Morteros de cemento reforzados con nanomateriales mediante dispersión ultrasónica

La sonicación ultrasónica mejora la dispersión, la exfoliación y la desaglomeración de grafeno, CNTs y nanomateriales en pastas y morteros de cemento. Los sonicadores Hielscher permiten formular cementos de alto rendimiento desde la I+D hasta la producción industrial.

Morteros de cemento reforzados con nanomateriales – Mejor dispersión y desaglomeración mediante sonicación

Los morteros y las pastas de cemento reforzados con nanomateriales ofrecen una vía eficaz para obtener materiales de construcción de alto rendimiento. Mediante la incorporación de nanomateriales como grafeno, óxido de grafeno, nanotubos de carbono (CNTs), nanosílice, nanoarcillas u otras cargas funcionales, los materiales cementicios pueden diseñarse para mejorar la resistencia mecánica, la resistencia a la fisuración, la durabilidad y la conductividad eléctrica, reducir la permeabilidad y mejorar el rendimiento a largo plazo.
El problema: El pleno potencial de los nanomateriales en sistemas cementicios solo se alcanza cuando las partículas se dispersan uniformemente. Las láminas de grafeno, los haces de CNTs y otros nanoaditivos tienden a formar aglomerados debido a las fuertes fuerzas de van der Waals, la elevada energía superficial y el entrelazamiento. La agitación convencional, la mezcla con rotor-estator o la simple mezcla de polvos a menudo no consiguen romper suficientemente estos aglomerados. El resultado es una distribución deficiente, puntos débiles en la matriz del mortero, un uso ineficiente de nanomateriales costosos y propiedades del material poco uniformes.
La solución: Los ultrasonicadores de sonda Hielscher proporcionan una solución eficiente, escalable y probada industrialmente para la dispersión, la exfoliación, la desaglomeración y el entrelazamiento funcional de nanomateriales en pastas de cemento, formulaciones de mortero y suspensiones precursoras. Hielscher desarrolla y fabrica procesadores ultrasónicos para el procesamiento de líquidos, desde los estudios de viabilidad en laboratorio hasta la producción industrial continua, con una gama diseñada para el escalado desde sistemas de laboratorio compactos hasta equipos industriales de alta potencia.

Por qué es importante la dispersión de nanomateriales en los morteros de cemento

Los nanomateriales pueden mejorar significativamente los materiales compuestos cementicios porque interactúan con la matriz de cemento a una escala de longitud muy pequeña. El grafeno, los CNTs y otras nanocargas correctamente dispersados pueden actuar como sitios de nucleación, formar puentes en las microfisuras, refinar las estructuras de poros y mejorar la transferencia de cargas dentro de la matriz endurecida.
En la práctica, el rendimiento depende menos de la cantidad nominal de nanomaterial añadido que de la calidad de la dispersión. Una pequeña cantidad de grafeno o CNTs bien dispersados puede ofrecer un rendimiento superior al de una cantidad mayor de material mal dispersado. Los aglomerados actúan como defectos en lugar de como refuerzo. Reducen la trabajabilidad, generan concentraciones de tensiones y limitan la superficie efectiva del aditivo.
La dispersión ultrasónica aborda este reto fundamental de la formulación. Los ultrasonidos de alta intensidad generan fuertes fuerzas de cizallamiento localizadas, micromezcla, ondas de choque y microchorros de líquido mediante cavitación acústica. Estos efectos separan los nanomateriales agrupados en haces, humectan las superficies de las partículas y los distribuyen uniformemente por toda la fase líquida antes de incorporarlos al cemento en polvo, a la pasta o al mortero.

Desaglomeración ultrasónica de grafeno, CNTs y nanoaditivos

Las nanoplaquetas de grafeno, el óxido de grafeno, el óxido de grafeno reducido y los nanotubos de carbono son especialmente atractivos para los materiales cementicios avanzados. Pueden contribuir a la resistencia a la tracción, la resistencia a la flexión, la tenacidad a la fractura, la conductividad eléctrica, el comportamiento térmico y la durabilidad. Al mismo tiempo, se encuentran entre los aditivos más difíciles de dispersar.
La cavitación ultrasónica ayuda a superar las fuerzas de atracción entre las estructuras nanométricas. En un líquido sometido a sonicación, las burbujas de cavitación que colapsan generan un intenso aporte local de energía. Esto puede disgregar agrupaciones de partículas, separar haces de CNTs, exfoliar materiales laminares y mejorar la distribución de las nanocargas.

Los principales efectos ultrasónicos en la producción de morteros reforzados con nanomateriales incluyen:

• Desaglomeración: Disgregación de agrupaciones de grafeno, CNTs, nanosílice o aditivos híbridos para obtener distribuciones de partículas más pequeñas y uniformes.
• Dispersión: Distribución homogénea de nanomateriales en agua, soluciones de plastificantes, mezclas de aditivos o suspensiones cementicias.
• Exfoliación: Separación de materiales laminares como grafito, nanoplaquetas de grafeno o arcillas en láminas más finas con mayor superficie activa.
• Humectación y activación: Mejora del contacto del líquido con las superficies de los nanomateriales para una mejor interacción con los hidratos del cemento y los aditivos.
• Entrelazamiento y formación de redes: Favorecimiento de la formación de redes distribuidas de CNTs o grafeno que pueden mejorar la formación de puentes en las fisuras, la conductividad y la funcionalidad estructural.
• Reproducibilidad: Creación de condiciones de proceso controladas para obtener formulaciones uniformes desde los ensayos de laboratorio hasta la escala de producción.

Ventajas de la dispersión ultrasónica en pastas y morteros de cemento

El valor económico y técnico de la sonicación es especialmente elevado en la producción de cemento de alto rendimiento. Los nanomateriales suelen ser costosos y sus ventajas dependen de que se utilicen de forma eficiente. Cuando la sonicación mejora la calidad de la dispersión, los responsables de la formulación a menudo pueden reducir la sobredosificación, aumentar la reproducibilidad y obtener un mayor rendimiento por kilogramo de aditivo.

Para los productores de morteros avanzados, materiales de reparación, componentes prefabricados, materiales cementicios imprimibles en 3D o productos químicos especializados para la construcción, el procesamiento ultrasónico puede contribuir a:

• Un mayor rendimiento a compresión, flexión y tracción mediante una mejor distribución de las nanocargas.
• Una mayor resistencia a la fisuración y tenacidad gracias a un microrrefuerzo más eficaz.
• Una menor permeabilidad y una mayor durabilidad mediante el refinamiento de la estructura de poros.
• Una calidad del material más uniforme entre lotes.
• Un mejor aprovechamiento del grafeno, los CNTs y otros nanoaditivos costosos.
• Una evaluación de formulaciones y una optimización del proceso más rápidas.
• Una producción escalable desde el desarrollo en laboratorio hasta el procesamiento industrial continuo.
• Un mejor control de los parámetros de proceso, como la amplitud, el aporte de energía, el caudal, la temperatura y el tiempo de residencia.

Los ultrasonicadores Hielscher están diseñados para una transferencia de energía medible y reproducible a líquidos, suspensiones y mezclas semilíquidas. El mismo mecanismo fundamental de sonicación puede utilizarse en distintas clases de potencia, lo que permite a los clientes desarrollar los parámetros de proceso a pequeña escala y después transferirlos a sistemas de sobremesa, piloto o industriales de mayor tamaño.

Termografías infrarrojas de pasta de cemento nanomodificada reforzada con (a) CNTs y (b) GNPs. Los CNTs y el grafeno se dispersaron con el sonicador UP400S.
Estudio y gráficos: ©Farmaki et al., 2025

Sonicación antes de añadir el cemento: la secuencia de proceso preferida

Para muchas formulaciones de cemento reforzado con nanomateriales, el enfoque más eficaz consiste en dispersar primero el nanomaterial en la fase líquida. Esta puede ser agua, una solución de superplastificante, un dispersante con tensioactivos, un aditivo polimérico, un sol de sílice u otro componente líquido de la formulación del mortero.
Una secuencia típica de procesamiento ultrasónico es:

1. Añadir grafeno, CNTs u otros nanomateriales a la fase líquida.
2. Humectar previamente el polvo o la nanocarga con una mezcla moderada.
3. Aplicar ultrasonidos de alta intensidad para desaglomerar y dispersar el material.
4. Controlar la temperatura si es necesario.
5. Añadir la nanodispersión sonicada al cemento, la arena y los demás componentes del mortero.
6. Mezclar hasta alcanzar la consistencia final de la pasta o del mortero.

Esta secuencia permite un mejor control que la mezcla en seco de nanopartículas con cemento en polvo. También aumenta la probabilidad de que los nanomateriales ya estén separados, humectados y distribuidos uniformemente antes de que comiencen la hidratación y el fraguado.

Beneficios económicos para la producción de cemento de alto rendimiento

Los nanoaditivos pueden ser costosos y su uso debe justificarse mediante mejoras de rendimiento medibles. Una dispersión deficiente desperdicia material. El grafeno o los CNTs aglomerados aumentan el coste de la formulación sin proporcionar el refuerzo esperado. Por el contrario, la dispersión ultrasónica mejora el aprovechamiento efectivo de los nanomateriales.
Los beneficios económicos incluyen:

• Menor desperdicio de aditivos: Una mayor proporción del nanomaterial contribuye al rendimiento en lugar de permanecer atrapada en aglomerados.
• Menor riesgo en la formulación: Una dispersión uniforme reduce los lotes fallidos y los resultados de ensayo inestables.
• Ciclos de I+D más rápidos: Las formulaciones pueden evaluarse con parámetros de sonicación controlados.
• Mejor escalado: Los parámetros de proceso pueden transferirse de los ensayos de viabilidad a los equipos industriales.
• Productos de mayor valor: Los morteros más resistentes, duraderos y funcionales permiten aplicaciones de alta gama.
• Potencial de producción continua: La sonicación en línea permite un procesamiento de alta capacidad para la fabricación comercial.

Para los fabricantes, el valor principal no reside únicamente en una mejor calidad de dispersión. También reside en la capacidad de transformar el cemento reforzado con nanomateriales de un concepto de laboratorio en un proceso de producción controlado y escalable.

De la formulación en laboratorio a la producción industrial de cemento

Una de las principales ventajas de la tecnología ultrasónica Hielscher es su vía práctica de escalado. Las formulaciones de cemento reforzado con nanomateriales pueden desarrollarse a escala de sobremesa y después transferirse a sistemas de mayor tamaño sin cambiar el principio fundamental de procesamiento. En lugar de reinventar el proceso de dispersión para la producción, los fabricantes pueden escalar la potencia ultrasónica, la geometría de la celda de flujo, el tiempo de residencia y la configuración del reactor.
Esto reduce el riesgo técnico. También acorta el camino desde las muestras de mortero que han dado buenos resultados hasta los productos comerciales de cemento de alto rendimiento.

Un flujo de trabajo típico de escalado incluye:

1. Definir el rendimiento objetivo del mortero y el sistema de nanomateriales.
2. Evaluar aditivos de grafeno, CNTs, nanosílice o híbridos.
3. Determinar la intensidad de sonicación y el aporte de energía necesarios.
4. Optimizar los medios de dispersión, los aditivos y el control de la temperatura.
5. Producir lotes de ensayo con sistemas UIP1000hdT o UIP2000hdT.
6. Validar propiedades del mortero como la resistencia, la trabajabilidad y la durabilidad.
7. Transferir el proceso a conjuntos de unidades UIP6000hdT o UIP16000hdT para la producción.
8. Integrar la sonicación en línea en la fabricación continua.

El cemento de alto rendimiento necesita una dispersión de alta calidad

El futuro de la tecnología del cemento no se basa únicamente en nuevas composiciones químicas de los conglomerantes. También depende de un mejor control de la microestructura, los aditivos funcionales y el procesamiento. Los nanomateriales como el grafeno y los CNTs pueden ayudar a producir materiales cementicios más resistentes, tenaces, inteligentes y duraderos. Pero esto requiere una dispersión fiable.
Los ultrasonicadores Hielscher proporcionan a los productores de cemento, los fabricantes de productos químicos para la construcción y los institutos de investigación una herramienta escalable para el procesamiento de nanoaditivos. Desde las primeras etapas de formulación hasta la producción en línea de alta capacidad, la sonicación mejora la dispersión, la exfoliación, la desaglomeración y la estructuración funcional de los nanomateriales en pastas y morteros de cemento.
Para la producción de cemento de alto rendimiento, el procesamiento ultrasónico ofrece una ventaja clara: un mejor rendimiento del material, un uso más eficiente de nanoaditivos costosos y una vía directa desde los buenos resultados en laboratorio hasta la fabricación industrial.

La tabla siguiente ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros ultrasonicadores:

Sonicadores Hielscher para investigación, ensayos de viabilidad y producción

Hielscher ofrece procesadores ultrasónicos en clases de potencia para laboratorio, sobremesa, escala piloto e industria. Esto es esencial para quienes desarrollan cementos y morteros, porque las formulaciones reforzadas con nanomateriales a menudo deben pasar por varias etapas: evaluación inicial de materiales, desarrollo de parámetros de dispersión, ensayos de mortero, lotes piloto y producción industrial.
La gama de Hielscher se articula en torno al procesamiento ultrasónico escalable, con sistemas para el desarrollo en laboratorio, los ensayos piloto y de sobremesa, el funcionamiento industrial de servicio pesado y la producción continua en línea mediante celdas de flujo y reactores.

UIP1000hdT y UIP2000hdT para investigación de sobremesa y ensayos de viabilidad

El UIP1000hdT y el UIP2000hdT son potentes procesadores ultrasónicos de sobremesa para el desarrollo de formulaciones, los estudios de viabilidad y el procesamiento a mediana escala. Son muy adecuados para desarrollar formulaciones de cemento reforzado con nanomateriales en las que los investigadores necesitan ensayar el tipo de nanomaterial, la concentración, la composición química del dispersante, la intensidad de sonicación, el tiempo de procesamiento y el control de la temperatura.

Estos sistemas son ideales para:

• Dispersión de grafeno y CNTs en agua o soluciones de aditivos.
• Ensayos de viabilidad de pastas de cemento reforzadas con nanomateriales.
• Optimización del aporte de energía de sonicación.
• Preparación de lotes de ensayo reproducibles.
• Desarrollo de formulaciones de mortero de alto rendimiento.
• Procesamiento continuo a pequeña escala con configuraciones de celda de flujo.
• Validación del escalado antes de la producción industrial.

Para los equipos de I+D, el UIP1000hdT y el UIP2000hdT proporcionan la intensidad de proceso necesaria para nanomateriales exigentes, manteniendo una configuración práctica para entornos de laboratorio, centros técnicos e instalaciones piloto.

Exfoliación ultrasónica de grafeno

Conjuntos de unidades UIP6000hdT y UIP16000hdT para producción de alta capacidad

Para la producción a escala comercial de aditivos de cemento reforzados con nanomateriales, nanodispersiones o componentes de mortero de alto rendimiento, los ultrasonicadores industriales Hielscher, como el UIP6000hdT y el UIP16000hdT, pueden configurarse en conjuntos de unidades para un procesamiento continuo de alta capacidad.
Los conjuntos de unidades UIP6000hdT o UIP16000hdT permiten a los fabricantes aumentar la capacidad de procesamiento manteniendo un aporte controlado de energía ultrasónica. Este enfoque modular resulta especialmente útil cuando los volúmenes de producción aumentan desde la escala piloto hasta la fabricación a plena escala.

Las configuraciones industriales permiten:

• Dispersión continua en línea de grafeno, CNTs y nanoaditivos.
• Procesamiento de alta capacidad de dispersiones madre de nanomateriales.
• Integración en líneas de producción de aditivos para cemento o morteros de mezcla seca.
• Funcionamiento en paralelo de reactores ultrasónicos para aumentar la capacidad.
• Entornos de producción robustos con funcionamiento 24/7.
• Control y supervisión del proceso para una calidad uniforme del producto.

Los sistemas industriales Hielscher están concebidos para un funcionamiento continuo exigente y hay unidades de alta potencia disponibles de hasta 16 kW por equipo.

Bibliografía / Referencias

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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.
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