Ultraäänidispersiolla valmistetut nanovahvistetut sementtilaastit

Ultraäänikäsittely parantaa grafeenin, hiilinanoputkien (CNT) ja nanomateriaalien dispergoitumista, kuorintaa ja agglomeraattien hajottamista sementtiliimoissa ja laasteissa. Hielscherin ultraäänilaitteet mahdollistavat korkean suorituskyvyn sementtikoostumusten kehittämisen R&D teollisuustuotantoon.

Nano-vahvistetut sementtilaastit – Parempi dispergointi ja agglomeraattien hajottaminen ultraäänikäsittelyllä

Nanovahvistetut sementtilaastit ja sementtipastat tarjoavat tehokkaan tien kohti korkean suorituskyvyn rakennusmateriaaleja. Sisällyttämällä sementtipohjaisiin materiaaleihin nanomateriaaleja, kuten grafeenia, grafeenioksidia, hiilinanoputkia (CNT), nanosilikaa, nanosaveja tai muita toiminnallisia täyteaineita, voidaan parantaa niiden mekaanista lujuutta, halkeamankestävyyttä, kestävyyttä, sähkönjohtavuutta, vähentää läpäisevyyttä ja parantaa pitkäaikaista suorituskykyä.
Ongelma: Nanomateriaalien täysi potentiaali sementtijärjestelmissä saavutetaan vasta, kun hiukkaset ovat jakautuneet tasaisesti. Grafeenilevyt, hiilinanoputkipaketit ja muut nanolisäaineet muodostavat helposti agglomeraatteja voimakkaiden van der Waalsin voimien, korkean pintaenergian ja kietoutumisen vuoksi. Perinteisellä sekoittamisella, roottori-staattori-sekoituksella tai yksinkertaisella jauhesekoituksella ei useinkaan onnistuta hajottamaan näitä agglomeraatteja riittävästi. Tuloksena on huono jakautuminen, heikot kohdat laastimatriisissa, kalliiden nanomateriaalien tehottomuus ja epätasaiset materiaaliominaisuudet.
Ratkaisu: Hielscherin anturityyppiset ultraäänilaitteet tarjoavat tehokkaan, skaalautuvan ja teollisuudessa todistetusti toimivan ratkaisun nanomateriaalien dispergointiin, kuorintaan, agglomeraattien hajottamiseen ja toiminnalliseen sitoutumiseen sementtipastoissa, laastiseoksissa ja esiasteiden suspensioissa. Hielscher kehittää ja valmistaa nestekäsittelyyn tarkoitettuja ultraääniprosessoreita laboratoriotason toteutettavuustutkimuksista teolliseen jatkuvaan tuotantoon, ja sen tuotevalikoima on suunniteltu skaalautuvaksi kompakteista laboratoriolaitteista suuritehoisiin teollisuuslaitteisiin.

Miksi nanomateriaalien dispergoituminen on tärkeää sementtilaasteissa

Nanomateriaalit voivat parantaa sementtipohjaisia komposiitteja merkittävästi, koska ne ovat vuorovaikutuksessa sementtimatriisin kanssa hyvin pienellä pituusasteikolla. Oikein dispergoitu grafeeni, hiilinanoputket (CNT) ja muut nanotäyteaineet voivat toimia ydintymiskohteina, silittää mikrohalkeamia, hienontaa huokosrakenteita ja parantaa kuormituksen siirtoa kovettuneessa matriisissa.
Käytännössä suorituskyky riippuu vähemmän lisätyn nanomateriaalin nimellismäärästä kuin sen dispergoitumisen laadusta. Pieni määrä hyvin dispergoitua grafeenia tai hiilinanoputkia voi tuottaa parempia tuloksia kuin suurempi määrä huonosti dispergoitua materiaalia. Agglomeraatit toimivat pikemminkin vikojen kuin vahvistuksen tavoin. Ne heikentävät työstettävyyttä, aiheuttavat jännityskeskittymiä ja rajoittavat lisäaineen tehokasta pinta-alaa.
Ultraäänidispersiotekniikka ratkaisee tämän keskeisen formulaatiohaasteen. Korkean intensiteetin ultraääni aiheuttaa akustisen kavitaation kautta voimakkaita paikallisia leikkausvoimia, mikrosekoitusta, paineaaltoja ja nestemäisiä mikrosuihkuja. Nämä vaikutukset irrottavat toisiinsa tarttuneet nanomateriaalit, kostuttavat hiukkasten pinnat ja jakavat ne tasaisesti koko nestevaiheeseen ennen kuin ne sekoitetaan sementtijauheeseen, -tahnaan tai -laastiin.

Grafeenin, hiilinanoputkien ja nano-lisäaineiden hajottaminen ultraäänellä

Grafeenin nanoplaatit, grafeenioksidi, pelkistetty grafeenioksidi ja hiilinanoputket ovat erityisen kiinnostavia edistyneissä sementtipohjaisissa materiaaleissa. Ne voivat parantaa vetolujuutta, taivutuslujuutta, murtolujuutta, sähkönjohtavuutta, lämpökäyttäytymistä ja kestävyyttä. Samalla ne kuuluvat kuitenkin vaikeimmin dispergoitaviin lisäaineisiin.
Ultraäänikavitaatio auttaa voittamaan nanomittakaavan rakenteiden väliset vetovoimat. Ultraäänikäsitellyssä nesteessä romahtavat kavitaatiokuplat tuottavat voimakkaan paikallisen energian syötön. Tämä voi hajottaa hiukkaskokonaisuuksia, erottaa hiilinanoputkipaketteja toisistaan, kuorittaa kerrostettuja materiaaleja ja parantaa nanotäyteaineiden jakautumista.

Tärkeimpiä ultraäänivaikutuksia nanovahvistetun laastin valmistuksessa ovat muun muassa:

• Deagglomeraatio: Grafeenin, hiilinanoputkien, nanosilikan tai hybridi-lisäaineiden klusterien hajottaminen pienemmiksi, tasaisemmiksi hiukkaskokojakaumiksi.
• Hajonta: Nanomateriaalien tasainen jakautuminen veteen, pehmittimiliuoksiin, lisäaineseoksiin tai sementtipitoisiin lietteisiin.
• Kuorinta: Grafiitin, grafeenin nanoplaattien tai savien kaltaisten kerrostuneiden materiaalien erottaminen ohuemmiksi levyiksi, joilla on suurempi aktiivinen pinta-ala.
• Kostutus ja aktivointi: Nestekosketuksen parantaminen nanomateriaalien pintojen kanssa, jotta vuorovaikutus sementtihydraattien ja lisäaineiden kanssa tehostuu.
• Kietoutuminen ja verkoston muodostuminen: Edistää hajautettujen hiilinanoputki- (CNT) tai grafeeniverkostojen muodostumista, jotka voivat parantaa halkeamien ylityskykyä, sähkönjohtavuutta ja rakenteellista toiminnallisuutta.
• Toistettavuus: Hallittujen prosessiolosuhteiden luominen, jotta koostumukset pysyvät yhdenmukaisina laboratoriokokeista tuotantomittakaavaan asti.

Ultraäänidispersiotekniikan edut sementtiliimoissa ja laasteissa

Ultraäänikäsittelyn taloudellinen ja tekninen arvo on erityisen merkittävä korkean suorituskyvyn sementin tuotannossa. Nanomateriaalit ovat usein kalliita, ja niiden hyöty riippuu niiden tehokkaasta käytöstä. Kun ultraäänikäsittely parantaa dispergointilaatua, tuotekehittäjät voivat usein vähentää yliannostusta, parantaa toistettavuutta ja saavuttaa paremman suorituskyvyn lisäaineen kilogrammaa kohden.

Edistyksellisten laastien, korjausmateriaalien, valmiiden betonielementtien, 3D-tulostettavien sementtipohjaisten materiaalien tai erikoisrakennuskemikaalien valmistajille ultraäänikäsittely voi tarjota seuraavia etuja:

• Parempi puristus-, taivutus- ja vetolujuus nano-täyteaineen jakautumisen parantumisen ansiosta.
• Parempi murtumiskestävyys ja sitkeys tehokkaamman mikrovahvistuksen ansiosta.
• Huokosrakenteen hienosäätö parantaa kestävyyttä ja vähentää läpäisevyyttä.
• Materiaalin laatu on eräkohtaisesti tasaisempaa.
• Kalliiden grafeenin, hiilinanoputkien ja muiden nanolisäaineiden käytön tehostaminen.
• Nopeampi formulaatioiden seulonta ja prosessien optimointi.
• Skaalautuva tuotanto laboratoriokehityksestä jatkuvaan teolliseen prosessointiin.
• Prosessiparametrien, kuten amplitudin, syötetyn energian, virtausnopeuden, lämpötilan ja viipymäajan, parempi hallinta.

Hielscherin ultraäänilaitteet on suunniteltu mitattavaan ja toistettavaan energian siirtoon nesteisiin, suspensioihin ja lietteisiin. Samaa ydinmekanismia voidaan käyttää kaikissa teholuokissa, minkä ansiosta asiakkaat voivat kehittää prosessiparametreja pienessä mittakaavassa ja siirtää ne sitten suurempiin pöytämallisiin, pilottitason tai teollisiin järjestelmiin.

Infrapunakuvat (a) hiilinanoputkilla (CNT) ja (b) grafeenin nanopartikkeleilla (GNP) vahvistetusta nanomodifioidusta sementtilaastista. CNT ja grafeeni dispergoitiin UP400S-ultraäänilaitteella.
Tutkimus ja kaaviot: ©Farmaki ym., 2025

Ultraäänikäsittely ennen sementin lisäämistä: suositeltava prosessireitti

Monien nanovahvistettujen sementtikoostumusten osalta tehokkain menetelmä on dispergoida nanomateriaali ensin nestemäiseen faasiin. Tämä voi olla vesi, superplastisaattoriliuos, pinta-aktiivista ainetta sisältävä dispergointiaine, polymeerilisäaine, piidioksidisol tai jokin muu laastikoostumuksen nestemäinen komponentti.
Tyypillinen ultraääniprosessin kulku on seuraava:

1. Lisää grafeenia, hiilinanoputkia tai muita nanomateriaaleja nestemäiseen faasiin.
2. Kostuta jauhe tai nanotäyteaine etukäteen sekoittaen kohtuullisesti.
3. Käytä voimakasta ultraäänikäsittelyä materiaalin agglomeraattien hajottamiseen ja dispergointiin.
4. Säädä lämpötilaa tarvittaessa.
5. Lisää ultraäänikäsitelty nanodispersi sementtiin, hiekkaan ja muihin laastin ainesosiin.
6. Sekoita, kunnes seos on saavuttanut lopullisen tahnan tai laastin konsistenssin.

Tämä menetelmä mahdollistaa paremman hallinnan kuin nanopartikkelien sekoittaminen sementtijauheeseen kuivana. Se myös lisää todennäköisyyttä, että nanomateriaalit ovat jo erottuneet toisistaan, kostuneet ja jakautuneet tasaisesti ennen kuin hydraatio ja kovettuminen alkavat.

Taloudelliset edut korkean suorituskyvyn sementin tuotannossa

Nano-lisäaineet voivat olla kalliita, ja niiden käyttö on perusteltava mitattavissa olevilla suorituskyvyn parannuksilla. Huono dispergointi aiheuttaa materiaalihukkaa. Agglomeroitunut grafeeni tai hiilinanoputket nostavat formulaation kustannuksia tuottamatta odotettua lujitusta. Sen sijaan ultraäänidispergointi parantaa nanomateriaalien tehokasta hyödyntämistä.
Taloudellisia etuja ovat muun muassa:

• Lisäaineiden jätteiden vähentäminen: Suurempi osa nanomateriaalista parantaa suorituskykyä sen sijaan, että se jäisi agglomeraatteihin.
• Vähentynyt formulaatioriski: Tasainen hajonta vähentää virheellisten erien määrää ja epävakaita testituloksia.
• Nopeampi R&D-sykliä: Formulaatioita voidaan testata kontrolloiduilla ultraäänikäsittelyparametreillä.
• Parannettu laajennettavuus: Prosessiparametrit voidaan siirtää toteutettavuustestauksesta teollisuuslaitteisiin.
• Korkeamman arvon tuotteet: Vahvemmat, kestävämmät ja toimivammat laastit sopivat korkealaatuisiin käyttökohteisiin.
• Jatkuvan tuotannon potentiaali: Inline-ultraäänikäsittely mahdollistaa suuren läpimenokapasiteetin kaupallisessa tuotannossa.

Valmistajille tärkein etu ei ole pelkästään parempi dispergointilaatu, vaan kyky muuttaa nanovahvistettu sementti laboratoriokonseptista hallituksi ja skaalautuvaksi tuotantoprosessiksi.

Laboratoriokehityksestä teolliseen sementtituotantoon

Hielscherin ultraääniteknologian merkittävä etu on sen käytännöllinen skaalautuvuus. Nanovahvistettuja sementtikoostumuksia voidaan kehittää laboratoriomittakaavassa ja siirtää sitten suurempiin järjestelmiin muuttamatta prosessin perusperiaatetta. Sen sijaan, että valmistajat joutuisivat kehittämään dispersio-prosessia tuotantoa varten alusta alkaen, he voivat skaalata ultraäänitehoa, virtauskammion geometriaa, viipymäaikaa ja reaktorin kokoonpanoa.
Tämä vähentää teknisiä riskejä. Se myös lyhentää kehityspolkua onnistuneista laastinäytteistä kaupallisiin korkean suorituskyvyn sementtituotteisiin.

Tyypilliseen laajennusprosessiin sisältyy seuraavaa:

1. Määritä kranaatin suorituskykyvaatimukset ja nanomateriaalijärjestelmä.
2. Seulo grafeenia, hiilinanoputkia, nanosilikaa tai hybridilisäaineita.
3. Määritä tarvittava ultraäänikäsittelyn intensiteetti ja energiankulutus.
4. Optimoi dispergointiaineet, lisäaineet ja lämpötilan säätö.
5. Valmistakaa koesarjoja UIP1000hdT- tai UIP2000hdT-järjestelmillä.
6. Tarkista laastin ominaisuudet, kuten lujuus, työstettävyys ja kestävyys.
7. Siirrä prosessi UIP6000hdT- tai UIP16000hdT-klustereihin tuotantokäyttöön.
8. Integroidaan inline-ultraäänikäsittely jatkuvaan tuotantoon.

Korkean suorituskyvyn sementti vaatii korkealaatuista dispersiota

Sementtiteknologian tulevaisuus ei perustu pelkästään uusiin sideaineiden kemiallisiin ominaisuuksiin. Se riippuu myös mikrorakenteen, toiminnallisten lisäaineiden ja prosessoinnin paremmasta hallinnasta. Nanomateriaalit, kuten grafeeni ja hiilinanoputket (CNT), voivat auttaa tuottamaan vahvempia, sitkeämpiä, älykkäämpiä ja kestävämpiä sementtipohjaisia materiaaleja. Tämä edellyttää kuitenkin luotettavaa dispergointia.
Hielscherin ultraäänilaitteet tarjoavat sementinvalmistajille, rakennuskemikaalien valmistajille ja tutkimuslaitoksille skaalautuvan työkalun nano-lisäaineiden käsittelyyn. Alkuvaiheen formulaatiosta suurikapasiteettiseen tuotantolinjaan asti ultraäänikäsittely parantaa nanomateriaalien dispergoitumista, hajoamista, agglomeraattien hajottamista ja toiminnallista rakenteiden muodostumista sementtitasteissa ja laasteissa.
Suorituskykyisessä sementtituotannossa ultraäänikäsittely tarjoaa selkeän edun: paremmat materiaaliominaisuudet, kalliiden nano-lisäaineiden tehokkaampi käyttö sekä suora reitti laboratorion onnistuneista kokeista teolliseen tuotantoon.

Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Hielscher-ultraäänilaitteet tutkimukseen, toteutettavuustestaukseen ja tuotantoon

Hielscher tarjoaa ultraääniprosessoreita laboratorio-, pöytä-, pilottija teollisuusluokissa. Tämä on olennaista sementin ja laastin kehittäjille, sillä nanovahvistetut koostumukset joutuvat usein läpi useita vaiheita: raaka-aineiden alustava seulonta, dispersioparametrien kehittäminen, laastin testaus, pilottierät ja teollinen tuotanto.
Hielscherin tuotevalikoima perustuu skaalautuvaan ultraäänikäsittelyyn, ja se sisältää järjestelmiä laboratoriokehitykseen, pilottitestaukseen ja pöytämallitestaukseen, raskaaseen teolliseen käyttöön sekä jatkuvaan linjatuotantoon virtauskammioiden ja reaktoreiden avulla.

UIP1000hdT ja UIP2000hdT pöytämallisiin tutkimuksiin ja toteutettavuustesteihin

UIP1000hdT ja UIP2000hdT ovat tehokkaita pöytämallisia ultraääniprosessoreita, jotka on tarkoitettu tuotekehitykseen, toteutettavuustutkimuksiin ja keskisuurten erien käsittelyyn. Ne sopivat erinomaisesti nanovahvistettujen sementtikoostumusten kehittämiseen, jossa tutkijoiden on testattava nanomateriaalin tyyppiä, pitoisuutta, dispergointiaineiden kemiaa, ultraäänikäsittelyn intensiteettiä, käsittelyaikaa ja lämpötilan säätelyä.

Nämä järjestelmät sopivat erinomaisesti:

• Grafeenin ja hiilinanoputkien dispersio vedessä tai seosliuoksissa.
• Nanovahvistettujen sementtilaastien toteutettavuustestaus.
• Ultraäänienergian syötön optimointi.
• Toistettavien testierien valmistus.
• Suorituskykyisten laastikoostumusten kehittäminen.
• Pienimuotoinen jatkuvatoiminen prosessointi virtauskammiojärjestelmillä.
• Skaalausvalidointi ennen teollista tuotantoa.

varten R&D-sarjan laitteet, UIP1000hdT ja UIP2000hdT, tarjoavat vaativien nanomateriaalien käsittelyyn tarvittavan prosessitehon ja ovat samalla käytännöllisiä ratkaisuja laboratorio-, teknologia- ja pilottikäyttöön.

Ultraääni grafeenin kuorinta

UIP6000hdT- ja UIP16000hdT-klusterit suurikapasiteettiseen tuotantoon

Nanovahvistettujen sementtilisäaineiden, nanodispersiioiden tai korkean suorituskyvyn laastikomponenttien kaupalliseen tuotantoon Hielscherin teolliset ultraäänilaitteet, kuten UIP6000hdT ja UIP16000hdT, voidaan konfiguroida klustereiksi suurikapasiteettista jatkuvaa käsittelyä varten.
UIP6000hdT- tai UIP16000hdT-laitteiden ryhmittelyt antavat valmistajille mahdollisuuden lisätä käsittelykapasiteettia samalla, kun ultraäänienergian syöttö pysyy hallitussa. Tämä modulaarinen lähestymistapa on erityisen hyödyllinen, kun tuotantomäärät kasvavat pilottitasolta täysimittaiseen tuotantoon.

Teollisuuden kokoonpanojen tuki:

• Grafeenin, hiilinanoputkien ja nano-lisäaineiden jatkuva inline-dispersio.
• Nanomateriaalien emodispersioiden suurikapasiteettinen käsittely.
• Integrointi sementin lisäaineiden tai kuivamuurauslaastin tuotantolinjoihin.
• Ultraäänireaktorien rinnakkaiskäyttö kapasiteetin lisäämiseksi.
• Vakaat, ympäri vuorokauden toimivat tuotantoympäristöt.
• Prosessin ohjaus ja valvonta takaavat tasaisen tuotelaadun.

Hielscherin teollisuusjärjestelmät on suunniteltu vaativaan jatkuvaan käyttöön, ja saatavilla on suuritehoisia laitteita, joiden teho on jopa 16 kW laitetta kohti.

Kirjallisuus / Viitteet