Nanovahvistetut sementtilaastit ultraäänidispergoinnilla

Ultraäänikäsittely parantaa grafeenin, hiilinanoputkien ja nanomateriaalien dispergointia, eksfoliaatiota ja deagglomerointia sementtipastoissa ja laasteissa. Hielscherin ultraäänilaitteet mahdollistavat suorituskykyisten sementtikoostumusten kehittämisen tutkimuksesta ja tuotekehityksestä teolliseen tuotantoon.

Nanovahvistetut sementtilaastit – parempi dispergointi ja deagglomerointi ultraäänikäsittelyllä

Nanovahvistetut sementtilaastit ja sementtipastat tarjoavat tehokkaan reitin kohti suorituskykyisiä rakennusmateriaaleja. Lisäämällä nanomateriaaleja, kuten grafeenia, grafeenioksidia, hiilinanoputkia (CNT), nanopiidioksidia, nanosavia tai muita toiminnallisia täyteaineita, sementtipohjaisia materiaaleja voidaan suunnitella siten, että niiden mekaaninen lujuus, halkeilunkestävyys, kestävyys, sähkönjohtavuus ja pitkäaikainen suorituskyky paranevat ja läpäisevyys vähenee.
Ongelma: Nanomateriaalien koko potentiaali sementtijärjestelmissä saavutetaan vain, kun hiukkaset dispergoidaan tasaisesti. Grafeenilevyt, hiilinanoputkiniput ja muut nanolisäaineet muodostavat herkästi agglomeraatteja voimakkaiden van der Waalsin voimien, suuren pintaenergian ja toisiinsa kietoutumisen vuoksi. Tavanomainen sekoittaminen, roottori-staattorisekoitus tai pelkkä jauheiden sekoittaminen ei usein hajota näitä agglomeraatteja riittävästi. Seurauksena on epätasainen jakautuminen, heikkoja kohtia laastimatriisissa, kalliiden nanomateriaalien tehoton käyttö ja vaihtelevat materiaaliominaisuudet.
Ratkaisu: Hielscherin anturityyppiset ultraäänilaitteet tarjoavat tehokkaan, skaalautuvan ja teollisuudessa toimivaksi osoitetun ratkaisun nanomateriaalien dispergointiin, eksfoliaatioon, deagglomerointiin ja toiminnalliseen yhteen kietomiseen sementtipastoissa, laastikoostumuksissa ja lähtöainesuspensioissa. Hielscher kehittää ja valmistaa ultraääniprosessoreita nesteiden käsittelyyn laboratorion toteutettavuustutkimuksista teolliseen jatkuvaan tuotantoon. Tuotevalikoima on suunniteltu mittakaavan kasvattamiseen kompakteista laboratoriojärjestelmistä suuritehoisiin teollisuuslaitteisiin.

Miksi nanomateriaalien dispergointi on tärkeää sementtilaasteissa

Nanomateriaalit voivat parantaa sementtipohjaisia komposiitteja merkittävästi, koska ne vuorovaikuttavat sementtimatriisin kanssa hyvin pienessä pituusmittakaavassa. Asianmukaisesti dispergoidut grafeeni, hiilinanoputket ja muut nanotäyteaineet voivat toimia ydintymiskohtina, silloittaa mikrohalkeamia, hienontaa huokosrakenteita ja parantaa kuormansiirtoa kovettuneessa matriisissa.
Käytännössä suorituskyky riippuu vähemmän lisätyn nanomateriaalin nimellisestä määrästä ja enemmän dispergoinnin laadusta. Pieni määrä hyvin dispergoitua grafeenia tai hiilinanoputkia voi tuottaa paremman suorituskyvyn kuin suurempi määrä huonosti dispergoitua materiaalia. Agglomeraatit toimivat vikakohtina vahvistuksen sijaan. Ne heikentävät työstettävyyttä, synnyttävät jännityskeskittymiä ja rajoittavat lisäaineen tehollista pinta-alaa.
Ultraäänidispergointi vastaa tähän keskeiseen koostumuksen kehittämisen haasteeseen. Suuri-intensiteettinen ultraääni synnyttää akustisen kavitaation kautta voimakkaita paikallisia leikkausvoimia, mikrosekoittumista, iskuaaltoja ja nesteen mikrosuihkuja. Nämä vaikutukset erottavat nipuiksi kasaantuneet nanomateriaalit, kostuttavat hiukkaspinnat ja jakavat hiukkaset tasaisesti koko nestefaasiin ennen niiden lisäämistä sementtijauheeseen, pastaan tai laastiin.

Grafeenin, hiilinanoputkien ja nanolisäaineiden ultraäänideagglomerointi

Grafeeninanolevyt, grafeenioksidi, pelkistetty grafeenioksidi ja hiilinanoputket ovat erityisen kiinnostavia edistyneissä sementtipohjaisissa materiaaleissa. Ne voivat edistää vetolujuutta, taivutuslujuutta, murtumissitkeyttä, sähkönjohtavuutta, lämpökäyttäytymistä ja kestävyyttä. Samalla ne kuuluvat vaikeimmin dispergoitaviin lisäaineisiin.
Ultraäänikavitaatio auttaa voittamaan nanokokoisten rakenteiden väliset vetovoimat. Ultraäänikäsitellyssä nesteessä luhistuvat kavitaatiokuplat tuottavat voimakkaan paikallisen energiansyötön. Tämä voi hajottaa hiukkasryppäitä, erottaa hiilinanoputkinippuja, eksfolioida kerroksellisia materiaaleja ja parantaa nanotäyteaineiden jakautumista.

Keskeisiä ultraäänen vaikutuksia nanovahvistetun laastin tuotannossa ovat:

• Deagglomerointi: Grafeenin, hiilinanoputkien, nanopiidioksidin tai hybridilisäaineiden ryppäiden hajottaminen pienemmiksi hiukkasiksi, joiden jakauma on tasaisempi.
• Dispergointi: Nanomateriaalien tasainen jakaminen veteen, notkistinliuoksiin, lisäaineseoksiin tai sementtipohjaisiin lietteisiin.
• Eksfoliaatio: Kerroksellisten materiaalien, kuten grafiitin, grafeeninanolevyjen tai savien, erottaminen ohuemmiksi levyiksi, joilla on suurempi aktiivinen pinta-ala.
• Kostutus ja aktivointi: Nesteen ja nanomateriaalien pintojen välisen kosketuksen parantaminen, jotta vuorovaikutus sementtihydraattien ja lisäaineiden kanssa paranee.
• Yhteen kietoutuminen ja verkoston muodostuminen: Jakautuneiden hiilinanoputki- tai grafeeniverkostojen muodostumisen tukeminen. Nämä verkostot voivat parantaa halkeamien silloittamista, johtavuutta ja rakenteellista toiminnallisuutta.
• Toistettavuus: Hallittujen prosessiolosuhteiden luominen tasalaatuisille koostumuksille laboratoriokokeista tuotantomittakaavaan.

Ultraäänidispergoinnin edut sementtipastoissa ja laasteissa

Ultraäänikäsittelyn taloudellinen ja tekninen arvo on erityisen suuri suorituskykyisen sementin tuotannossa. Nanomateriaalit ovat usein kalliita, ja niiden hyöty riippuu tehokkaasta käytöstä. Kun ultraäänikäsittely parantaa dispergoinnin laatua, koostumusten kehittäjät voivat usein vähentää yliannostusta, parantaa toistettavuutta ja saavuttaa paremman suorituskyvyn lisäainekiloa kohti.

Edistyneiden laastien, korjausmateriaalien, esivalmistettujen komponenttien, 3D-tulostettavien sementtipohjaisten materiaalien tai erikoisrakennuskemikaalien valmistajille ultraäänikäsittely voi tukea seuraavia tavoitteita:

• Parempi puristus-, taivutus- ja vetosuorituskyky nanotäyteaineiden paremman jakautumisen ansiosta.
• Parempi halkeilunkestävyys ja sitkeys tehokkaamman mikrovahvistuksen ansiosta.
• Pienempi läpäisevyys ja parempi kestävyys huokosrakennetta hienontamalla.
• Tasaisempi materiaalin laatu erästä toiseen.
• Kalliin grafeenin, hiilinanoputkien ja muiden nanolisäaineiden parempi hyödyntäminen.
• Nopeampi koostumusten seulonta ja prosessin optimointi.
• Skaalautuva tuotanto laboratoriokehityksestä jatkuvaan teolliseen käsittelyyn.
• Parempi prosessiparametrien, kuten amplitudin, energiansyötön, tilavuusvirran, lämpötilan ja viipymäajan, hallinta.

Hielscherin ultraäänilaitteet on suunniteltu mitattavaan ja toistettavaan energiansiirtoon nesteisiin, suspensioihin ja lietteisiin. Samaa ultraäänikäsittelyn perusmekanismia voidaan käyttää eri teholuokissa, jolloin asiakkaat voivat kehittää prosessiparametrit pienessä mittakaavassa ja siirtää ne sitten suurempiin pöytämallisiin, pilot- tai teollisuusjärjestelmiin.

Infrapunalämpökuvat nanomodifioidusta sementtipastasta, joka on vahvistettu (a) hiilinanoputkilla ja (b) grafeeninanolevyillä. Hiilinanoputket ja grafeeni dispergoitiin ultraäänilaitteella UP400S.
Tutkimus ja kuvaajat: ©Farmaki et al., 2025

Ultraäänikäsittely ennen sementin lisäämistä: ensisijainen prosessireitti

Monissa nanovahvistetuissa sementtikoostumuksissa tehokkain lähestymistapa on dispergoida nanomateriaali ensin nestefaasiin. Tämä voi olla vettä, tehonotkistinliuosta, pinta-aktiivista ainetta sisältävää dispergointiainetta, polymeerilisäainetta, piidioksidisoolia tai jokin muu laastikoostumuksen nestemäinen komponentti.
Tyypillinen ultraääniprosessireitti on seuraava:

1. Lisää grafeeni, hiilinanoputket tai muut nanomateriaalit nestefaasiin.
2. Esikostuta jauhe tai nanotäyteaine kohtalaisesti sekoittaen.
3. Deagglomeroi ja dispergoi materiaali suuri-intensiteettisellä ultraäänikäsittelyllä.
4. Säädä lämpötilaa tarvittaessa.
5. Lisää ultraäänikäsitelty nanodispersio sementtiin, hiekkaan ja muihin laastin komponentteihin.
6. Sekoita, kunnes pastan tai laastin lopullinen koostumus saavutetaan.

Tämä reitti mahdollistaa paremman hallinnan kuin nanohiukkasten kuivasekoittaminen sementtijauheeseen. Se myös lisää todennäköisyyttä, että nanomateriaalit ovat jo erottuneet, kostuneet ja jakautuneet tasaisesti ennen hydrataation ja sitoutumisen alkamista.

Taloudelliset hyödyt suorituskykyisen sementin tuotannossa

Nanolisäaineet voivat olla kalliita, ja niiden käyttö on perusteltava mitattavilla suorituskyvyn parannuksilla. Huono dispergointi hukkaa materiaalia. Agglomeroitunut grafeeni tai agglomeroituneet hiilinanoputket kasvattavat koostumuksen kustannuksia tuottamatta odotettua vahvistusta. Ultraäänidispergointi puolestaan parantaa nanomateriaalien tehokasta hyödyntämistä.
Taloudellisia hyötyjä ovat:

• Pienempi lisäainehävikki: Suurempi osa nanomateriaalista edistää suorituskykyä sen sijaan, että se jäisi agglomeraatteihin.
• Pienempi koostumuksen kehittämiseen liittyvä riski: Tasalaatuinen dispergointi vähentää epäonnistuneita eriä ja epävakaita testituloksia.
• Nopeammat tutkimus- ja tuotekehityssyklit: Koostumuksia voidaan seuloa hallituilla ultraäänikäsittelyparametreilla.
• Parempi mittakaavan kasvattaminen: Prosessiparametrit voidaan siirtää toteutettavuustestauksesta teollisuuslaitteisiin.
• Arvokkaammat tuotteet: Lujemmat, kestävämmät ja toiminnalliset laastit tukevat korkealuokkaisia käyttökohteita.
• Jatkuvan tuotannon mahdollisuus: Linjassa tapahtuva ultraäänikäsittely mahdollistaa suuren käsittelykapasiteetin kaupallisessa valmistuksessa.

Valmistajille keskeinen arvo ei ole pelkästään parempi dispergoinnin laatu. Se on mahdollisuus muuttaa nanovahvistettu sementti laboratoriokonseptista hallituksi, skaalautuvaksi tuotantoprosessiksi.

Laboratoriossa kehitetystä koostumuksesta teolliseen sementintuotantoon

Hielscherin ultraääniteknologian merkittävä etu on käytännöllinen reitti mittakaavan kasvattamiseen. Nanovahvistettuja sementtikoostumuksia voidaan kehittää pöytälaitemittakaavassa ja siirtää sitten suurempiin järjestelmiin muuttamatta käsittelyn perusperiaatetta. Sen sijaan, että valmistajat kehittäisivät dispergointiprosessin uudelleen tuotantoa varten, he voivat skaalata ultraäänitehoa, virtauskennon geometriaa, viipymäaikaa ja reaktorikokoonpanoa.
Tämä vähentää teknistä riskiä. Se myös lyhentää reittiä onnistuneista laastinäytteistä kaupallisiin suorituskykyisiin sementtituotteisiin.

Tyypillinen mittakaavan kasvattamisen työnkulku sisältää seuraavat vaiheet:

1. Määritä laastin tavoiteltu suorituskyky ja nanomateriaalijärjestelmä.
2. Seulo grafeeni-, hiilinanoputki-, nanopiidioksidi- tai hybridilisäaineita.
3. Määritä tarvittava ultraäänikäsittelyn intensiteetti ja energiansyöttö.
4. Optimoi dispergointiväliaineet, lisäaineet ja lämpötilansäätö.
5. Valmista testieriä järjestelmillä UIP1000hdT tai UIP2000hdT.
6. Validoi laastin ominaisuudet, kuten lujuus, työstettävyys ja kestävyys.
7. Siirrä prosessi tuotantoa varten laiteryhmiin, jotka koostuvat laitteista UIP6000hdT tai UIP16000hdT.
8. Integroi linjassa tapahtuva ultraäänikäsittely jatkuvaan valmistukseen.

Suorituskykyinen sementti tarvitsee laadukkaan dispergoinnin

Sementtiteknologian tulevaisuus ei perustu pelkästään uuteen sideainekemiaan. Se riippuu myös mikrorakenteen, toiminnallisten lisäaineiden ja käsittelyn paremmasta hallinnasta. Nanomateriaalit, kuten grafeeni ja hiilinanoputket, voivat auttaa tuottamaan lujempia, sitkeämpiä, älykkäämpiä ja kestävämpiä sementtipohjaisia materiaaleja. Tämä edellyttää kuitenkin luotettavaa dispergointia.
Hielscherin ultraäänilaitteet tarjoavat sementintuottajille, rakennuskemikaalien valmistajille ja tutkimuslaitoksille skaalautuvan työkalun nanolisäaineiden käsittelyyn. Koostumuksen kehittämisen alkuvaiheista suuren käsittelykapasiteetin linjatuotantoon ultraäänikäsittely parantaa nanomateriaalien dispergointia, eksfoliaatiota, deagglomerointia ja toiminnallista rakenteenmuodostusta sementtipastoissa ja laasteissa.
Suorituskykyisen sementin tuotannossa ultraäänikäsittely tarjoaa selkeän edun: paremman materiaalin suorituskyvyn, kalliiden nanolisäaineiden tehokkaamman käytön ja suoran reitin onnistuneista laboratoriotuloksista teolliseen valmistukseen.

Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Hielscherin ultraäänilaitteet tutkimukseen, toteutettavuustestaukseen ja tuotantoon

Hielscher tarjoaa ultraääniprosessoreita laboratorio-, pöytälaite-, pilot- ja teollisuusteholuokissa. Tämä on olennaista sementin ja laastin kehittäjille, koska nanovahvistettujen koostumusten on usein käytävä läpi useita vaiheita: materiaalien alustava seulonta, dispergointiparametrien kehittäminen, laastin testaus, piloterät ja teollinen tuotanto.
Hielscherin tuotevalikoima perustuu skaalautuvaan ultraäänikäsittelyyn. Siihen kuuluu järjestelmiä laboratoriokehitykseen, pilot- ja pöytälaitetestaukseen, raskaaseen teollisuuskäyttöön sekä jatkuvaan linjatuotantoon virtauskennoja ja reaktoreita käyttäen.

UIP1000hdT ja UIP2000hdT pöytälaitteilla tehtävään tutkimukseen ja toteutettavuustestaukseen

UIP1000hdT ja UIP2000hdT ovat tehokkaita pöytämallisia ultraääniprosessoreita koostumusten kehittämiseen, toteutettavuustutkimuksiin ja keskisuuren mittakaavan käsittelyyn. Ne soveltuvat hyvin nanovahvistettujen sementtikoostumusten kehittämiseen, kun tutkijoiden on testattava nanomateriaalin tyyppiä, pitoisuutta, dispergointiaineen kemiaa, ultraäänikäsittelyn intensiteettiä, käsittelyaikaa ja lämpötilansäätöä.

Nämä järjestelmät soveltuvat ihanteellisesti seuraaviin käyttötarkoituksiin:

• Grafeenin ja hiilinanoputkien dispergointi veteen tai lisäaineliuoksiin.
• Nanovahvistettujen sementtipastojen toteutettavuustestaus.
• Ultraäänikäsittelyn energiansyötön optimointi.
• Toistettavien testierien valmistaminen.
• Suorituskykyisten laastikoostumusten kehittäminen.
• Pienen mittakaavan jatkuva käsittely virtauskennokokoonpanoilla.
• Mittakaavan kasvattamisen validointi ennen teollista tuotantoa.

Tutkimus- ja tuotekehitystiimeille UIP1000hdT ja UIP2000hdT tarjoavat vaativien nanomateriaalien edellyttämän prosessi-intensiteetin, ja laitteisto pysyy samalla käytännöllisenä laboratorio-, teknologiakeskus- ja pilotympäristöissä.

Grafeenin ultraäänieksfoliaatio

UIP6000hdT ja UIP16000hdT – laiteryhmät suuren käsittelykapasiteetin tuotantoon

Nanovahvistettujen sementtilisäaineiden, nanodispersioiden tai suorituskykyisten laastikomponenttien kaupallisen mittakaavan tuotantoa varten Hielscherin teolliset ultraäänilaitteet, kuten UIP6000hdT ja UIP16000hdT, voidaan koota laiteryhmiksi suuren käsittelykapasiteetin jatkuvaa käsittelyä varten.
Laiteryhmät, jotka koostuvat yksiköistä UIP6000hdT tai UIP16000hdT, mahdollistavat valmistajille käsittelykapasiteetin kasvattamisen samalla, kun ultraäänienergian syöttö pysyy hallittuna. Tämä modulaarinen lähestymistapa on erityisen hyödyllinen tuotantomäärien kasvaessa pilotmittakaavasta täysimittaiseen valmistukseen.

Teolliset kokoonpanot tukevat seuraavia käyttötarkoituksia:

• Grafeenin, hiilinanoputkien ja nanolisäaineiden jatkuva dispergointi tuotantolinjassa.
• Nanomateriaalien kantadispersioiden käsittely suurella käsittelykapasiteetilla.
• Integrointi sementin lisäaineiden tai kuivalaastien tuotantolinjoihin.
• Ultraäänireaktorien rinnakkainen käyttö kapasiteetin kasvattamiseksi.
• Vankat 24/7-tuotantoympäristöt.
• Prosessin ohjaus ja seuranta tasalaatuisen tuotteen varmistamiseksi.

Hielscherin teollisuusjärjestelmät on tarkoitettu vaativaan jatkuvaan käyttöön, ja suuritehoisia yksiköitä on saatavilla jopa 16 kW:n laitekohtaisella teholla.

Kirjallisuus / lähteet

• 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.