Ultrahangos diszperzióval előállított, nanorészecskékkel megerősített cementhabarcsok

Az ultrahangos kezelés javítja a grafén, a szén-nano-csövek (CNT-k) és a nanomateriálok diszpergálását, hámlasztását és agglomerációjának felbontását a cementpasztákban és habarcsokban. A Hielscher ultrahangos készülékei lehetővé teszik a nagy teljesítményű cementkeverékek előállítását R&D az ipari termeléshez.

Nanoanyagokkal megerősített cementhabarcsok – Jobb diszpergálás és deagglomerálás ultrahangos kezeléssel

A nanomateriálokkal megerősített cementhabarcsok és cementpaszták hatékony utat jelentenek a nagy teljesítményű építőanyagok felé. Olyan nanomateriálok beépítésével, mint a grafén, a grafén-oxid, a szén-nanocsövek (CNT-k), a nanoszilícium-dioxid, a nano-agykagylók vagy más funkcionális töltőanyagok, a cementalapú anyagok úgy alakíthatók ki, hogy javuljon mechanikai szilárdságuk, repedésállóságuk, tartósságuk, elektromos vezetőképességük, csökkenjen áteresztőképességük, és javuljon hosszú távú teljesítményük.
A probléma: A nanomateriálisok teljes potenciálja a cementrendszerekben csak akkor valósul meg, ha a részecskék egyenletesen eloszlanak. A grafénrétegek, a szén-nanocsövek (CNT) kötegei és más nano-adalékanyagok az erős van der Waals-erők, a magas felületi energia és az egymásba gabalyodás miatt hajlamosak agglomerátumokat képezni. A hagyományos keverés, a rotor-stator keverés vagy az egyszerű porkeverés gyakran nem képes ezeket az agglomerátumokat kellő mértékben felbontani. Ennek eredménye a rossz eloszlás, a habarcs mátrixában kialakuló gyenge pontok, a drága nanomateriálok nem hatékony felhasználása és az anyag tulajdonságainak egyenetlensége.
A megoldás: A Hielscher szondás ultrahangos készülékei hatékony, méretezhető és ipari körülmények között bevált megoldást nyújtanak a nanomateriálisok diszpergálásához, exfoliálásához, deagglomerálásához és funkcionális összefonódásához cementpasztákban, habarcskeverékekben és prekurzor-szuszpenziókban. A Hielscher folyadékfeldolgozásra szolgáló ultrahangos berendezéseket fejleszt és gyárt a laboratóriumi megvalósíthatósági vizsgálatoktól az ipari folyamatos gyártásig, olyan termékportfólióval, amely a kompakt laboratóriumi rendszerektől a nagy teljesítményű ipari berendezésekig terjedő méretnövelésre lett kialakítva.

Miért fontos a nanomateriális diszperzió a cementhabarcsokban?

A nanomateriálok jelentősen javíthatják a cementalapú kompozitok tulajdonságait, mivel nagyon kis hosszúsági skálán lépnek kölcsönhatásba a cementmátrixszal. A megfelelően eloszlatott grafén, szén-nanocsövek (CNT-k) és egyéb nanotöltőanyagok kristálykezdeményező helyekként működhetnek, áthidalhatják a mikrorepedéseket, finomíthatják a pórusszerkezetet, és javíthatják a terhelésátvitelt a megkeményedett mátrixon belül.
A gyakorlatban a teljesítmény kevésbé függ a hozzáadott nanomateriál névleges mennyiségétől, mint inkább a diszperzió minőségétől. Egy kis mennyiségű, jól diszpergált grafén vagy szén-nanocső (CNT) jobb teljesítményt nyújthat, mint egy nagyobb mennyiségű, rosszul diszpergált anyag. Az agglomerátumok inkább hibaként viselkednek, mint erősítőként. Csökkentik a megmunkálhatóságot, feszültségkoncentrációkat hoznak létre, és korlátozzák az adalékanyag hatékony felületét.
Az ultrahangos diszpergálás megoldást kínál erre a kulcsfontosságú készítési kihívásra. A nagy intenzitású ultrahang az akusztikus kavitáció révén erős, lokalizált nyíróerőket, mikrokeverést, lökéshullámokat és folyadék-mikrosugarakat hoz létre. Ezek a hatások szétválasztják az összetapadt nanomateriális részecskéket, nedvesítik a részecskék felületét, és egyenletesen elosztják őket a folyadékfázisban, mielőtt azokat a cementporba, a pasztába vagy a habarcsba keverik.

A grafén, a szén-nano-csövek és a nano-adalékanyagok ultrahangos deagglomerálása

A grafén-nanolemezek, a grafén-oxid, a redukált grafén-oxid és a szén-nanocsövek különösen vonzóak a fejlett cementalapú anyagok számára. Hozzájárulhatnak a szakítószilárdsághoz, a hajlítószilárdsághoz, a törésállósághoz, az elektromos vezetőképességhez, a hőviselkedéshez és a tartóssághoz. Ugyanakkor ezek a legnehezebben diszpergálható adalékanyagok közé tartoznak.
Az ultrahangos kavitáció segít leküzdeni a nanoszintű struktúrák közötti vonzóerőket. Az ultrahanggal kezelt folyadékban az összeomló kavitációs buborékok intenzív helyi energiabevitelt generálnak. Ez szétbonthatja a részecskecsoportokat, szétválaszthatja a szén-nanocsövek kötegeit, réteges anyagokat rétegekre bonthat, és javíthatja a nanotöltőanyagok eloszlását.

A nanoanyagokkal megerősített habarcs gyártásának legfontosabb ultrahangos hatásai a következők:

• Deagglomeráció: A grafén, a szén-nanocsövek, a nanoszilícium-dioxid vagy a hibrid adalékanyagok halmazainak kisebb, egyenletesebb részecskeeloszlású részecskékre bontása.
• Diszperzió: Nanomateriálok egyenletes elosztása vízben, lágyítóoldatokban, adalékanyag-keverékekben vagy cementalapú szuszpenziókban.
• Hámlasztás: Réteges anyagok – például grafit, grafén-nanolemezek vagy agyagok – szétválasztása vékonyabb rétegekre, amelyek nagyobb aktív felülettel rendelkeznek.
• Nedvesítés és aktiválás: A folyadék és a nanomateriális felületek közötti érintkezés javítása a cementhidrátokkal és adalékanyagokkal való jobb kölcsönhatás érdekében.
• Összefonódás és hálózatépítés: Elősegíti az elosztott szénnanocsövekből (CNT) vagy grafénből álló hálózatok kialakulását, amelyek javíthatják a repedések áthidalását, a vezetőképességet és a szerkezeti funkcionalitást.
• Reprodukálhatóság: Ellenőrzött folyamatfeltételek megteremtése az egyenletes összetételű készítmények előállítása érdekében, a laboratóriumi kísérletektől a gyártási méretig.

Az ultrahangos diszpergálás előnyei a cementpasztákban és habarcsokban

Az ultrahangkezelés gazdasági és műszaki értéke különösen jelentős a nagy teljesítményű cementgyártásban. A nanomateriálok gyakran drágák, és előnyeik attól függenek, hogy hatékonyan használják-e őket. Amikor az ultrahangkezelés javítja a diszperzió minőségét, a receptúra-készítők gyakran csökkenthetik a túladagolást, növelhetik a reprodukálhatóságot, és adalékanyag-kilogrammonként jobb teljesítményt érhetnek el.

A fejlett habarcsok, javítóanyagok, előregyártott elemek, 3D-nyomtatható cementalapú anyagok vagy speciális építőipari vegyszerek gyártói számára az ultrahangos feldolgozás a következőket segítheti elő:

• A nano-töltőanyagok jobb eloszlásának köszönhetően jobb nyomó-, hajlító- és szakítószilárdság.
• A hatékonyabb mikromegerősítésnek köszönhetően jobb repedésállóság és szilárdság.
• A pórusszerkezet finomításával csökkentett áteresztőképesség és javított tartósság.
• Az egyes tételek közötti anyagminőség nagyobb mértékű egyenletessége.
• A költséges grafén, szén-nanocsövek és egyéb nano-adalékanyagok hatékonyabb kihasználása.
• A készítmények gyorsabb szűrése és a gyártási folyamatok optimalizálása.
• Skálázható gyártás a laboratóriumi fejlesztéstől a folyamatos ipari feldolgozásig.
• A folyamatparaméterek – például az amplitúdó, az energia-beviteli teljesítmény, az áramlási sebesség, a hőmérséklet és a tartózkodási idő – jobb szabályozása.

A Hielscher ultrahangos készülékeit úgy tervezték, hogy mérhető és reprodukálható energiaátadást biztosítsanak folyadékokba, szuszpenziókba és iszapokba. Ugyanaz az alapvető ultrahangos kezelési mechanizmus alkalmazható a különböző teljesítményosztályokban, így az ügyfelek kis léptékben kidolgozhatják a folyamatparamétereket, majd azokat átvihetik nagyobb asztali, kísérleti vagy ipari rendszerekbe.

(a) CNT-kkel és (b) GNP-kkel megerősített, nanomódosított cementpaszta infravörös termográfiái. A CNT-ket és a grafént UP400S ultrahangos diszpergálóval diszpergáltuk.
Tanulmány és grafikonok: ©Farmaki és társai, 2025

Ultrahangkezelés a cement hozzáadása előtt: az előnyben részesített eljárás

Számos nanoanyaggal megerősített cementkeverék esetében a leghatékonyabb módszer az, ha a nanoanyagot először a folyadékfázisban diszpergálják. Ez lehet víz, szuperplasztifikátor-oldat, felületaktív anyagot tartalmazó diszpergálószer, polimer adalék, szilícium-dioxid-szol vagy a habarcskeverék bármely más folyékony összetevője.
Egy tipikus ultrahangos feldolgozási folyamat a következő:

1. Adjunk hozzá grafént, szén-nano-csöveket vagy más nanomateriálokat a folyadékfázishoz.
2. A port vagy a nanotöltőanyagot mérsékelt keverés mellett előzetesen nedvesítsük meg.
3. Alkalmazzon nagy intenzitású ultrahangkezelést az anyag agglomerátumainak felbontására és diszpergálására.
4. Szükség esetén szabályozza a hőmérsékletet.
5. Adjuk hozzá az ultrahanggal kezelt nanodiszperziót a cementhez, a homokhoz és a habarcs egyéb alkotóelemeihez.
6. Keverjük addig, amíg a keverék végleges paszta- vagy habarcs-állagú nem lesz.

Ez a módszer jobb ellenőrzést tesz lehetővé, mint a nanorészecskék cementporba történő száraz keverése. Emellett növeli annak valószínűségét, hogy a nanorészecskék már a hidratáció és a kötés megkezdése előtt elkülönüljenek, nedvesedjenek meg és egyenletesen eloszlanak.

A nagy teljesítményű cementgyártás gazdasági előnyei

A nano-adalékanyagok költségesek lehetnek, ezért alkalmazásukat mérhető teljesítménynövekedéssel kell alátámasztani. A rossz diszperzió anyagpazarláshoz vezet. Az összetapadt grafén vagy szén-nanocsövek megnövelik a készítmény költségét anélkül, hogy a várt erősítő hatást biztosítanák. Ezzel szemben az ultrahangos diszperzió javítja a nanomateriálisok hatékony kihasználtságát.
A gazdasági előnyök a következők:

• Az adalékanyagokból származó hulladék csökkentése: A nanomateriál nagyobb része járul hozzá a teljesítményhez, ahelyett, hogy agglomerátumokban maradna bezárva.
• A készítmény kockázatának csökkentése: Az egyenletes eloszlás csökkenti a hibás tételek számát és az instabil vizsgálati eredményeket.
• Gyorsabb R&D ciklusok: A készítmények szűrése szabályozott ultrahangkezelési paraméterek mellett végezhető el.
• Továbbfejlesztett méretnövelés: A folyamatparaméterek átvihetők a megvalósíthatósági vizsgálatokból az ipari berendezésekbe.
• Magasabb értékű termékek: Az erősebb, tartósabb és funkcionálisabb habarcsok kiváló minőségű alkalmazásokhoz alkalmasak.
• Folyamatos termelési kapacitás: A folyamatos ultrahangkezelés nagy áteresztőképességű feldolgozást tesz lehetővé az ipari gyártásban.

A gyártók számára a legfontosabb előny nem csupán a jobb diszperziós minőség. Hanem az a képesség, hogy a nanorészecskékkel megerősített cementet a laboratóriumi koncepcióból egy ellenőrzött, méretezhető gyártási folyamattá alakítsák át.

A laboratóriumi receptúrától az ipari cementgyártásig

A Hielscher ultrahangos technológia egyik fő előnye a gyakorlati méretnövelési lehetőség. A nanorészecskékkel megerősített cementkeverékek laboratóriumi méretben fejleszthetők ki, majd az alapvető feldolgozási elv megváltoztatása nélkül átvihetők nagyobb rendszerekbe. A gyártóknak nem kell a diszpergálási folyamatot a gyártáshoz újra kitalálniuk, hanem egyszerűen méretezhetik az ultrahangteljesítményt, az áramlási cella geometriáját, a tartózkodási időt és a reaktor konfigurációját.
Ez csökkenti a műszaki kockázatot. Emellett lerövidíti az utat a sikeres habarcsmintáktól a kereskedelmi forgalomba kerülő, nagy teljesítményű cementtermékekig.

Egy tipikus skálázási munkafolyamat a következőket tartalmazza:

1. Határozza meg a habarcs kívánt teljesítményét és a nanomateriális rendszert.
2. Szitán átszitált grafén, szénnanocsövek, nanoszilícium-dioxid vagy hibrid adalékanyagok.
3. Határozza meg a szükséges ultrahangos kezelés intenzitását és az energia-bevitelt.
4. Optimalizálja a diszperziós közegeket, az adalékanyagokat és a hőmérséklet-szabályozást.
5. Készítsen próbaadagokat az UIP1000hdT vagy az UIP2000hdT rendszerekkel.
6. Ellenőrizze a habarcs tulajdonságait, például szilárdságát, megmunkálhatóságát és tartósságát.
7. A folyamatot helyezzék át az UIP6000hdT vagy az UIP16000hdT klaszterekre termelési célra.
8. A beépített ultrahangos kezelés integrálása a folyamatos gyártási folyamatba.

A nagy teljesítményű cementhez kiváló minőségű diszperzió szükséges

A cementtechnológia jövője nem csupán az új kötőanyag-kémia fejlődésén múlik. A mikroszerkezet jobb szabályozásától, a funkcionális adalékanyagoktól és a feldolgozási eljárásoktól is függ. Az olyan nanomateriálok, mint a grafén és a szén-nanocsövek (CNT-k), hozzájárulhatnak az erősebb, szívósabb, „intelligensebb” és tartósabb cementalapú anyagok előállításához. Ehhez azonban megbízható diszperzióra van szükség.
A Hielscher ultrahangos készülékei a cementgyártók, az építőipari vegyipari gyártók és a kutatóintézetek számára méretezhető eszközt nyújtanak a nano-adalékanyagok feldolgozásához. A korai fejlesztési fázistól a nagy teljesítményű, folyamatba integrált gyártásig az ultrahangos kezelés javítja a nanomateriálisok diszperzióját, rétegeződését, agglomerációjának felbomlását és funkcionális szerkezetkialakítását a cementpasztákban és habarcsokban.
A nagy teljesítményű cementgyártás terén az ultrahangos feldolgozás egyértelmű előnyt jelent: jobb anyagjellemzők, a drága nano-adalékanyagok hatékonyabb kihasználása, valamint közvetlen átmenet a laboratóriumi sikerekből az ipari gyártásba.

Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását:

Hielscher ultrahangos készülékek kutatáshoz, megvalósíthatósági vizsgálatokhoz és gyártáshoz

A Hielscher laboratóriumi, asztali, kísérleti és ipari teljesítményosztályú ultrahangos feldolgozókat kínál. Ez elengedhetetlen a cement- és habarcsfejlesztők számára, mivel a nanomateriálokkal megerősített készítményeknek gyakran több szakaszon kell átesniük: a kezdeti anyagszűrésen, a diszperziós paraméterek kidolgozásán, a habarcsvizsgálatokon, a kísérleti tételeken és az ipari gyártáson.
A Hielscher termékpalettája a méretezhető ultrahangos feldolgozásra épül, és olyan rendszereket tartalmaz, amelyek laboratóriumi fejlesztéshez, kísérleti és asztali teszteléshez, nagy teljesítményű ipari üzemeltetéshez, valamint áramlási cellák és reaktorok felhasználásával történő folyamatos, gyártósorba integrált termeléshez alkalmasak.

UIP1000hdT és UIP2000hdT asztali kutatásokhoz és megvalósíthatósági vizsgálatokhoz

Az UIP1000hdT és az UIP2000hdT nagy teljesítményű asztali ultrahangos feldolgozóberendezések, amelyek alkalmasak készítményfejlesztésre, megvalósíthatósági tanulmányok elvégzésére és közepes méretű feldolgozásra. Kiválóan alkalmasak nanoanyagokkal megerősített cementkeverékek fejlesztésére, ahol a kutatóknak tesztelniük kell a nanoanyag típusát, koncentrációját, a diszpergálószer kémiai összetételét, az ultrahangos kezelés intenzitását, a feldolgozási időt és a hőmérséklet-szabályozást.

Ezek a rendszerek ideálisak a következőkre:

• A grafén és a szén-nanocsövek diszperziója vízben vagy keverékoldatokban.
• Nanoanyagokkal megerősített cementpaszták megvalósíthatósági vizsgálata.
• Az ultrahangos energia-bevitel optimalizálása.
• Reprodukálható tesztadagok előállítása.
• Nagy teljesítményű habarcsreceptek kidolgozása.
• Kis léptékű, folyamatos feldolgozás áramlási cellás rendszerekkel.
• A méretnövelés validálása az ipari gyártás megkezdése előtt.

R számára&A D sorozatú UIP1000hdT és UIP2000hdT készülékek biztosítják a igényes nanomateriálok feldolgozásához szükséges feldolgozási intenzitást, miközben a berendezés laboratóriumi, műszaki központokban és kísérleti környezetben is praktikus marad.

Ultrahangos grafén hámlasztás

UIP6000hdT és UIP16000hdT klaszterek nagy teljesítményű gyártáshoz

A nanoerősítésű cement-adalékanyagok, nanodiszperziók vagy nagy teljesítményű habarcs-összetevők ipari méretű gyártásához a Hielscher ipari ultrahangos készülékei – például az UIP6000hdT és az UIP16000hdT – klaszterekbe szervezhetők a nagy áteresztőképességű, folyamatos feldolgozás érdekében.
Az UIP6000hdT vagy UIP16000hdT egységekből álló klaszterek lehetővé teszik a gyártók számára, hogy növeljék a feldolgozási kapacitást, miközben az ultrahangos energia-bevitelt szabályozott szinten tartják. Ez a moduláris megközelítés különösen hasznos, amikor a termelési mennyiségek a kísérleti méretről a teljes körű gyártásra nőnek.

Ipari konfigurációk támogatása:

• A grafén, a szén-nano-csövek és a nano-adalékanyagok folyamatos, folyamatba integrált diszpergálása.
• Nanomateriális alapdiszperziók nagy áteresztőképességű feldolgozása.
• Beépítés cement-adalékanyagok vagy szárazkeverék habarcsok gyártósorába.
• Párhuzamos ultrahangos reaktorok üzemeltetése a kapacitás növelése érdekében.
• Megbízható, éjjel-nappal működő termelési környezetek.
• Folyamatirányítás és -felügyelet az állandó termékminőség biztosítása érdekében.

A Hielscher ipari rendszerei igényes folyamatos üzemeltetésre lettek kialakítva, és készülékenként akár 16 kW teljesítményű egységek is rendelkezésre állnak.

Irodalom / Hivatkozások