Cementni mortovi ojačani nanomaterijalima uz ultrazvučno dispergiranje

Ultrazvučna sonikacija poboljšava dispergiranje, eksfolijaciju i deaglomeraciju grafena, ugljikovih nanocijevi (CNT) i nanomaterijala u cementnim pastama i mortovima. Sonikatori Hielscher omogućuju razvoj formulacija cementa visokih svojstava, od istraživanja i razvoja do industrijske proizvodnje.

Cementni mortovi ojačani nanomaterijalima – bolje dispergiranje i deaglomeracija sonikacijom

Cementni mortovi i cementne paste ojačani nanomaterijalima pružaju učinkovit put prema građevnim materijalima visokih svojstava. Ugradnjom nanomaterijala poput grafena, grafenova oksida, ugljikovih nanocijevi (CNT), nanosilike, nanoglina ili drugih funkcionalnih punila mogu se projektirati materijali na bazi cementa s poboljšanom mehaničkom čvrstoćom, otpornošću na pucanje, trajnošću i električnom vodljivošću, smanjenom propusnošću te poboljšanim dugoročnim svojstvima.
Problem: Puni potencijal nanomaterijala u cementnim sustavima ostvaruje se samo kada su čestice ravnomjerno dispergirane. Grafenski listići, snopovi ugljikovih nanocijevi i drugi nanododaci skloni su stvaranju aglomerata zbog jakih van der Waalsovih sila, visoke površinske energije i zapletanja. Konvencionalno miješanje, miješanje rotor-statorom ili jednostavno miješanje prašaka često ne uspijeva dovoljno razbiti te aglomerate. Rezultat su slaba raspodjela, slaba mjesta u matrici morta, neučinkovita uporaba skupih nanomaterijala i neujednačena svojstva materijala.
Rješenje: Ultrazvučni uređaji Hielscher sa sondom pružaju učinkovito, skalabilno i industrijski dokazano rješenje za dispergiranje, eksfolijaciju, deaglomeraciju i funkcionalno ispreplitanje nanomaterijala u cementnim pastama, formulacijama morta i suspenzijama prekursora. Hielscher razvija i proizvodi ultrazvučne procesore za obradu tekućina, od laboratorijskih ispitivanja izvedivosti do kontinuirane industrijske proizvodnje, s ponudom osmišljenom za povećanje mjerila od kompaktnih laboratorijskih sustava do industrijske opreme velike snage.

Zašto je dispergiranje nanomaterijala važno u cementnim mortovima

Nanomaterijali mogu znatno poboljšati kompozite na bazi cementa jer međudjeluju s cementnom matricom na vrlo maloj duljinskoj skali. Pravilno dispergirani grafen, ugljikove nanocijevi i druga nanopunila mogu djelovati kao mjesta nukleacije, premošćivati mikropukotine, usitnjavati strukturu pora i poboljšavati prijenos opterećenja unutar očvrsnule matrice.
U praksi svojstva manje ovise o nominalnoj količini dodanog nanomaterijala, a više o kvaliteti dispergiranja. Mala količina dobro dispergiranog grafena ili ugljikovih nanocijevi može dati bolje rezultate od veće količine slabo dispergiranog materijala. Aglomerati se ponašaju kao nedostaci umjesto kao ojačanje. Smanjuju obradivost, stvaraju koncentracije naprezanja i ograničavaju efektivnu površinu dodatka.
Ultrazvučno dispergiranje rješava taj ključni izazov pri razvoju formulacija. Ultrazvuk visokog intenziteta putem akustične kavitacije stvara jake lokalizirane smične sile, mikromiješanje, udarne valove i tekuće mikromlazove. Ti učinci razdvajaju nanomaterijale okupljene u snopove, vlaže površine čestica i ravnomjerno ih raspoređuju po cijeloj tekućoj fazi prije nego što se ugrade u cementni prah, pastu ili mort.

Ultrazvučna deaglomeracija grafena, ugljikovih nanocijevi i nanododataka

Grafenske nanopločice, grafenov oksid, reducirani grafenov oksid i ugljikove nanocijevi posebno su privlačni za napredne materijale na bazi cementa. Mogu pridonijeti vlačnoj čvrstoći, savojnoj čvrstoći, lomnoj žilavosti, električnoj vodljivosti, toplinskom ponašanju i trajnosti. Istodobno pripadaju dodacima koje je najteže dispergirati.
Ultrazvučna kavitacija pomaže prevladati privlačne sile između struktura nanometarskih dimenzija. U sonificiranoj tekućini kavitacijski mjehurići pri kolapsu stvaraju intenzivan lokalni unos energije. To može razbiti nakupine čestica, razdvojiti snopove ugljikovih nanocijevi, eksfolirati slojevite materijale i poboljšati raspodjelu nanopunila.

Ključni ultrazvučni učinci u proizvodnji morta ojačanog nanomaterijalima uključuju:

• Deaglomeracija: Razbijanje nakupina grafena, CNT-ova, nanosilike ili hibridnih dodataka radi postizanja sitnije i ujednačenije raspodjele čestica.
• Dispergiranje: Homogeno raspoređivanje nanomaterijala u vodi, otopinama plastifikatora, mješavinama dodataka ili cementnim suspenzijama.
• Eksfolijacija: Razdvajanje slojevitih materijala poput grafita, grafenskih nanopločica ili glina na tanje listiće veće aktivne površine.
• Vlaženje i aktivacija: Poboljšanje kontakta tekućine s površinama nanomaterijala radi bolje interakcije s hidratima cementa i dodacima.
• Ispreplitanje i stvaranje mreže: Poticanje stvaranja raspoređenih mreža CNT-ova ili grafena koje mogu poboljšati premošćivanje pukotina, vodljivost i strukturnu funkcionalnost.
• Ponovljivost: Stvaranje kontroliranih procesnih uvjeta za dosljedne formulacije od laboratorijskih ispitivanja do proizvodnog mjerila.

Prednosti ultrazvučnog dispergiranja u cementnim pastama i mortovima

Ekonomska i tehnička vrijednost sonikacije posebno je velika u proizvodnji cementa visokih svojstava. Nanomaterijali su često skupi, a njihova korist ovisi o učinkovitoj uporabi. Kada sonikacija poboljša kvalitetu dispergiranja, stručnjaci za razvoj formulacija često mogu smanjiti prekomjerno doziranje, povećati ponovljivost i postići bolja svojstva po kilogramu dodatka.

Proizvođačima naprednih mortova, materijala za popravke, predgotovljenih elemenata, cementnih materijala za 3D ispis ili specijalnih građevinskih kemikalija ultrazvučna obrada može omogućiti:

• Bolja tlačna, savojna i vlačna svojstva zahvaljujući poboljšanoj raspodjeli nanopunila.
• Bolju otpornost na pucanje i žilavost zahvaljujući učinkovitijem mikroarmiranju.
• Smanjenu propusnost i poboljšanu trajnost usitnjavanjem strukture pora.
• Ujednačeniju kvalitetu materijala između šarži.
• Bolju iskorištenost skupog grafena, CNT-ova i drugih nanododataka.
• Brže probno ispitivanje formulacija i optimizaciju procesa.
• Skalabilnu proizvodnju od laboratorijskog razvoja do kontinuirane industrijske obrade.
• Bolju kontrolu procesnih parametara poput amplitude, unosa energije, protoka, temperature i vremena zadržavanja.

Hielscher ultrazvučni uređaji projektirani su za mjerljiv i ponovljiv prijenos energije u tekućine, suspenzije i guste suspenzije. Isti osnovni mehanizam sonikacije može se primjenjivati u različitim razredima snage, što korisnicima omogućuje razvoj procesnih parametara u malom mjerilu i njihov prijenos na veće stolne, pilotne ili industrijske sustave.

Infracrveni termogrami nanomodificirane cementne paste ojačane (a) CNT-ovima i (b) GNP-ovima. CNT-ovi i grafen dispergirani su sonikatorom UP400S.
Studija i grafikoni: ©Farmaki et al., 2025

Sonikacija prije dodavanja cementa: preporučeni procesni put

Za mnoge formulacije cementa ojačanog nanomaterijalima najučinkovitiji je pristup prvo dispergirati nanomaterijal u tekućoj fazi. To može biti voda, otopina superplastifikatora, dispergirajuće sredstvo koje sadrži površinski aktivnu tvar, polimerni dodatak, silikasol ili neka druga tekuća komponenta formulacije morta.
Tipičan ultrazvučni procesni put je:

1. Dodajte grafen, CNT-ove ili druge nanomaterijale u tekuću fazu.
2. Prethodno navlažite prah ili nanopunilo uz umjereno miješanje.
3. Primijenite ultrazvučnu obradu visokog intenziteta kako biste deaglomerirali i dispergirali materijal.
4. Kontrolirajte temperaturu ako je potrebno.
5. Dodajte sonikiranu nanodisperziju cementu, pijesku i drugim sastojcima morta.
6. Miješajte do postizanja konačne konzistencije paste ili morta.

Ovaj procesni put omogućuje bolju kontrolu od suhog umješavanja nanočestica u cementni prah. Također povećava vjerojatnost da su nanomaterijali već razdvojeni, navlaženi i ravnomjerno raspoređeni prije početka hidratacije i vezivanja.

Ekonomske prednosti za proizvodnju cementa visokih svojstava

Nanoaditivi mogu biti skupi, a njihova uporaba mora biti opravdana mjerljivim poboljšanjima svojstava. Loše dispergiranje dovodi do rasipanja materijala. Aglomerirani grafen ili CNT-ovi povećavaju troškove formulacije bez postizanja očekivanog ojačanja. Nasuprot tome, ultrazvučno dispergiranje poboljšava učinkovito iskorištavanje nanomaterijala.
Ekonomske koristi uključuju:

• Manje rasipanje aditiva: Veći dio nanomaterijala pridonosi svojstvima umjesto da ostane zarobljen u aglomeratima.
• Smanjen rizik pri formuliranju: Ujednačeno dispergiranje smanjuje broj neuspjelih šarži i nestabilnost rezultata ispitivanja.
• Brži ciklusi istraživanja i razvoja: Formulacije se mogu ispitivati uz kontrolirane parametre sonikacije.
• Poboljšano povećanje mjerila: Procesni parametri mogu se prenijeti s ispitivanja izvedivosti na industrijsku opremu.
• Proizvodi veće vrijednosti: Čvršći, trajniji i funkcionalni mortovi omogućuju primjene s visokim zahtjevima.
• Mogućnost kontinuirane proizvodnje: Sonikacija u proizvodnoj liniji omogućuje obradu velikog kapaciteta za komercijalnu proizvodnju.

Za proizvođače ključna vrijednost nije samo bolja kvaliteta dispergiranja. To je mogućnost pretvaranja cementa ojačanog nanomaterijalima iz laboratorijskog koncepta u kontroliran proizvodni proces čije se mjerilo može povećavati.

Od laboratorijskog formuliranja do industrijske proizvodnje cementa

Velika prednost ultrazvučne tehnologije Hielscher jest praktičan put povećanja mjerila. Formulacije cementa ojačanog nanomaterijalima mogu se razvijati na stolnim sustavima, a zatim prenijeti na veće sustave bez promjene temeljnog načela obrade. Umjesto ponovnog osmišljavanja postupka dispergiranja za proizvodnju, proizvođači mogu prilagoditi ultrazvučnu snagu, geometriju protočne ćelije, vrijeme zadržavanja i konfiguraciju reaktora većem mjerilu.
Time se smanjuje tehnički rizik. Također se skraćuje put od uspješnih uzoraka morta do komercijalnih cementnih proizvoda visokih svojstava.

Tipičan tijek povećanja mjerila uključuje:

1. Definirajte ciljana svojstva morta i sustav nanomaterijala.
2. Ispitajte aditive na bazi grafena, CNT-ova, nanosilicijeva dioksida ili hibridne aditive.
3. Odredite potreban intenzitet sonikacije i unos energije.
4. Optimizirajte disperzijske medije, dodatke i kontrolu temperature.
5. Proizvedite ispitne šarže sustavima UIP1000hdT ili UIP2000hdT.
6. Potvrdite svojstva morta kao što su čvrstoća, obradivost i trajnost.
7. Prenesite postupak na skupine uređaja UIP6000hdT ili UIP16000hdT za proizvodnju.
8. Integrirajte sonikaciju u proizvodnoj liniji u kontinuiranu proizvodnju.

Cement visokih svojstava zahtijeva visokokvalitetno dispergiranje

Budućnost tehnologije cementa ne temelji se samo na novim kemijskim sastavima veziva. Ona ovisi i o boljoj kontroli mikrostrukture, funkcionalnih aditiva i obrade. Nanomaterijali kao što su grafen i CNT-ovi mogu pomoći u proizvodnji čvršćih, žilavijih, pametnijih i trajnijih cementnih materijala. No to zahtijeva pouzdano dispergiranje.
Ultrazvučni uređaji Hielscher proizvođačima cementa, proizvođačima građevinske kemije i istraživačkim institutima pružaju alat za obradu nanoaditiva čije se mjerilo može povećavati. Od ranih faza formuliranja do proizvodnje velikog kapaciteta u proizvodnoj liniji, sonikacija poboljšava dispergiranje, eksfolijaciju, deaglomeraciju i funkcionalno strukturiranje nanomaterijala u cementnim pastama i mortovima.
Za proizvodnju cementa visokih svojstava ultrazvučna obrada pruža jasnu prednost: bolja svojstva materijala, učinkovitiju uporabu skupih nanoaditiva i izravan put od laboratorijskog uspjeha do industrijske proizvodnje.

Tablica u nastavku daje okviran prikaz približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Sonikatori Hielscher za istraživanje, ispitivanje izvedivosti i proizvodnju

Hielscher nudi ultrazvučne procesore u laboratorijskim, stolnim, pilotnim i industrijskim razredima snage. To je ključno za stručnjake za razvoj cementa i morta jer formulacije ojačane nanomaterijalima često moraju proći kroz nekoliko faza: početno ispitivanje i odabir materijala, razvoj parametara dispergiranja, ispitivanje morta, pilotne šarže i industrijsku proizvodnju.
Portfelj tvrtke Hielscher temelji se na ultrazvučnoj obradi koja omogućuje povećanje proizvodnog mjerila, sa sustavima za laboratorijski razvoj, pilotna i stolna ispitivanja, industrijski rad u zahtjevnim uvjetima i kontinuiranu proizvodnju u proizvodnoj liniji uz primjenu protočnih ćelija i reaktora.

UIP1000hdT i UIP2000hdT za istraživanja na stolnim sustavima i ispitivanje izvedivosti

UIP1000hdT i UIP2000hdT snažni su stolni ultrazvučni procesori za razvoj formulacija, studije izvedivosti i obradu u srednjem mjerilu. Vrlo su prikladni za razvoj formulacija cementa ojačanog nanomaterijalima pri kojem istraživači trebaju ispitati vrstu nanomaterijala, koncentraciju, kemijski sastav dispergatora, intenzitet sonikacije, vrijeme obrade i regulaciju temperature.

Ovi su sustavi idealni za:

• Dispergiranje grafena i ugljikovih nanocijevi (CNT) u vodi ili otopinama dodataka.
• Ispitivanje izvedivosti cementnih pasti ojačanih nanomaterijalima.
• Optimizaciju unosa energije sonikacijom.
• Pripremu ponovljivih ispitnih šarži.
• Razvoj formulacija morta visokih svojstava.
• Kontinuiranu obradu u malom mjerilu sa sustavima s protočnim ćelijama.
• Validaciju povećanja proizvodnog mjerila prije industrijske proizvodnje.

Za timove za istraživanje i razvoj UIP1000hdT i UIP2000hdT pružaju intenzitet procesa potreban za zahtjevne nanomaterijale, uz praktičnu primjenu sustava u laboratorijima, tehničkim centrima i pilotnim postrojenjima.

Ultrazvučna eksfolijacija grafena

Skupine uređaja UIP6000hdT i UIP16000hdT za proizvodnju velikog kapaciteta

Za proizvodnju cementnih dodataka ojačanih nanomaterijalima, nanodisperzija ili sastojaka morta visokih svojstava u komercijalnom mjerilu, industrijski ultrazvučni uređaji Hielscher, poput UIP6000hdT i UIP16000hdT, mogu se konfigurirati u skupine za kontinuiranu obradu velikog kapaciteta.
Skupine uređaja UIP6000hdT ili UIP16000hdT omogućuju proizvođačima povećanje kapaciteta obrade uz održavanje kontroliranog unosa ultrazvučne energije. Ovaj modularni pristup posebno je koristan kada opseg proizvodnje raste od pilotnog mjerila do proizvodnje u punom mjerilu.

Industrijske konfiguracije podržavaju:

• Kontinuirano dispergiranje grafena, ugljikovih nanocijevi (CNT) i nanododataka u proizvodnoj liniji.
• Obradu matičnih disperzija nanomaterijala velikog kapaciteta.
• Integraciju u linije za proizvodnju dodataka cementu ili suhih mješavina morta.
• Paralelan rad ultrazvučnih reaktora radi povećanja kapaciteta.
• Pouzdan rad u proizvodnim okruženjima koja rade 24/7.
• Upravljanje procesom i nadzor radi ujednačene kvalitete proizvoda.

Industrijski sustavi Hielscher namijenjeni su zahtjevnom kontinuiranom radu, a uređaji velike snage dostupni su sa snagom do 16 kW po uređaju.

Literatura / Reference

• 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.