Nanoerősítésű cementhabarcsok ultrahangos diszpergálással

Az ultrahangos kezelés javítja a grafén, a CNT-k és a nanoanyagok diszpergálását, exfoliációját és deagglomerálását cementpépekben és habarcsokban. A Hielscher ultrahangos készülékei lehetővé teszik nagy teljesítőképességű cementreceptúrák kialakítását a kutatás-fejlesztéstől az ipari gyártásig.

Nanoerősítésű cementhabarcsok – Jobb diszpergálás és deagglomerálás ultrahangos kezeléssel

A nanoerősítésű cementhabarcsok és cementpépek hatékony utat kínálnak a nagy teljesítőképességű építőanyagok felé. Nanoanyagok, például grafén, grafén-oxid, szén nanocsövek (CNT-k), nanoszilika, nanoagyagok vagy más funkcionális töltőanyagok beépítésével a cementkötésű anyagok úgy alakíthatók ki, hogy javuljon a mechanikai szilárdságuk, repedésállóságuk, tartósságuk és elektromos vezetőképességük, csökkenjen az áteresztőképességük, és javuljon a hosszú távú teljesítőképességük.
A probléma: A nanoanyagokban rejlő teljes potenciál cementrendszerekben csak akkor aknázható ki, ha a részecskék egyenletesen vannak diszpergálva. A grafénlemezek, a CNT-kötegek és más nanoadalékok az erős van der Waals-erők, a nagy felületi energia és az összegabalyodás miatt hajlamosak agglomerátumokat képezni. A hagyományos keverés, a rotor-sztátoros keverés vagy az egyszerű porkeverés gyakran nem bontja fel kellő mértékben ezeket az agglomerátumokat. Ennek eredménye az egyenetlen eloszlás, a habarcsmátrix gyenge pontjai, a drága nanoanyagok nem hatékony felhasználása és az ingadozó anyagtulajdonságok.
A megoldás: A Hielscher szondás ultrahangos készülékei hatékony, nagyobb léptékre átvihető és iparilag bevált megoldást kínálnak a nanoanyagok diszpergálására, exfoliációjára, deagglomerálására és funkcionális összefonódására cementpépekben, habarcsreceptúrákban és prekurzorszuszpenziókban. A Hielscher folyadékfeldolgozásra szolgáló ultrahangos feldolgozóberendezéseket fejleszt és gyárt a laboratóriumi megvalósíthatósági vizsgálatoktól az ipari folyamatos gyártásig, olyan termékportfólióval, amely a kompakt laboratóriumi rendszerektől a nagy teljesítményű ipari berendezésekig támogatja a léptéknövelést.

Miért fontos a nanoanyagok diszpergálása a cementhabarcsokban?

A nanoanyagok jelentősen javíthatják a cementkötésű kompozitok tulajdonságait, mert nagyon kis hosszúsági skálán lépnek kölcsönhatásba a cementmátrixszal. A megfelelően diszpergált grafén, CNT-k és más nanotöltőanyagok magképződési helyekként működhetnek, áthidalhatják a mikrorepedéseket, finomíthatják a pórusszerkezetet és javíthatják a terhelésátadást a megszilárdult mátrixon belül.
A gyakorlatban a teljesítőképesség kevésbé függ a hozzáadott nanoanyag névleges mennyiségétől, mint a diszpergálás minőségétől. Kis mennyiségű, jól diszpergált grafén vagy CNT jobb teljesítményt nyújthat, mint nagyobb mennyiségű, rosszul diszpergált anyag. Az agglomerátumok erősítés helyett hibákként viselkednek. Csökkentik a bedolgozhatóságot, feszültségkoncentrációkat hoznak létre és korlátozzák az adalék hatékony felületét.
Az ultrahangos diszpergálás ezt az alapvető receptúrakialakítási problémát kezeli. A nagy intenzitású ultrahang akusztikus kavitáció révén erős, lokalizált nyíróerőket, mikrokeveredést, lökéshullámokat és folyadék-mikrosugarakat hoz létre. Ezek a hatások szétválasztják a kötegekbe rendeződött nanoanyagokat, nedvesítik a részecskefelületeket és egyenletesen eloszlatják őket a folyadékfázisban, mielőtt cementporba, cementpépbe vagy habarcsba kerülnek.

Grafén, CNT-k és nanoadalékok ultrahangos deagglomerálása

A grafén nanolemezkék, a grafén-oxid, a redukált grafén-oxid és a szén nanocsövek különösen vonzóak a korszerű cementkötésű anyagok számára. Hozzájárulhatnak a húzószilárdsághoz, a hajlítószilárdsághoz, a törési szívóssághoz, az elektromos vezetőképességhez, a termikus viselkedéshez és a tartóssághoz. Ugyanakkor a legnehezebben diszpergálható adalékok közé tartoznak.
Az ultrahangos kavitáció segít leküzdeni a nanoméretű struktúrák közötti vonzóerőket. Az ultrahanggal kezelt folyadékban az összeomló kavitációs buborékok intenzív helyi energiabevitelt hoznak létre. Ez felbonthatja a részecskecsoportokat, szétválaszthatja a CNT-kötegeket, exfoliálhatja a réteges anyagokat és javíthatja a nanotöltőanyagok eloszlását.

A nanoerősítésű habarcsok gyártásának fő ultrahangos hatásai:

• Deagglomerálás: Grafénből, CNT-kből, nanoszilikából vagy hibrid adalékokból álló részecskecsoportok felbontása kisebb, egyenletesebben eloszló részecskékké.
• Diszpergálás: Nanoanyagok homogén eloszlatása vízben, képlékenyítőszer-oldatokban, adalékszer-keverékekben vagy cementkötésű zagyokban.
• Exfoliáció: Réteges anyagok, például grafit, grafén nanolemezkék vagy agyagok szétválasztása vékonyabb, nagyobb aktív felületű lemezekre.
• Nedvesítés és aktiválás: A folyadék és a nanoanyagfelületek érintkezésének javítása a cementhidrátokkal és az adalékszerekkel való jobb kölcsönhatás érdekében.
• Összefonódás és hálózatképződés: Eloszlatott CNT- vagy grafénhálózatok kialakulásának elősegítése, amelyek javíthatják a repedésáthidalást, a vezetőképességet és a szerkezeti funkcionalitást.
• Reprodukálhatóság: Szabályozott folyamatkörülmények kialakítása az egyenletes receptúrákhoz a laboratóriumi kísérletektől a gyártási léptékig.

Az ultrahangos diszpergálás előnyei cementpépekben és habarcsokban

Az ultrahangos kezelés gazdasági és műszaki értéke különösen nagy a nagy teljesítőképességű cement gyártásában. A nanoanyagok gyakran drágák, és előnyük a hatékony felhasználásuktól függ. Ha az ultrahangos kezelés javítja a diszpergálás minőségét, a receptúrák fejlesztői gyakran csökkenthetik a túladagolást, növelhetik a reprodukálhatóságot és nagyobb teljesítőképességet érhetnek el az adalék kilogrammjára vetítve.

Korszerű habarcsok, javítóanyagok, előregyártott elemek, 3D-nyomtatható cementkötésű anyagok vagy speciális építőipari vegyszerek gyártói számára az ultrahangos feldolgozás elősegítheti a következőket:

• Nagyobb nyomó-, hajlító- és húzószilárdság a nanotöltőanyagok jobb eloszlása révén.
• Jobb repedésállóság és szívósság a hatékonyabb mikroerősítésnek köszönhetően.
• Csökkent áteresztőképesség és jobb tartósság a pórusszerkezet finomításával.
• Egyenletesebb anyagminőség a gyártási tételek között.
• A költséges grafén, CNT-k és más nanoadalékok jobb hasznosítása.
• Gyorsabb receptúraszűrés és folyamatoptimalizálás.
• Nagyobb léptékre átvihető gyártás a laboratóriumi fejlesztéstől a folyamatos ipari feldolgozásig.
• Az olyan folyamatparaméterek jobb szabályozása, mint az amplitúdó, az energiabevitel, a térfogatáram, a hőmérséklet és a tartózkodási idő.

A Hielscher ultrahangos készülékeit úgy tervezték, hogy mérhető és reprodukálható energiaátadást biztosítsanak folyadékokba, szuszpenziókba és zagyokba. Az ultrahangos kezelés ugyanazon alapmechanizmusa különböző teljesítményosztályokban is alkalmazható, így az ügyfelek kis léptékben dolgozhatják ki a folyamatparamétereket, majd átvihetik őket nagyobb asztali, kísérleti üzemi vagy ipari rendszerekre.

(a) CNT-kkel és (b) GNP-kkel erősített, nanomódosított cementpép infravörös hőképei. A CNT-t és a grafént UP400S ultrahangos készülékkel diszpergálták.
Tanulmány és grafikonok: ©Farmaki et al., 2025

Ultrahangos kezelés a cement hozzáadása előtt: az előnyben részesített eljárás

Számos nanoerősítésű cementreceptúránál a leghatékonyabb megközelítés a nanoanyag előzetes diszpergálása a folyadékfázisban. Ez lehet víz, szuperfolyósítószer-oldat, felületaktív anyagot tartalmazó diszpergálószer, polimer adalékszer, szilikaszol vagy a habarcsreceptúra más folyékony összetevője.
Egy tipikus ultrahangos eljárás lépései:

1. Adjon grafént, CNT-ket vagy más nanoanyagokat a folyadékfázishoz.
2. Mérsékelt keverés mellett előzetesen nedvesítse a port vagy a nanotöltőanyagot.
3. Alkalmazzon nagy intenzitású ultrahangos kezelést az anyag deagglomerálására és diszpergálására.
4. Szükség esetén szabályozza a hőmérsékletet.
5. Adja az ultrahanggal kezelt nanodiszperziót a cementhez, a homokhoz és a habarcs egyéb összetevőihez.
6. Keverje a végleges cementpép- vagy habarcsállag eléréséig.

Ez az eljárás jobb szabályozást tesz lehetővé, mint a nanorészecskék száraz bekeverése a cementporba. Emellett növeli annak valószínűségét, hogy a nanoanyagok már szétválasztva, nedvesítve és egyenletesen eloszlatva legyenek a hidratáció és a kötés megkezdése előtt.

Gazdasági előnyök a nagy teljesítőképességű cement gyártásában

A nanoadalékok költségesek lehetnek, és felhasználásukat mérhető teljesítményjavulásnak kell indokolnia. A rossz diszpergálás anyagpazarlást okoz. Az agglomerálódott grafén vagy CNT-k növelik a receptúra költségét anélkül, hogy biztosítanák az elvárt erősítést. Ezzel szemben az ultrahangos diszpergálás javítja a nanoanyagok hatékony hasznosítását.
A gazdasági előnyök közé tartoznak:

• Kevesebb adalékpazarlás: A nanoanyag nagyobb része járul hozzá a teljesítőképességhez ahelyett, hogy agglomerátumokba zárva maradna.
• Kisebb receptúrakockázat: Az egyenletes diszpergálás csökkenti a hibás gyártási tételek számát és a vizsgálati eredmények ingadozását.
• Gyorsabb kutatás-fejlesztési ciklusok: A receptúrák szabályozott ultrahangos kezelési paraméterek mellett szűrhetők.
• Jobb léptéknövelés: A folyamatparaméterek átvihetők a megvalósíthatósági vizsgálatokról az ipari berendezésekre.
• Nagyobb értékű termékek: Az erősebb, tartósabb és funkcionális habarcsok prémium alkalmazásokat támogatnak.
• A folyamatos gyártás lehetősége: A gyártósorba integrált ultrahangos kezelés nagy átbocsátóképességű feldolgozást tesz lehetővé a kereskedelmi célú gyártásban.

A gyártók számára a fő érték nem csupán a jobb diszpergálási minőség. Hanem az a képesség is, hogy a nanoerősítésű cementet laboratóriumi koncepcióból szabályozott, nagyobb léptékre átvihető gyártási folyamattá alakítsák.

A laboratóriumi receptúrakialakítástól az ipari cementgyártásig

A Hielscher ultrahangos technológiájának egyik jelentős előnye a gyakorlatban megvalósítható léptéknövelés. A nanoerősítésű cementreceptúrák asztali léptékben fejleszthetők, majd nagyobb rendszerekre vihetők át az alapvető feldolgozási elv megváltoztatása nélkül. Ahelyett, hogy a gyártáshoz újra ki kellene dolgozniuk a diszpergálási folyamatot, a gyártók az ultrahangos teljesítményt, az átfolyó cella geometriáját, a tartózkodási időt és a reaktor konfigurációját igazíthatják a nagyobb léptékhez.
Ez csökkenti a műszaki kockázatot. Emellett lerövidíti a sikeres habarcsmintáktól a kereskedelmi forgalomba kerülő, nagy teljesítőképességű cementtermékekig vezető utat.

A léptéknövelés tipikus munkafolyamata:

1. Határozza meg a habarcs célzott teljesítőképességét és a nanoanyagrendszert.
2. Végezze el a grafén-, CNT-, nanoszilika- vagy hibrid adalékok szűrővizsgálatát.
3. Határozza meg a szükséges ultrahangos kezelési intenzitást és energiabevitelt.
4. Optimalizálja a diszpergálóközegeket, az adalékszereket és a hőmérséklet-szabályozást.
5. Állítson elő próbatételeket UIP1000hdT vagy UIP2000hdT rendszerekkel.
6. Validálja a habarcs olyan tulajdonságait, mint a szilárdság, a bedolgozhatóság és a tartósság.
7. Vigye át a folyamatot UIP6000hdT vagy UIP16000hdT egységcsoportokra a gyártáshoz.
8. Integrálja az ultrahangos kezelést a folyamatos gyártósorba.

A nagy teljesítőképességű cementhez kiváló minőségű diszpergálás szükséges

A cementtechnológia jövője nem csupán az új kötőanyagok kémiáján alapul. A mikroszerkezet, a funkcionális adalékok és a feldolgozás jobb szabályozásától is függ. Az olyan nanoanyagok, mint a grafén és a CNT-k, segíthetnek erősebb, szívósabb, intelligensebb és tartósabb cementkötésű anyagok előállításában. Ehhez azonban megbízható diszpergálás szükséges.
A Hielscher ultrahangos készülékei nagyobb léptékre átvihető eszközt biztosítanak a cementgyártóknak, az építőipari vegyszerek gyártóinak és a kutatóintézeteknek a nanoadalékok feldolgozásához. A korai receptúrakialakítástól a nagy átbocsátóképességű, gyártósorba integrált termelésig az ultrahangos kezelés javítja a nanoanyagok diszpergálását, exfoliációját, deagglomerálását és funkcionális strukturálását cementpépekben és habarcsokban.
A nagy teljesítőképességű cement gyártásában az ultrahangos feldolgozás egyértelmű előnyt kínál: jobb anyagteljesítményt, a drága nanoadalékok hatékonyabb felhasználását és közvetlen utat a laboratóriumi sikertől az ipari gyártásig.

Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:

Hielscher ultrahangos készülékek kutatáshoz, megvalósíthatósági vizsgálatokhoz és gyártáshoz

A Hielscher laboratóriumi, asztali, kísérleti üzemi és ipari teljesítményosztályokban kínál ultrahangos feldolgozóberendezéseket. Ez alapvető fontosságú a cement- és habarcsfejlesztők számára, mert a nanoerősítésű receptúráknak gyakran több szakaszon kell áthaladniuk: kezdeti anyagszűrés, diszpergálási paraméterek kidolgozása, habarcsvizsgálatok, kísérleti üzemi tételek és ipari gyártás.
A Hielscher portfóliója a nagyobb léptékre átvihető ultrahangos feldolgozásra épül, és rendszereket kínál laboratóriumi fejlesztéshez, kísérleti üzemi és asztali vizsgálatokhoz, nagy igénybevételű ipari üzemeltetéshez, valamint átfolyó cellákkal és reaktorokkal végzett, folyamatos, gyártósorba integrált termeléshez.

UIP1000hdT és UIP2000hdT asztali kutatáshoz és megvalósíthatósági vizsgálatokhoz

A UIP1000hdT és a UIP2000hdT nagy teljesítményű asztali ultrahangos feldolgozóberendezések receptúrafejlesztéshez, megvalósíthatósági tanulmányokhoz és közepes léptékű feldolgozáshoz. Jól alkalmazhatók nanoerősítésű cementreceptúrák fejlesztésére, ahol a kutatóknak vizsgálniuk kell a nanoanyag típusát, koncentrációját, a diszpergálószer kémiáját, az ultrahangos kezelés intenzitását, a feldolgozási időt és a hőmérséklet-szabályozást.

Ezek a rendszerek ideálisak a következőkhöz:

• Grafén és CNT-k diszpergálása vízben vagy adalékszer-oldatokban.
• Nanoerősítésű cementpépek megvalósíthatósági vizsgálata.
• Az ultrahangos kezelés energiabevitelének optimalizálása.
• Reprodukálható próbatételek előállítása.
• Nagy teljesítőképességű habarcsreceptúrák fejlesztése.
• Kis léptékű folyamatos feldolgozás átfolyó cellás összeállításokkal.
• A léptéknövelés validálása az ipari gyártás előtt.

A kutatás-fejlesztési csapatok számára a UIP1000hdT és a UIP2000hdT biztosítja a nehezen feldolgozható nanoanyagokhoz szükséges folyamatintenzitást, miközben az összeállítás laboratóriumi, műszaki központi és kísérleti üzemi környezetben is praktikusan használható marad.

Grafén ultrahangos exfoliációja

UIP6000hdT és UIP16000hdT egységcsoportok nagy átbocsátóképességű gyártáshoz

Nanoerősítésű cementadalékok, nanodiszperziók vagy nagy teljesítőképességű habarcsösszetevők kereskedelmi léptékű gyártásához a Hielscher ipari ultrahangos készülékei, például a UIP6000hdT és a UIP16000hdT, egységcsoportokba konfigurálhatók a nagy átbocsátóképességű folyamatos feldolgozáshoz.
A UIP6000hdT vagy UIP16000hdT készülékekből álló egységcsoportok lehetővé teszik a gyártók számára a feldolgozási kapacitás növelését a szabályozott ultrahangos energiabevitel fenntartása mellett. Ez a moduláris megközelítés különösen hasznos, amikor a termelési volumen a kísérleti üzemi léptékről a teljes léptékű gyártásra növekszik.

Az ipari konfigurációk támogatják a következőket:

• Grafén, CNT-k és nanoadalékok folyamatos, gyártósorba integrált diszpergálása.
• Nanoanyagok törzsdiszperzióinak nagy átbocsátóképességű feldolgozása.
• Integrálás cementadalékszer- vagy szárazhabarcs-gyártó sorokba.
• Ultrahangos reaktorok párhuzamos üzemeltetése a kapacitás növelésére.
• Robusztus, 24/7 működésű gyártási környezetek.
• Folyamatszabályozás és -felügyelet az egyenletes termékminőség érdekében.

A Hielscher ipari rendszereit nagy igénybevételű folyamatos üzemre szánják, és a nagy teljesítményű készülékek berendezésenként akár 16 kW teljesítménnyel is elérhetők.

Szakirodalom / Hivatkozások

• 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.