Ultraheli abil dispergeeritud nanotäidisega tsementmörtid

Ultraheli töötlemine parandab grafeeni, süsiniknanotorude ja nanomaterjalide dispersiooni, eksfoliatsiooni ja aglomeerumise vältimist tsementpastades ja mörtides. Hielscheri ultraheli seadmed võimaldavad valmistada kõrge jõudlusega tsementkoostiseid alates R&D tööstustoodangule.

nanomaterjalidega tugevdatud tsementmördid – Parem dispersioon ja aglomeerumise vältimine ultraheli abil

Nanomaterjalidega tugevdatud tsementmördid ja tsementpastad pakuvad tõhusa võimaluse kõrge jõudlusega ehitusmaterjalide loomiseks. Nanomaterjalide, nagu grafeen, grafeenoksiid, süsiniknanotorud (CNT-d), nanosilikaat, nanokliid või muud funktsionaalsed täiteained, lisamisega saab tsementmaterjale konstrueerida nii, et neil oleks parem mehaaniline tugevus, pragunemiskindlus, vastupidavus, elektrijuhtivus, väiksem läbilaskvus ja parem pikaajaline toimivus.
Probleem: Nanomaterjalide täielik potentsiaal tsemendisüsteemides saavutatakse vaid siis, kui osakesed on ühtlaselt jaotunud. Grafeenilehed, süsiniknanotorude kimbud ja muud nanolisaained kalduvad tugevate van der Waalsi jõudude, kõrge pindenergia ja omavahelise takerdumise tõttu moodustama aglomeeraate. Tavapärase segamise, rootor-staatori segamise või lihtsa pulbri segamisega ei õnnestu neid aglomeeraate sageli piisavalt purustada. Selle tulemuseks on halb jaotus, nõrgad kohad mördi maatriksis, kallite nanomaterjalide ebaefektiivne kasutamine ja ebajärjekindlad materjali omadused.
Lahendus: Hielscheri sondtüüpi ultraheliseadmed pakuvad tõhusat, skaleeritavat ja tööstuses end tõestanud lahendust nanomaterjalide dispersiooniks, eksfolatsiooniks, aglomeerumise eemaldamiseks ja funktsionaalseks põimimiseks tsementpastades, mördisegudes ja lähteainete suspensioonides. Hielscher arendab ja toodab vedelike töötlemiseks mõeldud ultrahelikäsitlusseadmeid alates laboratoorsetest teostatavusuuringutest kuni tööstusliku pidevtootmiseni, pakkudes tootevalikut, mis on mõeldud mastaapimise jaoks kompaktse laborisüsteemist kuni suure võimsusega tööstusseadmeteni.

Miks on nanomaterjalide dispersioon tsementmörtides oluline?

Nanomaterjalid võivad oluliselt parandada tsementpõhiste komposiitide omadusi, kuna need mõjutavad tsementmaatriksit väga väikesel pikkusmõõtkaval. Õigesti jaotunud grafeen, süsiniknanotorud (CNT) ja muud nanotäiteained võivad toimida tuumikute tekkekohadena, ühendada mikropraod, täiustada pooride struktuuri ja parandada koormuse ülekannet kõvenenud maatriksis.
Praktikas sõltub tulemuslikkus vähem lisatud nanomaterjali nimikogusest ja rohkem dispersiooni kvaliteedist. Väike kogus hästi dispergeeritud grafeeni või süsiniknanotorusid võib anda paremaid tulemusi kui suurem kogus halvasti dispergeeritud materjali. Aglomeeraadid toimivad pigem defektidena kui tugevdusena. Need vähendavad töödeldavust, tekitavad pingekontsentratsioone ja piiravad lisaaine efektiivset pindala.
Ultrahelidispersioon lahendab selle peamise koostisega seotud väljakutse. Kõrge intensiivsusega ultraheli tekitab akustilise kavitatsiooni kaudu tugevaid lokaalseid nihkejõude, mikrosegamist, lööklaineid ja vedeliku mikrojugusid. Need mõjud eraldavad kokku kleepunud nanomaterjalid, niisutavad osakeste pindu ja jaotavad need ühtlaselt kogu vedelafaasi ulatuses enne, kui need segatakse tsementpulbrisse, pastasse või mörti.

Grafeeni, süsiniknanotorude ja nanolisaainete ultrahelil põhinev deagglomereerimine

Grafeeni nanoplaadid, grafeenoksiid, redutseeritud grafeenoksiid ja süsiniknanotorud on eriti huvipakkuvad kaasaegsete tsementpõhiste materjalide jaoks. Need võivad parandada tõmbetugevust, paindetugevust, murdumiskindlust, elektrijuhtivust, soojusomadusi ja vastupidavust. Samal ajal kuuluvad need lisandite hulka, mida on kõige raskem dispersioonis hoida.
Ultrahelikavatsioon aitab ületada nanomõõtmeliste struktuuride vahelisi tõmbejõude. Ultraheliga töödeldud vedelikus tekitavad kokkuvarisevad kavitatsioonimullid tugeva kohaliku energiasisendi. See võib lagundada osakeste klastreid, eraldada süsiniknanotorude kimbud, kihistada kihilisi materjale ja parandada nanotäiteainete jaotumist.

Nanoosakestega tugevdatud mördi tootmise peamised ultraheliefektid on järgmised:

• Deagglomeratsioon: Grafeeni, süsiniknanotorude, nanokvarts või hübriidlisandite klastrite lagundamine väiksemateks ja ühtlasema osakeste jaotusega osakesteks.
• Dispersioon: Nanomaterjalide ühtlane jaotamine vees, plastifikaatorilahustes, lisandisegudes või tsementpõhistes suspensioonides.
• Koorimine: Kihtmaterjalide, nagu grafiit, grafeeni nanoplaatid või savid, eraldamine õhemateks kihtideks, millel on suurem aktiivne pindala.
• Niisutamine ja aktiveerimine: Vedeliku kokkupuute parandamine nanomaterjalide pindadega, et saavutada parem vastastikmõju tsementhüdraatide ja lisanditega.
• Sõlmumine ja võrgustiku tekkimine: Toetab hajutatud süsiniknanotorude (CNT) või grafeeni võrgustike moodustumist, mis võivad parandada pragude ületamist, juhtivust ja struktuurilist funktsionaalsust.
• Reprodutseeritavuse: Kontrollitud protsessitingimuste loomine ühtlaste koostiste saavutamiseks alates laborikatsetest kuni tootmismahuni.

Ultraheli-dispersiooni eelised tsementpastades ja mörtides

Ultrahelitöötluse majanduslik ja tehniline väärtus on eriti suur kõrge jõudlusega tsemendi tootmisel. Nanomaterjalid on sageli kallid ning nende kasu sõltub nende tõhusast kasutamisest. Kui ultrahelitöötlus parandab dispersiooni kvaliteeti, saavad retseptide koostajad sageli vähendada üledoseerimist, suurendada tulemuste korratavust ja saavutada paremaid tulemusi lisandi kilogrammi kohta.

Kõrgtehnoloogiliste mörtide, remondimaterjalide, eelvalmistatud ehitusdetailide, 3D-printimiseks sobivate tsementpõhiste materjalide või spetsiaalsete ehituskemikaalide tootjate jaoks võib ultrahelitöötlus aidata:

• Paremad survetugevuse, paindetugevuse ja tõmbetugevuse näitajad tänu nano-täiteaine parematele jaotumisele.
• Tõhusama mikrotugevuse tõttu on pragunemiskindlus ja sitkus paremad.
• Poorstruktuuri täiustamise tulemusena on saavutatud väiksem läbilaskvus ja parem vastupidavus.
• Materjali kvaliteet on partiist partiini ühtlasem.
• Kallite grafeeni, süsiniknanotorude ja muude nanolisaainete tõhusam kasutamine.
• Kiirem koostiste sõelumine ja protsessi optimeerimine.
• Skaalautuv tootmine alates laboratoorsest arendustööst kuni pideva tööstusliku töötlemiseni.
• Protsessiparameetrite, nagu amplituud, sisendenergia, voolukiirus, temperatuur ja viibeaeg, parem kontroll.

Hielscheri ultraheliseadmed on mõeldud mõõdetava ja korratava energia ülekandmiseks vedelikesse, suspensioonidesse ja suspensioonidesse. Sama põhilist ultrahelimehhanismi saab kasutada kõigis võimsusklassides, mis võimaldab klientidel töötada välja protsessiparameetrid väikeses mastaabis ja seejärel neid üle kanda suurematesse laua-, katse- või tööstussüsteemidesse.

(a) CNT-dega ja (b) GNP-dega tugevdatud nanomodifitseeritud tsementpastast tehtud infrapunatermograafid. CNT ja grafeen hajutati ultrahelihajutiga UP400S.
Uuring ja graafikud: ©Farmaki jt., 2025

Ultrahelitöötlus enne tsemendi lisamist: eelistatud tootmisviis

Paljude nanomaterjalidega tugevdatud tsementsegude puhul on kõige tõhusam lähenemisviis nanomaterjali esmalt vedelasse faasi hajutada. Selleks võib olla vesi, superplastifikaatori lahus, pindaktiivset ainet sisaldav dispersant, polümeersegus, ränidioksiidilahus või mõni muu mördisegu vedel komponent.
Tüüpiline ultraheli protsessi kulg on järgmine:

1. Lisage vedelasse faasi grafeeni, süsiniknanotorusid või muid nanomaterjale.
2. Niisutage pulber või nanotäiteaine eelnevalt, segades seda mõõdukalt.
3. Kasutage suure intensiivsusega ultraheli, et materjali aglomeerumist lõhkuda ja seda hajutada.
4. Reguleerige temperatuuri vajaduse korral.
5. Lisa ultraheliga töödeldud nanodispersioon tsemendile, liivale ja muudele mördikomponentidele.
6. Segage, kuni saavutatakse pastataoline või mördi konsistents.

See meetod võimaldab saavutada paremat kontrolli kui nanokübemete kuivsegamine tsementpulbriga. Samuti suurendab see tõenäosust, et nanomaterjalid on juba eraldatud, niisutatud ja ühtlaselt jaotunud enne hüdratatsiooni ja kivistumise algust.

Kõrge jõudlusega tsemenditootmise majanduslikud eelised

Nano-lisandid võivad olla kulukad ning nende kasutamine peab olema põhjendatud mõõdetava jõudluse kasvuga. Halb dispersioon põhjustab materjali raiskamist. Aglomeerunud grafeen või süsiniknanotorud suurendavad koostise maksumust, pakkumata samas oodatud tugevdavat mõju. Seevastu ultrahelidispersioon parandab nanomaterjalide tõhusat kasutamist.
Majanduslikud eelised hõlmavad järgmist:

• Lisasainete jäätmete vähendamine: Suurem osa nanomaterjalist aitab kaasa toimivusele, selle asemel et jääda aglomeeraatidesse lõksu.
• Vähendatud koostisega seotud risk: Ühtlane jaotumine vähendab vigaste partiide arvu ja ebastabiilseid katsetulemusi.
• Kiirem R&D tsüklid: Preparaate saab testida kontrollitud ultraheliparameetritega.
• Tõhusam mastaapsus: Protsessiparameetreid saab üle kanda teostatavusuuringutest tööstusseadmetesse.
• Kõrgema väärtusega tooted: Tugevamad, vastupidavamad ja funktsionaalsemad mördid sobivad kõrgetasemelisteks rakendusteks.
• Pideva tootmise potentsiaal: Inline-ultrasonikatsioon võimaldab suure läbilaskevõimega töötlemist tööstuslikus tootmises.

Tootjate jaoks ei ole peamine väärtus mitte ainult parem dispersiooni kvaliteet. See on võime muuta nanotäidisega tsement laboratoorse kontseptsioonist kontrollitavaks ja mastaapselt rakendatavaks tootmisprotsessiks.

Laboratoorsest koostisest tööstusliku tsemenditootmiseni

Hielscheri ultrahelitehnoloogia peamine eelis on praktiline mastaapimise võimalus. Nanoosakestega tugevdatud tsementisegusid on võimalik välja töötada laboratoorses mastaabis ja seejärel üle viia suurematesse süsteemidesse, muutmata seejuures töötlemise põhimõtet. Selle asemel, et tootmiseks dispersiooniprotsessi uuesti leiutada, saavad tootjad kohandada ultrahelivõimsust, voolukambri geomeetriat, viibeaega ja reaktori konfiguratsiooni.
See vähendab tehnilist riski. Samuti lühendab see teed edukatest mördinäidistest kaubanduslikult kasutatavatele kõrge jõudlusega tsemenditoodeteni.

Tüüpiline mastaapimise töövoog hõlmab järgmist:

1. Määratlege miinipilduja soovitud töökarakteristikud ja nanomaterjalide süsteem.
2. Sõelge grafeeni, süsiniknanotorusid, nanokvartsit või hübriidlisandeid.
3. Määrake kindlaks vajalik ultraheli intensiivsus ja energiakulu.
4. Optimeerige dispersioonivahendeid, lisandeid ja temperatuuri reguleerimist.
5. Valmistage katsepartiid süsteemidega UIP1000hdT või UIP2000hdT.
6. Kontrollige mördi omadusi, nagu tugevus, töödeldavus ja vastupidavus.
7. Viige protsess tootmiseks üle UIP6000hdT või UIP16000hdT klastritesse.
8. Integreerige jooksva sonikatsiooni protsess pidevasse tootmisse.

Kõrge jõudlusega tsement nõuab kõrgekvaliteedilist dispersiooni

Tsementitehnoloogia tulevik ei tugine ainult uutel sideainete keemilistel omadustel. See sõltub ka mikrostruktuuri, funktsionaalsete lisandite ja töötlemisprotsessi paremast kontrollimisest. Nanomaterjalid, nagu grafeen ja süsiniknanotorud (CNT), võivad aidata toota tugevamaid, vastupidavamaid, nutikamaid ja pikaealisemaid tsementmaterjale. Selleks on aga vaja usaldusväärset dispersiooni.
Hielscheri ultraheliseadmed pakuvad tsementitootjatele, ehituskemikaalide tootjatele ja uurimisinstituutidele skalpeeritavat vahendit nano-lisandite töötlemiseks. Alates varajases staadiumis olevast koostisest kuni suure tootlikkusega tootmisliinini parandab ultrahelitöötlus nanomaterjalide dispersiooni, eksfolieerimist, aglomeerumise vältimist ja funktsionaalset struktureerimist tsementpastades ja mörtides.
Kõrge jõudlusega tsemenditootmisel pakub ultrahelitöötlus selget eelist: paremad materjali omadused, kallite nano-lisandite tõhusam kasutamine ning otsetee laboratoorse edu juurest tööstuslikku tootmisse.

Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:

Hielscheri ultraheli-seadmed teadustööks, teostatavusuuringuteks ja tootmiseks

Hielscher pakub ultraheliprotsessoreid nii laboratoorses, laua-, katse- kui ka tööstuslikus võimsusklassis. See on tsemendi ja mördi arendajatele hädavajalik, kuna nanotugevdatud koostised peavad sageli läbima mitu etappi: algse materjali sõelumise, dispersiooniparameetrite väljatöötamise, mördi katsetamise, katsepartiide valmistamise ja tööstusliku tootmise.
Hielscheri tootevalik põhineb skaleeritaval ultrahelitöötlusel ning hõlmab süsteeme laboratoorseks arendustööks, piloot- ja laua-katseks, suure koormusega tööstuslikuks kasutamiseks ning voolukambrite ja reaktorite abil toimuvaks pidevaks tootmiseks tootmisliinil.

UIP1000hdT ja UIP2000hdT laua peal kasutamiseks teadustöös ja teostatavusuuringutes

UIP1000hdT ja UIP2000hdT on võimsad laua peal kasutatavad ultrahelikäsitlusseadmed, mis on mõeldud koostiste väljatöötamiseks, teostatavusuuringuteks ja keskmise mahuga töötlemiseks. Need sobivad hästi nanotugevdatud tsementkoostiste väljatöötamiseks, kus teadlased peavad katsetama nanomaterjali tüüpi, kontsentratsiooni, dispersandi keemilist koostist, ultrahelitöötluse intensiivsust, töötlemisaega ja temperatuuri reguleerimist.

Need süsteemid sobivad ideaalselt järgmistele otstarvetele:

• Grafeeni ja süsiniknanotorude dispersioon vees või segulahustes.
• Nanoosakestega tugevdatud tsementpastade teostatavuse katsetamine.
• Ultraheli energiatarbimise optimeerimine.
• Reprodutseeritavate katsepartiide valmistamine.
• Kõrge jõudlusega mördisegude väljatöötamine.
• Väikesemahuline pidev töötlemine voolukambri seadmetega.
• Valideerimine suuremas mastaabis enne tööstuslikku tootmist.

R puhul&D-seeria seadmed UIP1000hdT ja UIP2000hdT tagavad nõudlike nanomaterjalide töötlemiseks vajaliku protsessi intensiivsuse, olles samas piisavalt praktilised kasutamiseks laboris, tehnilises keskuses ja pilootkeskkonnas.

Ultraheli grafeeni koorimine

UIP6000hdT ja UIP16000hdT klastrid suure tootlikkusega tootmiseks

Nano-tugevdatud tsementilisandite, nanodispersioonide või kõrge jõudlusega mördikomponentide tööstuslikuks tootmiseks saab Hielscheri tööstuslikke ultraheliseadmeid, nagu UIP6000hdT ja UIP16000hdT, konfigureerida klastritena, et saavutada suure läbilaskevõimega pidev töötlemine.
UIP6000hdT või UIP16000hdT seadmete klastrid võimaldavad tootjatel suurendada töötlemisvõimsust, säilitades samal ajal kontrollitud ultrahelienergia sisendi. Selline modulaarne lähenemisviis on eriti kasulik, kui tootmismahud kasvavad pilootmastaabist täismastaabilise tootmiseni.

Tööstuslike konfiguratsioonide tugi:

• Grafeeni, süsiniknanotorude ja nanolisaainete pidev inline-dispersioon.
• Nanomaterjalide algdispersioonide suure läbilaskevõimega töötlemine.
• Integreerimine tsemendilisandite või kuivmördi tootmisliinidesse.
• Paralleelne ultrahelireaktori töö tootmisvõimsuse suurendamiseks.
• Töökindlad ööpäevaringsed tootmiskeskkonnad.
• Protsessi juhtimine ja järelevalve tagamaks toote ühtlast kvaliteeti.

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

Kirjandus / Viited