טיט צמנטי מחוזק בננו־חומרים באמצעות פיזור אולטרסוני

סוניקציה אולטרסונית משפרת את הפיזור, קילוף השכבות ופירוק האגלומרטים של גרפן, ננו־צינוריות פחמן (CNTs) וננו־חומרים בעיסות צמנט ובטיט צמנטי. מכשירי הסוניקציה של Hielscher מאפשרים פיתוח פורמולציות צמנט בעלות ביצועים גבוהים, ממחקר ופיתוח ועד לייצור תעשייתי.

טיט צמנטי מחוזק בננו־חומרים – פיזור ופירוק אגלומרטים משופרים באמצעות סוניקציה

טיט צמנטי ועיסות צמנט המחוזקים בננו־חומרים מציעים דרך יעילה במיוחד להשגת חומרי בנייה בעלי ביצועים גבוהים. באמצעות שילוב ננו־חומרים כגון גרפן, תחמוצת גרפן, ננו־צינוריות פחמן (CNTs), ננו־סיליקה, ננו־חרסיות או חומרי מילוי פונקציונליים אחרים, ניתן להנדס חומרים צמנטיים לשיפור החוזק המכני, העמידות בפני סדיקה, העמידות לאורך זמן והמוליכות החשמלית, להפחתת החדירות ולשיפור הביצועים לטווח ארוך.
הבעיה: מלוא הפוטנציאל של ננו־חומרים במערכות צמנט מתממש רק כאשר החלקיקים מפוזרים באופן אחיד. יריעות גרפן, צרורות של ננו־צינוריות פחמן ותוספי ננו אחרים נוטים ליצור אגלומרטים עקב כוחות ואן דר ואלס חזקים, אנרגיית פני שטח גבוהה והסתבכות הדדית. בחישה קונבנציונלית, ערבול באמצעות רוטור־סטטור או ערבוב פשוט של אבקות אינם מצליחים לעיתים קרובות לפרק את האגלומרטים האלה במידה מספקת. התוצאה היא פיזור לקוי, נקודות חולשה במטריצת הטיט, שימוש לא יעיל בננו־חומרים יקרים ותכונות חומר לא עקביות.
הפתרון: המכשירים האולטרסוניים מסוג גשוש של Hielscher מספקים פתרון יעיל, הניתן להרחבה לקנה מידה גדול ומוכח בתעשייה, לפיזור, לקילוף שכבות, לפירוק אגלומרטים ולשזירה פונקציונלית של ננו־חומרים בעיסות צמנט, בפורמולציות טיט ובתרחיפי חומרי מוצא. Hielscher מפתחת ומייצרת מעבדים אולטרסוניים לעיבוד נוזלים, מעבודות היתכנות במעבדה ועד לייצור תעשייתי רציף, עם מגוון מוצרים המתוכנן להגדלת קנה המידה ממערכות מעבדה קומפקטיות ועד לציוד תעשייתי בהספק גבוה.

מדוע פיזור ננו־חומרים חשוב בטיט צמנטי

ננו־חומרים יכולים לשפר באופן משמעותי חומרים מרוכבים צמנטיים משום שהם מקיימים אינטראקציה עם מטריצת הצמנט בקנה מידה זעיר מאוד. גרפן, ננו־צינוריות פחמן וחומרי מילוי ננומטריים אחרים, כאשר הם מפוזרים כראוי, יכולים לשמש כאתרי התגרענות, לגשר על מיקרו־סדקים, לעדן את מבנה הנקבוביות ולשפר את העברת העומסים בתוך המטריצה הקשויה.
בפועל, הביצועים תלויים פחות בכמות הנומינלית של הננו־חומר שנוסף ויותר באיכות הפיזור. כמות קטנה של גרפן או ננו־צינוריות פחמן המפוזרים היטב עשויה להניב ביצועים טובים יותר מכמות גדולה יותר של חומר המפוזר באופן לקוי. אגלומרטים מתנהגים כפגמים במקום לשמש כחיזוק. הם מפחיתים את העבידות, יוצרים ריכוזי מאמצים ומגבילים את שטח הפנים האפקטיבי של התוסף.
פיזור אולטרסוני נותן מענה לאתגר מרכזי זה בפיתוח פורמולציות. אולטרסאונד בעוצמה גבוהה יוצר כוחות גזירה מקומיים חזקים, מיקרו־ערבוב, גלי הלם ומיקרו־סילוני נוזל באמצעות קוויטציה אקוסטית. השפעות אלה מפרידות ננו־חומרים המאוגדים בצרורות, מרטיבות את פני החלקיקים ומפזרות אותם באופן אחיד בכל הפאזה הנוזלית לפני שילובם באבקת צמנט, בעיסת צמנט או בטיט.

פירוק אגלומרטים של גרפן, ננו־צינוריות פחמן ותוספי ננו באמצעות אולטרסאונד

ננו־לוחיות גרפן, תחמוצת גרפן, תחמוצת גרפן מחוזרת וננו־צינוריות פחמן מעוררות עניין מיוחד לשימוש בחומרים צמנטיים מתקדמים. הן יכולות לתרום לחוזק המתיחה, לחוזק הכפיפה, לחסינות לשבר, למוליכות החשמלית, להתנהגות התרמית ולעמידות לאורך זמן. בה בעת, הן נמנות עם התוספים הקשים ביותר לפיזור.
קוויטציה אולטרסונית מסייעת להתגבר על כוחות המשיכה בין מבנים ננומטריים. בנוזל העובר סוניקציה, בועות קוויטציה הקורסות יוצרות החדרת אנרגיה מקומית עזה. פעולה זו יכולה לפרק צברי חלקיקים, להפריד צרורות של ננו־צינוריות פחמן, לקלף שכבות מחומרים שכבתיים ולשפר את פיזורם של חומרי מילוי ננומטריים.

ההשפעות האולטרסוניות העיקריות בייצור טיט מחוזק בננו־חומרים כוללות:

• פירוק אגלומרטים: פירוק צברים של גרפן, CNTs, ננו־סיליקה או תוספים היברידיים לקבלת התפלגויות של חלקיקים קטנים ואחידים יותר.
• פיזור: פיזור הומוגני של ננו־חומרים במים, בתמיסות של חומרים מפלסטים, בתערובות מוספים או בתרחיפים צמנטיים.
• קילוף שכבות: הפרדת חומרים שכבתיים כגון גרפיט, ננו־לוחיות גרפן או חרסיות ליריעות דקות יותר בעלות שטח פנים פעיל גדול יותר.
• הרטבה ואקטיבציה: שיפור המגע של הנוזל עם פני השטח של הננו־חומרים לשיפור האינטראקציה עם תוצרי ההידרציה של הצמנט ועם מוספים.
• השתזרות ויצירת רשתות: תמיכה ביצירת רשתות CNT או גרפן הפרושות בחומר, שיכולות לשפר גישור על סדקים, מוליכות ותפקוד מבני.
• הדירות: יצירת תנאי תהליך מבוקרים לקבלת פורמולציות עקביות, מניסויי מעבדה ועד לקנה מידה של ייצור.

יתרונות הפיזור האולטרסוני במשחות צמנט ובטיט

הערך הכלכלי והטכני של סוניקציה גבוה במיוחד בייצור צמנט בעל ביצועים גבוהים. ננו־חומרים הם לעיתים קרובות יקרים, והתועלת שלהם תלויה בשימוש יעיל בהם. כאשר סוניקציה משפרת את איכות הפיזור, מפתחי פורמולציות יכולים לעיתים קרובות לצמצם מינון יתר, להגביר את ההדירות ולהשיג ביצועים משופרים לכל קילוגרם של תוסף.

עבור יצרני טיט מתקדם, חומרי תיקון, רכיבים טרומיים, חומרים צמנטיים הניתנים להדפסה ב־3 ממדים או כימיקלים ייעודיים לבנייה, עיבוד אולטרסוני יכול לסייע בהשגת:

• ביצועים גבוהים יותר בלחיצה, בכפיפה ובמתיחה באמצעות שיפור הפיזור של חומרי מילוי ננומטריים.
• עמידות טובה יותר בפני סדיקה וקשיחות משופרת הודות לחיזוק יעיל יותר ברמת המיקרו.
• חדירות מופחתת ועמידות משופרת באמצעות עידון מבנה הנקבוביות.
• איכות חומר עקבית יותר בין אצוות.
• ניצול משופר של גרפן, CNTs וננו־תוספים אחרים שעלותם גבוהה.
• סינון מהיר יותר של פורמולציות ואופטימיזציה של התהליך.
• ייצור הניתן להגדלה בקנה מידה, מפיתוח במעבדה ועד לעיבוד תעשייתי רציף.
• בקרה טובה יותר על פרמטרים של התהליך כגון אמפליטודה, תשומת אנרגיה, ספיקת זרימה, טמפרטורה וזמן שהייה.

המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מתוכננים להעברת אנרגיה מדידה והדירה לנוזלים, לתרחיפים ולתרחיפים סמיכים. ניתן להשתמש באותו מנגנון סוניקציה בסיסי בדרגות הספק שונות, כך שלקוחות יכולים לפתח פרמטרים של תהליך בקנה מידה קטן ולאחר מכן להעביר אותם למערכות שולחניות, למערכות פיילוט או למערכות תעשייתיות גדולות יותר.

תמונות תרמוגרפיות באינפרה־אדום של משחת צמנט ששונתה באמצעות ננו־חומרים וחוזקה ב־(a) CNTs וב־(b) GNPs. CNT וגרפן פוזרו באמצעות הסוניקטור UP400S.
מחקר וגרפים: ©Farmaki et al., 2025

סוניקציה לפני הוספת הצמנט: מסלול התהליך המועדף

בפורמולציות רבות של צמנט מחוזק בננו־חומרים, הגישה היעילה ביותר היא לפזר תחילה את הננו־חומר בפאזה הנוזלית. זו עשויה להיות מים, תמיסת סופרפלסטיסייזר, חומר מפזר המכיל חומר פעיל שטח, מוסף פולימרי, סול סיליקה או רכיב נוזלי אחר בפורמולציית הטיט.
מסלול תהליך אולטרסוני טיפוסי הוא:

1. הוסיפו גרפן, CNTs או ננו־חומרים אחרים לפאזה הנוזלית.
2. הרטיבו מראש את האבקה או את חומר המילוי הננומטרי תוך ערבוב מתון.
3. הפעילו סוניקציה בעוצמה גבוהה לפירוק האגלומרטים ולפיזור החומר.
4. בקרו את הטמפרטורה במידת הצורך.
5. הוסיפו את הננו־דיספרסיה שעברה סוניקציה לצמנט, לחול וליתר רכיבי הטיט.
6. ערבבו עד לקבלת הסמיכות הסופית של המשחה או הטיט.

מסלול זה מאפשר בקרה טובה יותר מאשר ערבוב יבש של ננו־חלקיקים באבקת צמנט. הוא גם מגדיל את הסבירות שהננו־חומרים כבר מופרדים, מורטבים ומפוזרים באופן אחיד לפני תחילת ההידרציה וההתקשרות.

יתרונות כלכליים בייצור צמנט בעל ביצועים גבוהים

תוספי ננו עשויים להיות יקרים, והשימוש בהם חייב להיות מוצדק בשיפורים מדידים בביצועים. פיזור לקוי מבזבז חומר. גרפן או CNTs המצויים באגלומרטים מייקרים את הפורמולציה בלי לספק את החיזוק המצופה. לעומת זאת, פיזור אולטרסוני משפר את הניצול האפקטיבי של ננו־חומרים.
היתרונות הכלכליים כוללים:

• פחות בזבוז של תוספים: חלק גדול יותר מהננו־חומר תורם לביצועים במקום להישאר כלוא באגלומרטים.
• סיכון מופחת בפיתוח הפורמולציה: פיזור עקבי מפחית אצוות כושלות ותוצאות בדיקה בלתי יציבות.
• מחזורי מחקר ופיתוח מהירים יותר: ניתן לבצע בדיקות סינון לפורמולציות באמצעות פרמטרים מבוקרים של סוניקציה.
• הגדלת קנה מידה משופרת: ניתן להעביר פרמטרים של התהליך מבדיקות היתכנות לציוד תעשייתי.
• מוצרים בעלי ערך גבוה יותר: תערובות טיט חזקות יותר, עמידות יותר ובעלות תכונות תפקודיות תומכות ביישומי פרימיום.
• פוטנציאל לייצור רציף: סוניקציה בקו מאפשרת עיבוד בתפוקה גבוהה לייצור מסחרי.

עבור יצרנים, הערך המרכזי אינו רק איכות פיזור טובה יותר. הוא היכולת להפוך צמנט מחוזק בננו־חומרים מרעיון מעבדתי לתהליך ייצור מבוקר הניתן להגדלה בקנה מידה.

מפורמולציה במעבדה לייצור צמנט תעשייתי

יתרון מרכזי של הטכנולוגיה האולטרסונית של Hielscher הוא המסלול המעשי להגדלת קנה המידה. ניתן לפתח פורמולציות של צמנט מחוזק בננו־חומרים בקנה מידה שולחני, ולאחר מכן להעבירן למערכות גדולות יותר בלי לשנות את עקרון העיבוד הבסיסי. במקום להמציא מחדש את תהליך הפיזור לצורכי ייצור, יצרנים יכולים להתאים לקנה המידה את ההספק האולטרסוני, את גאומטריית תא הזרימה, את זמן השהייה ואת תצורת הריאקטור.
כך פוחת הסיכון הטכני. הדבר גם מקצר את הדרך מדגימות טיט מוצלחות למוצרי צמנט מסחריים בעלי ביצועים גבוהים.

תהליך עבודה טיפוסי להגדלת קנה המידה כולל:

1. הגדירו את ביצועי היעד של הטיט ואת מערכת הננו־חומרים.
2. בצעו בדיקות סינון לתוספי גרפן, CNT, ננו־סיליקה או תוספים היברידיים.
3. קבעו את עוצמת הסוניקציה ואת כמות האנרגיה המושקעת הנדרשות.
4. בצעו אופטימיזציה של תווכי הפיזור, המוספים ובקרת הטמפרטורה.
5. ייצרו אצוות ניסוי באמצעות מערכות UIP1000hdT או UIP2000hdT.
6. אמתו את תכונות הטיט, כגון חוזק, עבידות ועמידות.
7. העבירו את התהליך לאשכולות של UIP6000hdT או UIP16000hdT לצורכי ייצור.
8. שלבו סוניקציה בקו בתהליך ייצור רציף.

צמנט בעל ביצועים גבוהים זקוק לפיזור באיכות גבוהה

עתידה של טכנולוגיית הצמנט אינו מבוסס רק על כימיה חדשה של חומרי קישור. הוא תלוי גם בשליטה טובה יותר במיקרו־מבנה, בתוספים תפקודיים ובעיבוד. ננו־חומרים כגון גרפן ו־CNTs יכולים לסייע בייצור חומרים צמנטיים חזקים יותר, בעלי קשיחות שבר גבוהה יותר, חכמים יותר ועמידים יותר. אך לשם כך נדרש פיזור אמין.
המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מעניקים ליצרני צמנט, ליצרני כימיקלים לבנייה ולמכוני מחקר כלי לעיבוד תוספי ננו הניתן להגדלה בקנה מידה. מפיתוח פורמולציות בשלב מוקדם ועד לייצור בקו בתפוקה גבוהה, סוניקציה משפרת את הפיזור, את הפרדת השכבות, את פירוק האגלומרטים ואת יצירת המבנים התפקודיים של ננו־חומרים בעיסות צמנט ובתערובות טיט צמנטי.
לייצור צמנט בעל ביצועים גבוהים, עיבוד אולטרסוני מציע יתרון ברור: ביצועי חומר טובים יותר, שימוש יעיל יותר בתוספי ננו יקרים ומסלול ישיר מהצלחה במעבדה לייצור תעשייתי.

הטבלה שלהלן נותנת אינדיקציה לקיבולת העיבוד המשוערת של המכשירים האולטרסוניים שלנו:

מכשירי סוניקציה של Hielscher למחקר, לבדיקות היתכנות ולייצור

Hielscher מציעה מעבדים אולטרסוניים בדרגות הספק למעבדה, למערכות שולחניות, למערכות פיילוט ולתעשייה. הדבר חיוני למפתחי צמנט וטיט, משום שפורמולציות מחוזקות בננו־חומרים חייבות לעיתים קרובות לעבור כמה שלבים: סינון ראשוני של חומרים, פיתוח פרמטרי הפיזור, בדיקות טיט, אצוות פיילוט וייצור תעשייתי.
מגוון המוצרים של Hielscher מבוסס על עיבוד אולטרסוני הניתן להגדלת קנה מידה, עם מערכות לפיתוח במעבדה, לבדיקות פיילוט ובדיקות במערכות שולחניות, להפעלה תעשייתית בתנאים תובעניים ולייצור רציף בקו באמצעות תאי זרימה וריאקטורים.

UIP1000hdT ו־UIP2000hdT למחקר במערכות שולחניות ולבדיקות היתכנות

UIP1000hdT ו־UIP2000hdT הם מעבדים אולטרסוניים שולחניים רבי־עוצמה לפיתוח פורמולציות, למחקרי היתכנות ולעיבוד בקנה מידה בינוני. הם מתאימים היטב לפיתוח פורמולציות צמנט מחוזקות בננו־חומרים, כאשר החוקרים צריכים לבדוק את סוג הננו־חומר, ריכוזו, ההרכב הכימי של חומר הפיזור, עוצמת הסוניקציה, זמן העיבוד ובקרת הטמפרטורה.

מערכות אלה אידיאליות עבור:

• פיזור גרפן ו־CNT במים או בתמיסות מוספים.
• בדיקות היתכנות של עיסות צמנט מחוזקות בננו־חומרים.
• אופטימיזציה של תשומת האנרגיה בסוניקציה.
• הכנת אצוות ניסוי הניתנות לשחזור.
• פיתוח פורמולציות טיט בעלות ביצועים גבוהים.
• עיבוד רציף בקנה מידה קטן באמצעות מערכי תאי זרימה.
• אימות הגדלת קנה המידה לפני ייצור תעשייתי.

לצוותי מחקר ופיתוח, UIP1000hdT ו־UIP2000hdT מספקים את עוצמת העיבוד הנדרשת לננו־חומרים תובעניים, תוך שמירה על מערך מעשי לשימוש בסביבות מעבדה, מרכזים טכניים ומתקני פיילוט.

קילוף שכבות גרפן באמצעות אולטרסאונד

אשכולות UIP6000hdT ו־UIP16000hdT לייצור בתפוקה גבוהה

לייצור בקנה מידה מסחרי של תוספי צמנט מחוזקים בננו־חומרים, דיספרסיות ננומטריות או רכיבי טיט בעלי ביצועים גבוהים, ניתן להגדיר מכשירים אולטרסוניים תעשייתיים של Hielscher, כגון UIP6000hdT ו־UIP16000hdT, באשכולות לעיבוד רציף בתפוקה גבוהה.
אשכולות של יחידות UIP6000hdT או UIP16000hdT מאפשרים ליצרנים להגדיל את כושר העיבוד תוך שמירה על תשומת אנרגיה אולטרסונית מבוקרת. גישה מודולרית זו שימושית במיוחד כאשר היקפי הייצור גדלים מקנה מידה של פיילוט לייצור בקנה מידה מלא.

תצורות תעשייתיות תומכות ב:

• פיזור רציף בקו של גרפן, CNT ותוספי ננו.
• עיבוד בתפוקה גבוהה של תרחיפי אם של ננו־חומרים.
• שילוב בקווי ייצור של מוספי צמנט או של תערובות טיט יבשות.
• הפעלה במקביל של ריאקטורים אולטרסוניים להגדלת כושר העיבוד.
• סביבות ייצור עמידות הפועלות 24/7.
• בקרת תהליך וניטור לשמירה על איכות מוצר עקבית.

המערכות התעשייתיות של Hielscher מיועדות להפעלה רציפה בתנאים תובעניים, ויחידות בהספק גבוה זמינות בהספק של עד 16 kW למכשיר.

ספרות / מקורות

• 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.