טיט מלט מחוזק בננו-חלקיקים באמצעות פיזור קולי

שימוש באולטרסאונד משפר את הפיזור, הפילינג ופירוק האגרגטים של גרפן, צינורות פחמן ננומטריים (CNTs) וחומרים ננומטריים אחרים בתערובות מלט ובטיט. מכשירי האולטרסאונד של Hielscher מאפשרים פיתוח פורמולות מלט בעלות ביצועים גבוהים החל מ-R&D לייצור התעשייתי.

טיט מלט מחוזק בננו-חלקיקים – פיזור ופירוק אגרגטים טובים יותר באמצעות סוניקציה

טיט מלט ומחיות מלט מחוזקים בננו-חומרים מהווים דרך יעילה לפיתוח חומרי בנייה בעלי ביצועים גבוהים. על ידי שילוב ננו-חומרים כגון גרפן, תחמוצת גרפן, ננו-צינורות פחמן (CNTs), ננו-סיליקה, ננו-חימר או חומרי מילוי פונקציונליים אחרים, ניתן לתכנן חומרים צמנטיים בעלי חוזק מכני משופר, עמידות בפני סדקים, עמידות לאורך זמן, מוליכות חשמלית, חדירות מופחתת וביצועים משופרים לטווח ארוך.
הבעיה: הפוטנציאל המלא של ננו-חומרים במערכות מלט מתממש רק כאשר החלקיקים מפוזרים באופן אחיד. יריעות גרפן, צרורות CNT ותוספים ננו-מטריים אחרים נוטים ליצור אגרגטים בשל כוחות ואן דר ואלס חזקים, אנרגיית פנים גבוהה והסתבכות. ערבוב קונבנציונלי, ערבוב באמצעות רוטור-סטטור או ערבוב אבקה פשוט לרוב אינם מצליחים לפרק את הגושים הללו במידה מספקת. התוצאה היא פיזור לקוי, נקודות תורפה במטריצת המלט, שימוש לא יעיל בחומרים ננו-מטריים יקרים ותכונות חומר לא אחידות.
הפתרון: מכשירים אולטראסוניים מסוג "פרובה" של Hielscher מספקים פתרון יעיל, ניתן להרחבה ומוכח בתעשייה לפיזור, פירוק, פירוק אגרגטים ושזירה פונקציונלית של ננו-חומרים בתערובות מלט, תרכובות טיט ותמיסות מקדימות. חברת Hielscher מפתחת ומייצרת מעבדים אולטראסוניים לעיבוד נוזלים, החל מעבודות היתכנות במעבדה ועד לייצור תעשייתי רציף, עם תיק מוצרים המיועד להרחבה ממערכות מעבדה קומפקטיות ועד לציוד תעשייתי בעל הספק גבוה.

מדוע פיזור ננו-חומרים חשוב בתערובות מלט

חומרים ננו-מטריים יכולים לשפר באופן משמעותי את תכונותיהם של חומרים מרוכבים מבוססי מלט, מכיוון שהם מקיימים אינטראקציה עם מטריצת המלט בקנה מידה קטן מאוד. גרפן, צינורות פחמן ננומטריים (CNTs) וחומרי מילוי ננו-מטריים אחרים, כאשר הם מפוזרים כראוי, יכולים לשמש כאתרי גרעון, לגשר על סדקים מיקרוסקופיים, לעדן את מבנה הנקבוביות ולשפר את העברת העומס בתוך המטריצה המוקשה.
בפועל, הביצועים תלויים פחות בכמות הנומינלית של החומר הננומטרי שנוסף, ויותר באיכות הפיזור. כמות קטנה של גרפן או צינורות פחמן (CNTs) המפוזרים היטב עשויה להניב ביצועים טובים יותר מכמות גדולה יותר של חומר המפוזר בצורה לקויה. גושים מתנהגים כמו פגמים ולא כחיזוק. הם מפחיתים את יכולת העיבוד, יוצרים ריכוזי מאמץ ומגבילים את שטח הפנים היעיל של התוסף.
פיזור באמצעות אולטרסאונד נותן מענה לאתגר מרכזי זה בתהליך הייצור. אולטרסאונד בעוצמה גבוהה יוצר כוחות גזירה מקומיים חזקים, ערבוב מיקרוסקופי, גלי הלם ומיקרו-סילונים נוזליים באמצעות קוויטציה אקוסטית. השפעות אלו מפרידות בין ננו-חומרים המרוכזים יחד, מרטיבות את משטחי החלקיקים ומפזרות אותם באופן אחיד בכל שלב הנוזל, לפני שילובם באבקת מלט, משחה או טיט.

פירוק אגרגטים באמצעות אולטרסאונד של גרפן, צינורות פחמן ננומטריים (CNTs) ותוספים ננומטריים

ננו-לוחות גרפן, תחמוצת גרפן, תחמוצת גרפן מופחתת וננו-צינורות פחמן מהווים חומרים אטרקטיביים במיוחד עבור חומרים צמנטיים מתקדמים. הם יכולים לתרום לחוזק מתיחה, חוזק כיפוף, עמידות בפני שבר, מוליכות חשמלית, התנהגות תרמית ועמידות. עם זאת, הם נמנים עם התוספים הקשים ביותר לפיזור.
קביטציה אולטראסונית מסייעת להתגבר על כוחות המשיכה הפועלים בין מבנים בקנה מידה ננומטרי. בנוזל שעבר טיפול אולטראסוני, התפוצצות בועות הקביטציה יוצרת הזרמת אנרגיה מקומית עוצמתית. תהליך זה יכול לפרק אשכולות חלקיקים, להפריד צרורות של צינורות פחמן חד-קירתיים (CNT), לקלף חומרים רב-שכבתיים ולשפר את פיזור חומרי המילוי הננומטריים.

בין ההשפעות העיקריות של הגלים הקוליים בייצור מלט מחוזק בננו-חלקיקים נמנות:

• הפחתה: פירוק צברים של גרפן, צינורות פחמן (CNTs), ננו-סיליקה או תוספים היברידיים לתפוצות חלקיקים קטנות יותר ואחידות יותר.
• פיזור: פיזור אחיד של ננו-חומרים במים, בתמיסות פלסטייזרים, בתערובות תוספים או בתערובות מלטיות.
• פילינג: פירוק חומרים רב-שכבתיים כגון גרפיט, ננו-לוחות גרפן או חרסיות ליריעות דקות יותר בעלות שטח פנים פעיל גדול יותר.
• הרטבה והפעלה: שיפור המגע של הנוזל עם משטחי ננו-חומרים, לשם אינטראקציה טובה יותר עם הידרטים של מלט ותוספים.
• הסתבכות ויצירת רשתות: תמיכה ביצירת רשתות מבוזרות של ננו-צינורות פחמן (CNT) או גרפן, המסוגלות לשפר את יכולת גישור הסדקים, את המוליכות ואת התפקוד המבני.
• יכולת שחזור: יצירת תנאי תהליך מבוקרים להפקת פורמולות אחידות, החל מניסויים במעבדה ועד לקנה מידה תעשייתי.

יתרונות הפיזור הקולי בתערובות מלט ובטיט

הערך הכלכלי והטכני של השימוש באולטרסאונד בולט במיוחד בייצור מלט בעל ביצועים גבוהים. חומרים ננומטריים הם לרוב יקרים, והיתרון הגלום בהם תלוי בשימוש יעיל בהם. כאשר השימוש באולטרסאונד משפר את איכות הפיזור, מפתחי הנוסחאות יכולים לעתים קרובות לצמצם את המינון העודף, להגביר את יכולת השחזור ולהשיג ביצועים טובים יותר לכל קילוגרם של תוסף.

עבור יצרנים של מרגמות מתקדמות, חומרי תיקון, רכיבים טרומיים, חומרים צמנטיים הניתנים להדפסה בתלת-ממד או כימיקלים מיוחדים לבנייה, עיבוד קולי יכול לתמוך ב:

• ביצועים משופרים במבחני דחיסה, כיפוף ומתיחה, הודות לפיזור משופר של חומר המילוי הננומטרי.
• עמידות טובה יותר בפני סדקים וקשיחות משופרת הודות לחיזוק מיקרו-יעיל יותר.
• ירידה בחדירות ושיפור העמידות באמצעות שיפור מבנה הנקבוביות.
• איכות חומר עקבית יותר בין אצווה לאצווה.
• שימוש יעיל יותר בגרפן, בצינורות פחמן (CNTs) ובחומרים ננו-תוספים אחרים, שהם יקרים.
• סינון מהיר יותר של פורמולות ואופטימיזציה של תהליכים.
• ייצור הניתן להרחבה, החל מפיתוח במעבדה ועד לעיבוד תעשייתי רציף.
• שליטה טובה יותר בפרמטרי התהליך, כגון משרעת, צריכת אנרגיה, קצב הזרימה, הטמפרטורה וזמן השהייה.

מכשירים אולטראסוניים של Hielscher תוכננו להעברת אנרגיה מדידה וניתנת לשחזור לנוזלים, תמיסות ותערובות. אותו מנגנון ליבה של טיפול באולטראסאונד ניתן לשימוש בכל דרגות ההספק, מה שמאפשר ללקוחות לפתח פרמטרים תהליכיים בקנה מידה קטן ולאחר מכן להעבירם למערכות שולחניות, פיילוט או תעשייתיות גדולות יותר.

תצלומי תרמוגרפיה אינפרא-אדומים של תערובת מלט שעברה שינוי ננו-טכנולוגי, המחוזקת ב-(א) צינורות פחמן ננומטריים (CNTs) ו-(ב) חלקיקי גרפן ננומטריים (GNPs). צינורות הפחמן הננומטריים והגרפן פוזרו באמצעות מכשיר אולטרה-סוני UP400S.
מחקר וגרפים: ©Farmaki et al., 2025

עיבוד קולי לפני הוספת המלט: מסלול התהליך המועדף

במקרה של פורמולות מלט רבות המחוזקות בננו-חומרים, הגישה היעילה ביותר היא לפזר תחילה את הננו-חומר בשלב הנוזלי. זה יכול להיות מים, תמיסת סופר-פלסטייזר, חומר פיזור המכיל חומר פעילי שטח, תוסף פולימרי, סול סיליקה או מרכיב נוזלי אחר בפורמולת המלט.
תהליך טיפוסי בשיטת האולטראסאונד הוא:

1. יש להוסיף גרפן, צינורות פחמן (CNTs) או ננו-חומרים אחרים לשלב הנוזלי.
2. יש להרטיב מראש את האבקה או את חומר המילוי הננומטרי תוך ערבוב מתון.
3. יש להשתמש באולטרסאונד בעוצמה גבוהה כדי לפרק את הגושים ולפזר את החומר.
4. יש לווסת את הטמפרטורה במידת הצורך.
5. יש להוסיף את הננו-תפזורת שעברה טיפול קולי למלט, לחול ולמרכיבי טיט אחרים.
6. יש לערבב עד לקבלת מרקם של משחה או טיט סופי.

שיטה זו מאפשרת שליטה טובה יותר מאשר ערבוב יבש של ננו-חלקיקים באבקת מלט. כמו כן, היא מגדילה את הסיכוי שהחומרים הננו-מטריים יהיו מופרדים, רטובים ומפוזרים באופן אחיד עוד לפני תחילת תהליך ההידרציה וההתקשות.

היתרונות הכלכליים של ייצור מלט בעל ביצועים גבוהים

תוספים ננו-מטריים עלולים להיות יקרים, ויש להצדיק את השימוש בהם באמצעות שיפור מדיד בביצועים. פיזור לקוי גורם לבזבוז חומר. גרפן או צינורות פחמן ננומטריים (CNTs) שהתלכדו מגדילים את עלות התרכובת מבלי לספק את החיזוק הצפוי. לעומת זאת, פיזור אולטראסוני משפר את הניצול היעיל של חומרים ננו-מטריים.
היתרונות הכלכליים כוללים:

• הפחתת פסולת תוספים: כמות גדולה יותר של החומר הננומטרי תורמת לביצועים, במקום להישאר כלואה באגרגטים.
• הפחתת הסיכון הכרוך בפורמולציה: פיזור אחיד מפחית את מספר האצוות הפגומות ואת תוצאות הבדיקה הלא יציבות.
• R מהיר יותר&D מחזורים: ניתן לבצע סינון של תרכובות באמצעות פרמטרים מבוקרים של טיפול קולי.
• הרחבה משופרת: ניתן להעביר את פרמטרי התהליך מבדיקות היתכנות לציוד תעשייתי.
• מוצרים בעלי ערך גבוה יותר: טיט חזק, עמיד ופונקציונלי יותר מתאים ליישומים ברמה גבוהה.
• פוטנציאל ייצור רציף: שימוש באולטרסאונד מובנה מאפשר עיבוד בתפוקה גבוהה לייצור מסחרי.

מבחינת היצרנים, הערך המרכזי אינו רק איכות פיזור טובה יותר. זהו היכולת להפוך מלט מחוזק בננו-חומרים מרעיון מעבדתי לתהליך ייצור מבוקר וניתן להרחבה.

מהתרכבות במעבדה ועד לייצור מלט תעשייתי

יתרון מרכזי של טכנולוגיית האולטראסאונד של Hielscher הוא המסלול המעשי להרחבת הייצור. ניתן לפתח פורמולות של מלט מחוזק בננו-חלקיקים בקנה מידה מעבדתי, ולאחר מכן להעבירן למערכות גדולות יותר מבלי לשנות את עקרון העיבוד הבסיסי. במקום להמציא מחדש את תהליך הפיזור לצורכי ייצור, היצרנים יכולים לשנות את עוצמת האולטראסאונד, את גיאומטריית תא הזרימה, את זמן השהייה ואת תצורת הכור.
דבר זה מפחית את הסיכון הטכני. כמו כן, הוא מקצר את הדרך מדגימות מרגמה מוצלחות למוצרי מלט מסחריים בעלי ביצועים גבוהים.

תהליך עבודה טיפוסי של הרחבת הייצור כולל:

1. הגדירו את ביצועי המרגמה הרצויים ואת מערכת הננו-חומרים.
2. גרפן, צינורות פחמן ננומטריים (CNT), ננו-סיליקה או תוספים היברידיים.
3. קבעו את עוצמת האולטרסאונד הנדרשת ואת צריכת האנרגיה.
4. יש לייעל את חומרי הפיזור, התוספים ובקרת הטמפרטורה.
5. הפיקו אצוות ניסוי באמצעות מערכות UIP1000hdT או UIP2000hdT.
6. יש לבדוק את תכונות המלט, כגון חוזק, יכולת עיבוד ועמידות.
7. העבר את התהליך לאשכולות UIP6000hdT או UIP16000hdT לצורך ייצור.
8. לשלב את תהליך הסוניקציה המובנית בתהליך הייצור הרציף.

מלט בעל ביצועים גבוהים דורש פיזור באיכות גבוהה

עתיד טכנולוגיית המלט אינו מבוסס רק על כימיה חדשה של חומרי מליטה. הוא תלוי גם בשליטה טובה יותר במיקרו-מבנה, בתוספים פונקציונליים ובתהליכי הייצור. ננו-חומרים כגון גרפן ו-CNTs יכולים לסייע בייצור חומרים מלטניים חזקים יותר, עמידים יותר, חכמים יותר ועמידים יותר. אך לשם כך נדרשת פיזור אמין.
מכשירים אולטראסוניים של Hielscher מספקים ליצרני מלט, ליצרני כימיקלים לבנייה ולמכוני מחקר כלי הניתן להרחבה לעיבוד תוספים ננו-מטריים. החל משלב הפיתוח המוקדם של הנוסחה ועד לייצור מקוון בתפוקה גבוהה, הטיפול האולטראסוני משפר את הפיזור, הפירוק, פירוק האגרגטים והמבנה הפונקציונלי של חומרים ננו-מטריים בתערובות מלט ובטיט.
בייצור מלט בעל ביצועים גבוהים, לעיבוד באמצעות אולטרה-סאונד יש יתרון ברור: ביצועים טובים יותר של החומר, שימוש יעיל יותר בתוספים ננו-ממדיים יקרים, ודרך ישירה מהצלחה במעבדה לייצור תעשייתי.

הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו:

מכשירים סוניקטוריים של Hielscher למחקר, בדיקות היתכנות וייצור

חברת Hielscher מציעה מעבדים אולטראסוניים במגוון דרגות הספק: מעבדות, שולחניים, פיילוט ותעשייתיים. הדבר חיוני למפתחי מלט ומרגמה, שכן פורמולות מחוזקות בננו-חומרים נדרשות לעתים קרובות לעבור מספר שלבים: סינון חומרים ראשוני, פיתוח פרמטרי פיזור, בדיקת מרגמה, אצוות פיילוט וייצור תעשייתי.
תיק המוצרים של Hielscher מתמקד בעיבוד קולי הניתן להרחבה, וכולל מערכות לפיתוח מעבדתי, לניסויים פיילוט ולניסויים על שולחן העבודה, לתפעול תעשייתי כבד ולייצור רציף בקו הייצור באמצעות תאי זרימה וכורים.

UIP1000hdT ו-UIP2000hdT למחקר על שולחן העבודה ולבדיקות היתכנות

ה-UIP1000hdT וה-UIP2000hdT הם מעבדים אולטראסוניים עוצמתיים לשולחן העבודה, המיועדים לפיתוח פורמולות, מחקרי היתכנות ועיבוד בקנה מידה בינוני. הם מתאימים במיוחד לפיתוח פורמולות מלט מחוזקות בננו-חומרים, שבהן החוקרים נדרשים לבחון את סוג הננו-חומר, הריכוז, הרכב החומר המפזר, עוצמת האולטרסאונד, זמן העיבוד ובקרת הטמפרטורה.

מערכות אלו אידיאליות עבור:

• פיזור גרפן ו-CNT במים או בתמיסות תערובת.
• בדיקת היתכנות של משחות מלט מחוזקות בננו-חומרים.
• אופטימיזציה של צריכת האנרגיה בתהליך הסוניקציה.
• הכנת אצוות ניסוי הניתנות לשחזור.
• פיתוח נוסחאות לטיט בעל ביצועים גבוהים.
• עיבוד רציף בקנה מידה קטן באמצעות מערכי תאי זרימה.
• אימות בהרחבת היקף הייצור לקראת הייצור התעשייתי.

עבור R&דגמי ה-D, ה-UIP1000hdT וה-UIP2000hdT, מספקים את עוצמת התהליך הנדרשת לעיבוד ננו-חומרים תובעניים, תוך שמירה על מערך עבודה מעשי המתאים לסביבות מעבדה, מרכזים טכניים וסביבות פיילוט.

פילינג גרפן אולטראסוני

אשכולות UIP6000hdT ו-UIP16000hdT לייצור בתפוקה גבוהה

לצורך ייצור בקנה מידה מסחרי של תוספים למלט מחוזקים בננו-חלקיקים, ננו-דיספרסיות או רכיבי טיט בעלי ביצועים גבוהים, ניתן להגדיר את מכשירי האולטראסוניקה התעשייתיים של Hielscher, כגון ה-UIP6000hdT וה-UIP16000hdT, במערך אשכולות לצורך עיבוד רציף בתפוקה גבוהה.
קבוצות של יחידות UIP6000hdT או UIP16000hdT מאפשרות ליצרנים להגדיל את קיבולת העיבוד תוך שמירה על אספקת אנרגיה אולטראסונית מבוקרת. גישה מודולרית זו מועילה במיוחד כאשר היקפי הייצור גדלים מקנה מידה ניסיוני לייצור בקנה מידה מלא.

תמיכה בתצורות תעשייתיות:

• פיזור רציף תוך-תהליכי של גרפן, צינורות פחמן ננומטריים (CNTs) ותוספים ננומטריים.
• עיבוד בתפוקה גבוהה של תמיסות-אב של ננו-חומרים.
• שילוב בקווי ייצור של תוספים למלט או של טיח מוכן.
• הפעלה מקבילה של כורים אולטראסוניים להגדלת התפוקה.
• סביבות ייצור יציבות הפועלות 24 שעות ביממה, 7 ימים בשבוע.
• בקרה וניטור תהליכים לשם שמירה על איכות מוצר עקבית.

מערכות התעשייתיות של Hielscher מיועדות לפעולה רציפה בתנאים תובעניים, וקיימות יחידות בעלות הספק גבוה של עד 16 קילוואט למכשיר.

ספרות / מקורות