Nanoarmeeritud tsementmördid ultraheli dispergeerimisega

Ultraheli töötlus parandab grafeeni, CNT-de ja muude nanomaterjalide dispergeerimist, eksfolieerimist ja deaglomeratsiooni tsemendipastades ja mörtides. Hielscheri sonikaatorid võimaldavad kõrge jõudlusega tsemendi koostise väljatöötamist alates teadus- ja arendustööst kuni tööstusliku tootmiseni.

Nanoarmeeritud tsementmördid – parem dispergeerimine ja deaglomeratsioon ultraheli töötlusega

Nanoarmeeritud tsementmördid ja tsemendipastad pakuvad võimsa tee kõrge jõudlusega ehitusmaterjalideni. Lisades nanomaterjale, näiteks grafeeni, grafeenoksiidi, süsiniknanotorusid (CNT), nanoränidioksiidi, nanosavisid või muid funktsionaalseid täiteaineid, saab tsemendipõhiseid materjale projekteerida parema mehaanilise tugevuse, pragunemiskindluse, vastupidavuse, elektrijuhtivuse, väiksema läbilaskvuse ja parema pikaajalise toimivusega.
Probleem: Nanomaterjalide täielik potentsiaal tsemendisüsteemides saavutatakse ainult siis, kui osakesed on ühtlaselt dispergeeritud. Grafeenilehed, CNT kimbud ja muud nanolisandid kalduvad tugevate van der Waalsi jõudude, suure pindenergia ja põimumise tõttu moodustama aglomeraate. Tavapärane segamine, rootor-staator-segamine või lihtne pulbrite segamine ei suuda neid aglomeraate sageli piisavalt lõhkuda. Tulemuseks on halb jaotumine, nõrgad kohad mördimaatriksis, kallite nanomaterjalide ebatõhus kasutamine ja ebaühtlased materjaliomadused.
Lahendus: Hielscheri sondtüüpi ultraheliseadmed pakuvad tõhusat, skaleeritavat ja tööstuslikult tõestatud lahendust nanomaterjalide dispergeerimiseks, eksfolieerimiseks, deaglomeratsiooniks ja funktsionaalseks põimimiseks tsemendipastades, mördikoostistes ja lähtesuspensioonides. Hielscher arendab ja toodab ultraheliprotsessoreid vedelike töötlemiseks alates laboratoorsest teostatavusuuringust kuni tööstusliku pideva tootmiseni; tootevalik on loodud skaleerimiseks kompaktsetest laborisüsteemidest suure võimsusega tööstusseadmeteni.

Miks on nanomaterjalide dispergeerimine tsementmördides oluline

Nanomaterjalid võivad tsemendipõhiseid komposiite oluliselt parandada, sest nad interakteeruvad tsemendimaatriksiga väga väikesel pikkusskaalal. Korralikult dispergeeritud grafeen, CNT-d ja muud nanotäiteained võivad toimida tuumastumiskohtadena, ületada mikropragusid, peenendada pooristruktuuri ja parandada koormuse ülekannet kõvastunud maatriksis.
Praktikas sõltub toimivus vähem lisatud nanomaterjali nominaalsest kogusest ja rohkem dispersiooni kvaliteedist. Väike kogus hästi dispergeeritud grafeeni või CNT-sid võib ületada suurema koguse halvasti dispergeeritud materjali. Aglomeraadid käituvad pigem defektidena kui armatuurina. Need vähendavad töödeldavust, tekitavad pingekontsentratsioone ja piiravad lisandi efektiivset eripinda.
Ultraheli dispergeerimine lahendab selle koostise väljatöötamise keskse väljakutse. Suure intensiivsusega ultraheli tekitab akustilise kavitatsiooni kaudu tugevaid lokaalseid nihkejõude, mikrosegamist, lööklaineid ja vedeliku mikrojuge. Need efektid eraldavad kimpudeks seotud nanomaterjale, niisutavad osakeste pindu ja jaotavad need ühtlaselt kogu vedelfaasis enne nende lisamist tsemendipulbrile, -pastale või mörtile.

Grafeeni, CNT-de ja nanolisandite ultraheliline deaglomeratsioon

Grafeeni nanoplaadid, grafeenoksiid, redutseeritud grafeenoksiid ja süsiniknanotorud on eriti atraktiivsed arenenud tsemendipõhiste materjalide jaoks. Need võivad aidata kaasa tõmbetugevusele, paindetugevusele, purunemissitkusele, elektrijuhtivusele, termilisele käitumisele ja vastupidavusele. Samal ajal kuuluvad need kõige raskemini dispergeeritavate lisandite hulka.
Ultraheli kavitatsioon aitab ületada nanoskaala struktuuride vahelisi külgetõmbejõude. Sonikeeritud vedelikus tekitavad kollapseeruvad kavitatsioonimullid intensiivset lokaalset energiasisendit. See võib lõhkuda osakeste klastreid, eraldada CNT kimpe, eksfolieerida kihilisi materjale ja parandada nanotäiteainete jaotumist.

Ultraheli peamised mõjud nanoarmeeritud mördi tootmisel on järgmised:

• Deagglomeratsioon: Grafeeni, CNT-de, nanoränikrohvi või hübriidlisandite klastrite lagundamine väiksemateks ja ühtlasemateks osakeste jaotusteks.
• Dispersioon: Nanomaterjalide homogeenne jaotamine vees, plastifikaatorilahustes, lisandisegudes või tsementmaterjalidel põhinevates suspensioonides.
• Eksfoliatsioon: Kihiliste materjalide, näiteks grafiidi, grafeeni nanoplaatide või savide eraldamine õhemateks lehtedeks, millel on suurem aktiivne pindala.
• Märgamine ja aktiveerimine: Vedeliku kontakti parandamine nanomaterjalide pindadega, et tagada parem koostoime tsemendihüdraatide ja lisanditega.
• Põimumine ja võrgustiku moodustumine: Jaotunud CNT- või grafeenivõrgustike moodustumise toetamine, mis võivad parandada pragusid ületavat sidumist, juhtivust ja struktuurset funktsionaalsust.
• Reprodutseeritavus: Kontrollitud protsessitingimuste loomine ühtlaste koostiste jaoks laborikatsetest tootmismastaabini.

Ultraheli dispergeerimise eelised tsemendipastades ja mörtides

Ultraheli töötluse (sonikeerimise) majanduslik ja tehniline väärtus on eriti suur kõrgjõudlusega tsemendi tootmisel. Nanomaterjalid on sageli kallid ning nende kasu sõltub tõhusast kasutamisest. Kui sonikeerimine parandab dispersiooni kvaliteeti, saavad koostiste väljatöötajad sageli vähendada üledoseerimist, suurendada reprodutseeritavust ja saavutada lisandi kilogrammi kohta tugevama toimivuse.

Täiustatud mörtide, remondimaterjalide, monteeritavate betoonelementide, 3D-prinditavate tsementmaterjalide või spetsiaalsete ehituskemikaalide tootjatele võib ultraheli töötlus pakkuda järgmist:

• Suurem survetugevus, paindetugevus ja tõmbetugevus tänu nanotäiteaine paremale jaotumisele.
• Parem pragunemiskindlus ja sitkus tänu tõhusamale mikroarmeerimisele.
• Väiksem läbilaskvus ja parem vastupidavus tänu poorsuse struktuuri peenendamisele.
• Ühtlasem materjali kvaliteet partiist partiisse.
• Kalli grafeeni, CNT-de ja muude nanolisandite parem ärakasutamine.
• Kiirem koostiste sõelumine ja protsessi optimeerimine.
• Skaleeritav tootmine laboratoorsest arendusest pidevtöötluseni tööstuslikus mastaabis.
• Protsessiparameetrite, näiteks amplituudi, energiasisendi, vooluhulga, temperatuuri ja viibeaja parem kontroll.

Hielscheri ultraheli seadmed on mõeldud mõõdetavaks ja reprodutseeritavaks energia ülekandeks vedelikesse, suspensioonidesse ja pulpidesse. Sama põhilist sonikeerimise mehhanismi saab kasutada kõigis võimsusklassides, mis võimaldab klientidel töötada protsessiparameetrid välja väikeses mastaabis ja seejärel kanda need üle suurematele laua-, pilootmastaabi- või tööstussüsteemidele.

Nanomodifitseeritud tsemendipasta infrapunatermogrammid, mida on armeeritud (a) CNT-de ja (b) GNP-dega. CNT ja grafeen dispergeeriti sonikaatoriga UP400S.
Uuring ja graafikud: ©Farmaki et al., 2025

Sonikeerimine enne tsemendi lisamist: eelistatud protsessimarsruut

Paljude nanoarmeeritud tsemendikoostiste puhul on kõige tõhusam lähenemine nanomaterjali esmalt vedelas faasis dispergeerida. See võib olla vesi, superplastifikaatori lahus, pindaktiivset ainet sisaldav dispergent, polümeerlisand, ränisool või mõni muu mördikoostise vedel komponent.
Tüüpiline ultraheli protsessimarsruut on järgmine:

1. Lisage grafeen, CNT-d või muud nanomaterjalid vedelasse faasi.
2. Märjendage pulber või nanotäiteaine eelnevalt mõõduka segamise all.
3. Rakendage suure intensiivsusega ultraheli töötlust, et materjal deagglomereerida ja dispergeerida.
4. Vajaduse korral kontrollige temperatuuri.
5. Lisage sonikeeritud nanodispersioon tsemendile, liivale ja muudele mördi komponentidele.
6. Segage lõpliku pasta või mördi konsistentsini.

See marsruut tagab parema kontrolli kui nanoosakeste kuivsegamine tsemendipulbrisse. Samuti suurendab see tõenäosust, et nanomaterjalid on enne hüdratatsiooni ja kivistumise algust juba eraldatud, märgunud ja ühtlaselt jaotunud.

Majanduslikud eelised kõrgjõudlusega tsemendi tootmisel

Nanolisandid võivad olla kulukad ning nende kasutamist peavad õigustama mõõdetavad jõudluse paranemised. Halb dispersioon raiskab materjali. Aglomereerunud grafeen või CNT-d suurendavad koostise maksumust, andmata oodatud armeeringut. Seevastu ultraheli dispergeerimine parandab nanomaterjalide tõhusat ärakasutamist.
Majanduslikud eelised hõlmavad järgmist:

• Väiksem lisandite raiskamine: Suurem osa nanomaterjalist panustab jõudlusse, selle asemel et jääda aglomeraatidesse lõksu.
• Väiksem koostisega seotud risk: Ühtlane dispersioon vähendab ebaõnnestunud partiisid ja ebastabiilseid katsetulemusi.
• Kiiremad T&A tsüklid: Koostisi saab sõeluda kontrollitud ultraheli töötluse parameetritega.
• Parem skaleeritavus: Protsessi parameetreid saab üle kanda teostatavusuuringutelt tööstuslikele seadmetele.
• Kõrgema väärtusega tooted: Tugevamad, vastupidavamad ja funktsionaalsemad mördid toetavad premium-rakendusi.
• Pideva tootmise potentsiaal: Voolusisene ultraheli töötlus (sonikeerimine) võimaldab suure läbilaskevõimega töötlemist kommertstootmises.

Tootjate jaoks ei seisne põhiväärtus mitte ainult parema dispersiooni kvaliteedis. See on võime muuta nanoarmeeritud tsement laboratoorsest kontseptsioonist kontrollitud ja skaleeritavaks tootmisprotsessiks.

Laborikoostisest tööstusliku tsemenditootmiseni

Hielscheri ultraheli tehnoloogia suur eelis on praktiline skaleerimistee. Nanoarmeeritud tsemendikoostisi saab välja töötada laboratoorses mõõtkavas ja seejärel üle kanda suurematesse süsteemidesse, muutmata põhilist töötlemispõhimõtet. Selle asemel et dispergeerimisprotsessi tootmiseks uuesti leiutada, saavad tootjad skaleerida ultraheli võimsust, läbivoolukambri geomeetriat, viibeaega ja reaktori konfiguratsiooni.
See vähendab tehnilist riski. Samuti lühendab see teed edukatest mördiproovidest kommertsiaalsete suure jõudlusega tsementtoodeteni.

Tüüpiline skaleerimise töövoog hõlmab järgmist:

1. Määrake sihtmörtide jõudlus ja nanomaterjali süsteem.
2. Sõeluge grafeeni, CNT-sid, nanoränidioksiidi või hübriidlisandeid.
3. Määrake vajalik ultraheli töötluse intensiivsus ja energiasisend.
4. Optimeerige dispersioonikeskkonda, lisandeid ja temperatuuri kontrolli.
5. Valmistage katsepartiid UIP1000hdT või UIP2000hdT süsteemidega.
6. Valideerige mördi omadused, nagu tugevus, töödeldavus ja vastupidavus.
7. Viige protsess tootmiseks üle UIP6000hdT või UIP16000hdT klastritele.
8. Integreerige voolusisene ultraheli töötlus (sonikeerimine) pidevasse tootmisse.

Suure jõudlusega tsement vajab kvaliteetset dispersiooni

Tsemenditehnoloogia tulevik ei põhine ainult uuel sideaine keemial. See sõltub ka mikrostruktuuri, funktsionaalsete lisandite ja töötlemise paremast kontrollist. Nanomaterjalid, nagu grafeen ja CNT-d, võivad aidata toota tugevamaid, vastupidavamaid, nutikamaid ja kestvamaid tsementmaterjale. Kuid see nõuab töökindlat dispersiooni.
Hielscheri ultraheli seadmed pakuvad tsemenditootjatele, ehituskeemia tootjatele ja uurimisinstituutidele skaleeritavat tööriista nanolisandite töötlemiseks. Alates varajase etapi koostisest kuni suure läbilaskevõimega voolusisese tootmiseni parandab ultraheli töötlus (sonikeerimine) nanomaterjalide dispersiooni, eksfoliatsiooni, deaglomeratsiooni ja funktsionaalset struktureerimist tsemendipastades ja mörtides.
Suure jõudlusega tsemenditootmise jaoks pakub ultraheli töötlus selget eelist: parem materjali jõudlus, kallite nanolisandite tõhusam kasutamine ja otsene tee laboratoorsest edust tööstusliku tootmiseni.

Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultraheli seadmete ligikaudsest töötlemisvõimsusest:

Hielscheri sonikaatorid uuringuteks, teostatavuskatseteks ja tootmiseks

Hielscher pakub ultraheliprotsessoreid laboratoorsetes, lauaarvuti-, pilootmahulistes ja tööstuslikes võimsusklassides. See on tsemendi- ja mörditootjate jaoks oluline, sest nanoarmeeritud koostised peavad sageli läbima mitu etappi: esialgne materjalide sõelumine, dispergeerimisparameetrite väljatöötamine, mördi katsetamine, piloodipartiid ja tööstuslik tootmine.
Hielscheri tootevalik põhineb skaleeritaval ultraheli töötlusel ning hõlmab süsteeme laboratoorseks arenduseks, piloot- ja lauaarvutimahulisteks katseteks, raskeks tööstuslikuks kasutuseks ning pidevaks in-line tootmiseks läbivoolukambrite ja reaktorite abil.

UIP1000hdT ja UIP2000hdT lauaarvutimahuliseks uurimistööks ja teostatavuskatsetuseks

UIP1000hdT ja UIP2000hdT on võimsad lauaarvutimahulised ultraheliprotsessorid koostiste arendamiseks, teostatavusuuringuteks ja keskmise mahuga töötluseks. Need sobivad hästi nanoarmeeritud tsemendikoostiste arendamiseks, kus teadlased peavad katsetama nanomaterjali tüüpi, kontsentratsiooni, dispergaatori keemiat, ultraheli töötluse intensiivsust, töötlusaega ja temperatuuri reguleerimist.

Need süsteemid sobivad ideaalselt järgmiseks:

• Grafeeni ja CNT-de dispergeerimine vees või lisandilahustes.
• Nanoarmeeritud tsemendipastade teostatavuskatsetus.
• Ultraheli töötluse energiasisendi optimeerimine.
• Reprodutseeritavate katsepartiide ettevalmistamine.
• Suure jõudlusega mördikoostiste arendamine.
• Väikesemahuline pidev töötlus läbivoolukambriga seadistustes.
• Skaleerimise valideerimine enne tööstuslikku tootmist.

Uurimis- ja arendusmeeskondadele pakuvad UIP1000hdT ja UIP2000hdT nõudlike nanomaterjalide jaoks vajalikku protsessi intensiivsust, hoides samal ajal seadistuse praktilisena laboris, tehnikakeskuses ja pilootkeskkondades.

Grafeeni ultraheliga eksfoliatsioon

UIP6000hdT ja UIP16000hdT klastrid suure läbilaskevõimega tootmiseks

Nanoarmeeritud tsemendilisandite, nanodispersioonide või suure jõudlusega mördikomponentide kaubanduslikuks tootmiseks saab Hielscheri tööstuslikke ultrahelisonikaatoreid, näiteks UIP6000hdT ja UIP16000hdT, konfigureerida klastriteks suure läbilaskevõimega pidevaks töötluseks.
UIP6000hdT või UIP16000hdT seadmete klastrid võimaldavad tootjatel suurendada töötlusvõimsust, säilitades samal ajal kontrollitud ultraheli energiasisendi. See modulaarne lähenemine on eriti kasulik, kui tootmismahud kasvavad piloodimastaabist täismahulise tootmiseni.

Tööstuslikud konfiguratsioonid toetavad järgmist:

• Grafeeni, CNT-de ja nanolisandite pidev in-line dispergeerimine.
• Nanomaterjalide põhidispersioonide suure läbilaskevõimega töötlus.
• Integreerimine tsemendilisandite või kuivsegu mördi tootmisliinidesse.
• Ultraheli reaktorite paralleelne töö suurema võimsuse saavutamiseks.
• Töökindlad 24/7 tootmiskeskkonnad.
• Protsessi juhtimine ja jälgimine toote ühtlase kvaliteedi tagamiseks.

Hielscheri tööstussüsteemid on mõeldud nõudlikuks pidevaks tööks ning suure võimsusega seadmed on saadaval kuni 16 kW seadme kohta.

Kirjandus / viited

• 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.