkungsstoffen verbessern, die Mikrostruktur und Porosität von Materialien optimieren und ihre thermischen und mechanischen Eigenschaften verbessern. Insbesondere wenn es um die gleichmäßige Einarbeitung von Nanomaterialien geht, tragen Ultraschalldispergierung und Geagglomeration zur Qualität und Leistung von Baumaterialien in Architektur- und Infrastrukturanwendungen bei.
      Lesen Sie mehr über die hervorragende Dispersion von Nanomaterialien durch Beschallung!

     

    Das Video zeigt das Ultraschallmischen und Dispergieren von Graphit in 250 ml Epoxidharz (Toolcraft L) mit einem Ultraschallhomogenisator (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics stellt Geräte zum Dispergieren von Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Nanodrähten oder Füllstoffen im Labor oder in der Großserienproduktion her. Typische Anwendungen sind das Dispergieren von Nano- und Mikromaterialien während des Funktionalisierungsprozesses oder das Dispergieren in Harzen oder Polymeren.

    Mischen von Epoxidharz mit Graphit-Füllstoff mit dem Ultraschallhomogenisator UP400St (400 Watt)

    Video-Miniaturansicht

     

    Hochleistungssonicatoren für die Geopolymerproduktion

    Ultraschall-Dispergierer für die Geopolymer-Synthese: Ultraschall-Homogenisator UIP1000hdT für Laborversuche zur Formulierung von Hochleistungs-GeopolymerenHielscher-Sonicatoren sind in der Lage, intensive akustische Kavitation zu erzeugen, die zur Bildung und zum Zerfall von mikroskopisch kleinen Blasen im flüssigen Medium führt. Dieser Prozess führt zu einer hocheffizienten Durchmischung und Homogenisierung der Geopolymer-Vorprodukte, wodurch eine gleichmäßige Verteilung der Reaktanten gewährleistet und die Qualität des Endprodukts verbessert wird. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb gefahren werden. Die kontinuierliche Verarbeitung mit einer Ultraschall-Durchflusszelle ermöglicht die Beschallung großer Volumina unter genau kontrollierten Bedingungen und garantiert eine gleichbleibend hohe Qualität der Geopolymerisation.
    Ultraschall-Dispergierer für die Geopolymer-Synthese in beliebigem Maßstab: Hielscher bietet eine Reihe von Ultraschallgeräten mit unterschiedlichen Leistungen und Verarbeitungsvolumina an, die eine Skalierbarkeit und individuelle Anpassung an die spezifischen Anforderungen von Geopolymer-Herstellungsprozessen ermöglichen. Ob für Experimente im Labormaßstab oder für die industrielle Inline-Produktion, Hielscher Ultraschallgeräte können an die Anforderungen der verschiedenen Anwendungen angepasst werden.
    Stärken der Ultraschallbearbeitung – einschließlich verbesserter Homogenisierung, beschleunigter Reaktionskinetik, Reduzierung der Partikelgröße, verbesserter mechanischer Eigenschaften und Skalierbarkeit – machen Hielscher zu einer leistungsstarken Technik zur Optimierung der Geopolymersynthese und zur Förderung der Entwicklung nachhaltiger Baumaterialien. Hielscher Sonicators bieten starke Vorteile für die Geopolymerherstellung und bringen Sie an die Spitze der Geopolymerproduktion.

    Hochleistungssonicator UIP16000 für hochvolumige Prozesse wie Homogenisieren, Dispergieren, Emulgieren, Mahlen oder Geopolymerisieren.

    Sonicator UIP16000 zum Dispergieren von Baumaterialien wie Geopolymeren oder zementartigen Materialien.

    Warum Hielscher Ultrasonics?

    • hoher Wirkungsgrad
    • Modernste Technik
    • Zuverlässigkeit & Robustheit
    • einstellbare, präzise Prozesskontrolle
    • Batch & Inline
    • für jedes Volumen
    • intelligente Software
    • intelligente Funktionen (z. B. programmierbar, Datenprotokollierung, Fernsteuerung)
    • einfach und sicher zu bedienen
    • Geringer Wartungsaufwand
    • CIP (Clean-in-Place)

    Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany

    Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die problemlose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Hielscher Ultraschallgeräte kein Problem.

    Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Ultraschallgeräte CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

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

    Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
    10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
    0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
    10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
    15 bis 150 Liter 3 bis 15 l/min UIP6000hdT
    n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
    n.a. größere Cluster aus UIP16000

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    Ultraschall-High-Shear-Homogenisatoren werden im Labor, Technikum, in der Pilotanlage sowie in der industriellen Produktion eingesetzt. Die Ultraschallbehandlung ist hocheffizient bei der Herstellung von langzeitstabilen Nanoemulsionen.

    Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.



    Literatur / Literaturhinweise

    Wissenswertes

    Was sind Geopolymere und wofür werden sie verwendet?

    Geopolymere sind anorganische Polymere oder Alumosilikatmaterialien, die in der Regel durch die alkalische Aktivierung von Alumosilikatvorprodukten wie Flugasche, Schlacke, Metakaolin oder natürlichen Materialien wie Vulkanasche synthetisiert werden. Sie werden durch ein polymeres Netzwerk aus Aluminium- und Siliziumoxiden gebildet, wobei der alkalische Aktivator eine entscheidende Rolle bei der Initiierung der Geopolymerisationsreaktion spielt.
    Diese Materialien haben aufgrund ihrer umweltfreundlichen Eigenschaften und ihrer hervorragenden technischen Leistung als nachhaltige Alternative zu herkömmlichem Beton auf Portlandzementbasis an Aufmerksamkeit gewonnen.

    Geopolymere werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, unter anderem:

  • Baumaterialien: Geopolymerbeton, Mörtel und Einpressmörtel werden für strukturelle und nicht-strukturelle Anwendungen in Gebäuden, Brücken, Straßen und Infrastrukturprojekten verwendet.
  • Feuerfeste Materialien: Geopolymere können hohen Temperaturen standhalten und werden bei der Herstellung von feuerfesten Materialien für Öfen und industrielle Anwendungen eingesetzt.
  • Beschichtungen und Oberflächenbehandlungen: Beschichtungen auf Geopolymerbasis werden für den Korrosionsschutz, die Feuerbeständigkeit und die Wasserdichtigkeit in der Infrastruktur, im Meer und in der Industrie eingesetzt.
  • Immobilisierung von Abfällen: Geopolymere werden zur Immobilisierung und Stabilisierung von gefährlichen und radioaktiven Abfällen eingesetzt und stellen eine sichere und umweltfreundliche Entsorgungslösung dar.
  • Geopolymere – Eine grüne Alternative zu Beton

    Geopolymere bieten aufgrund mehrerer umweltfreundlicher Eigenschaften eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichem Beton. Zu den wichtigsten Vorteilen von Geopolymeren als Baumaterial gehören die Verringerung der Kohlenstoffemissionen, die Nutzung industrieller Nebenprodukte, die Einsparung von Energie und Wasser sowie ihre Wiederverwertbarkeit und Haltbarkeit. Da das Bewusstsein für Umweltfragen weltweit wächst, werden Geopolymere zunehmend als praktikable Lösung zur Reduzierung des ökologischen Fußabdrucks von Baumaterialien anerkannt. Die Sonikation ist eine hochwirksame Mischtechnik, die es ermöglicht, hochleistungsfähige Geopolymere kostengünstig in großen Mengen herzustellen.
     

    • Reduzierter Kohlenstoff-Fußabdruck: Geopolymere haben in der Regel eine geringere CO2-Bilanz als herkömmlicher Beton auf Portlandzementbasis. Die Herstellung von Portlandzement erfolgt in Hochtemperaturöfen, die erhebliche Mengen an Kohlendioxid (CO2) freisetzen. Im Gegensatz dazu können Geopolymere bei viel niedrigeren Temperaturen, manchmal sogar bei Raumtemperatur, synthetisiert werden, was zu einem geringeren Energieverbrauch und geringeren CO2-Emissionen bei der Herstellung führt.
    • Verwertung von industriellen Nebenprodukten: Für Geopolymere werden häufig industrielle Nebenprodukte wie Flugasche, Schlacke und Metakaolin als Vorprodukte verwendet. Diese Materialien werden häufig als Abfallprodukte anderer Industrien betrachtet und müssten andernfalls entsorgt werden, was zu einer Belastung der Umwelt führt. Durch die Einbeziehung dieser Nebenprodukte in Geopolymere werden sie nicht nur von den Deponien ferngehalten, sondern sie verringern auch den Bedarf an neuen Rohstoffen, was die Umweltbelastung weiter reduziert.
    • Geringerer Energieverbrauch: Die Herstellung von Geopolymeren erfordert in der Regel einen geringeren Energieeinsatz als die von Portlandzement. Geopolymerisationsprozesse können bei niedrigeren Temperaturen ablaufen und erfordern möglicherweise nicht den umfangreichen Kalzinierungsprozess, der bei der Zementherstellung erforderlich ist. Dies führt zu einem geringeren Energieverbrauch und damit verbundenen Treibhausgasemissionen.
    • Strapazierfähigkeit und Langlebigkeit: Geopolymere können hervorragende Dauerhaftigkeitseigenschaften aufweisen, einschließlich hoher Druckfestigkeit, geringer Durchlässigkeit und Beständigkeit gegen chemische Korrosion. Infolgedessen müssen Bauwerke aus Geopolymeren im Vergleich zu herkömmlichem Beton während ihrer Lebensdauer weniger gewartet und repariert werden. Diese Langlebigkeit verringert die Notwendigkeit eines häufigen Wiederaufbaus oder Ersatzes, wodurch Ressourcen geschont und die Umweltbelastung insgesamt verringert wird.
    • Geringerer Wasserverbrauch: Bei der Herstellung von Geopolymeren wird in der Regel weniger Wasser benötigt als bei herkömmlichem Beton. Der Mischprozess für Geopolymere beinhaltet oft einen minimalen Wassergehalt, was zu einem geringeren Wasserverbrauch und einer geringeren Belastung der Wasserressourcen führt.
    • Wiederverwertbarkeit und Wiederverwendbarkeit: Geopolymer-Materialien können am Ende ihrer Lebensdauer häufig recycelt oder wiederverwendet werden. Im Gegensatz zu herkömmlichem Beton, der für das Recycling oder die Entsorgung eine erhebliche energieintensive Verarbeitung erfordert, können Geopolymere mit geringeren Umweltauswirkungen abgebaut und wiederverwendet werden.

    Hochleistungs-Ultraschall! Die Hielscher-Produktpalette deckt das gesamte Spektrum vom kompakten Labor-Ultraschallhomogenisator über Benchtop-Sonicator bis hin zu vollindustriellen Ultraschallsystemen ab.

    Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.


    Wir besprechen Ihr Verfahren gerne mit Ihnen.

    Lassen Sie uns in Kontakt treten.