Malte cementizie nanorinforzate mediante dispersione a ultrasuoni

La sonicazione a ultrasuoni migliora la dispersione, l’esfoliazione e la deagglomerazione di grafene, CNT e nanomateriali nelle paste cementizie e nelle malte. I sonicatori Hielscher consentono di formulare cementi ad alte prestazioni, dalla ricerca e sviluppo alla produzione industriale.

Malte cementizie nanorinforzate – Migliore dispersione e deagglomerazione mediante sonicazione

Le malte cementizie e le paste cementizie nanorinforzate offrono un percorso efficace verso materiali da costruzione ad alte prestazioni. Incorporando nanomateriali quali grafene, ossido di grafene, nanotubi di carbonio (CNT), nanosilice, nanoargille o altri riempitivi funzionali, è possibile progettare materiali cementizi con maggiore resistenza meccanica, resistenza alla fessurazione, durabilità e conducibilità elettrica, minore permeabilità e migliori prestazioni a lungo termine.
Il problema: Il pieno potenziale dei nanomateriali nei sistemi cementizi si raggiunge solo quando le particelle sono disperse uniformemente. I fogli di grafene, i fasci di CNT e altri nanoadditivi tendono a formare agglomerati a causa delle intense forze di van der Waals, dell’elevata energia superficiale e dell’intreccio. L’agitazione convenzionale, la miscelazione con rotore-statore o la semplice miscelazione delle polveri spesso non riescono a disgregare sufficientemente questi agglomerati. Ne risultano una distribuzione scadente, punti deboli nella matrice della malta, un utilizzo inefficiente di nanomateriali costosi e proprietà del materiale non uniformi.
La soluzione: I sonicatori a sonda Hielscher offrono una soluzione efficiente, scalabile e comprovata in ambito industriale per la dispersione, l’esfoliazione, la deagglomerazione e l’intreccio funzionale dei nanomateriali nelle paste cementizie, nelle formulazioni di malta e nelle sospensioni precursori del processo. Hielscher sviluppa e produce processori a ultrasuoni per il trattamento dei liquidi, dagli studi di fattibilità in laboratorio alla produzione industriale continua, con una gamma progettata per il passaggio di scala da sistemi compatti da laboratorio ad apparecchiature industriali ad alta potenza.

Perché la dispersione dei nanomateriali è importante nelle malte cementizie

I nanomateriali possono migliorare significativamente i compositi cementizi perché interagiscono con la matrice cementizia su una scala dimensionale molto piccola. Grafene, CNT e altri nanoriempitivi correttamente dispersi possono fungere da siti di nucleazione, creare ponti attraverso le microfessure, affinare le strutture porose e migliorare il trasferimento dei carichi all’interno della matrice indurita.
Nella pratica, le prestazioni dipendono meno dalla quantità nominale di nanomateriale aggiunto e più dalla qualità della dispersione. Una piccola quantità di grafene o CNT ben dispersi può offrire prestazioni superiori a una quantità maggiore di materiale scarsamente disperso. Gli agglomerati si comportano come difetti anziché come rinforzi. Riducono la lavorabilità, creano concentrazioni di tensione e limitano la superficie effettiva dell’additivo.
La dispersione a ultrasuoni affronta questa sfida fondamentale della formulazione. Gli ultrasuoni ad alta intensità generano intense forze di taglio localizzate, micromiscelazione, onde d’urto e microgetti liquidi attraverso la cavitazione acustica. Questi effetti separano i nanomateriali raggruppati in fasci, bagnano le superfici delle particelle e li distribuiscono uniformemente in tutta la fase liquida prima che vengano incorporati nella polvere di cemento, nella pasta o nella malta.

Deagglomerazione a ultrasuoni di grafene, CNT e nanoadditivi

Le nanopiastrine di grafene, l’ossido di grafene, l’ossido di grafene ridotto e i nanotubi di carbonio sono particolarmente interessanti per i materiali cementizi avanzati. Possono contribuire alla resistenza a trazione, alla resistenza a flessione, alla tenacità alla frattura, alla conducibilità elettrica, al comportamento termico e alla durabilità. Allo stesso tempo, sono tra gli additivi più difficili da disperdere.
La cavitazione ultrasonica aiuta a superare le forze attrattive tra le strutture su scala nanometrica. In un liquido sottoposto a sonicazione, le bolle di cavitazione che collassano generano un intenso apporto locale di energia. Questo può disgregare gli aggregati di particelle, separare i fasci di CNT, esfoliare i materiali stratificati e migliorare la distribuzione dei nanoriempitivi.

I principali effetti degli ultrasuoni nella produzione di malte nanorinforzate comprendono:

• Deagglomerazione: Disgregazione degli aggregati di grafene, CNT, nanosilice o additivi ibridi per ottenere distribuzioni di particelle più piccole e più uniformi.
• Dispersione: Distribuzione omogenea dei nanomateriali in acqua, soluzioni di plastificanti, miscele di additivi o sospensioni cementizie.
• Esfoliazione: Separazione di materiali stratificati quali grafite, nanopiastrine di grafene o argille in fogli più sottili con maggiore superficie attiva.
• Bagnatura e attivazione: Miglioramento del contatto del liquido con le superfici dei nanomateriali per una migliore interazione con i prodotti di idratazione del cemento e gli additivi.
• Intreccio e formazione di reti: Promozione della formazione di reti distribuite di CNT o grafene che possono migliorare la formazione di ponti attraverso le fessure, la conducibilità e la funzionalità strutturale.
• Riproducibilità: Creazione di condizioni di processo controllate per ottenere formulazioni uniformi dalle prove di laboratorio alla scala produttiva.

Vantaggi della dispersione a ultrasuoni nelle paste cementizie e nelle malte

Il valore economico e tecnico della sonicazione è particolarmente rilevante nella produzione di cementi ad alte prestazioni. I nanomateriali sono spesso costosi e il loro beneficio dipende da un utilizzo efficiente. Quando la sonicazione migliora la qualità della dispersione, i responsabili della formulazione possono spesso ridurre il sovradosaggio, aumentare la riproducibilità e ottenere prestazioni migliori per chilogrammo di additivo.

Per i produttori di malte avanzate, materiali per riparazioni, componenti prefabbricati, materiali cementizi stampabili in 3D o prodotti chimici speciali per l’edilizia, il trattamento a ultrasuoni può favorire:

• Prestazioni superiori a compressione, flessione e trazione grazie a una migliore distribuzione dei nanoriempitivi.
• Maggiore resistenza alla fessurazione e tenacità grazie a un microrinforzo più efficace.
• Minore permeabilità e maggiore durabilità mediante l’affinamento della struttura porosa.
• Qualità del materiale più uniforme da un lotto all’altro.
• Migliore utilizzo di grafene, CNT e altri nanoadditivi costosi.
• Valutazione preliminare delle formulazioni e ottimizzazione del processo più rapide.
• Produzione scalabile dallo sviluppo in laboratorio al trattamento industriale continuo.
• Migliore controllo dei parametri di processo quali ampiezza, apporto energetico, portata, temperatura e tempo di permanenza.

I sonicatori Hielscher sono progettati per trasferire energia in modo misurabile e riproducibile a liquidi, sospensioni e miscele liquide contenenti solidi. Lo stesso meccanismo fondamentale di sonicazione può essere utilizzato nelle diverse classi di potenza, consentendo ai clienti di sviluppare i parametri di processo su piccola scala e poi trasferirli a sistemi da banco, pilota o industriali più grandi.

Termogrammi a infrarossi di pasta cementizia nanomodificata rinforzata con (a) CNT e (b) GNP. I CNT e il grafene sono stati dispersi con il sonicatore UP400S.
Studio e grafici: ©Farmaki et al., 2025

Sonicazione prima dell’aggiunta del cemento: il percorso di processo preferito

Per molte formulazioni cementizie nanorinforzate, l’approccio più efficace consiste nel disperdere prima il nanomateriale nella fase liquida. Questa può essere acqua, una soluzione di superplastificante, un disperdente contenente tensioattivi, un additivo polimerico, un sol di silice o un altro componente liquido della formulazione della malta.
Un tipico percorso di processo a ultrasuoni prevede:

1. Aggiungere grafene, CNT o altri nanomateriali alla fase liquida.
2. Prebagnare la polvere o il nanoriempitivo con una miscelazione moderata.
3. Applicare una sonicazione ad alta intensità per deagglomerare e disperdere il materiale.
4. Controllare la temperatura, se necessario.
5. Aggiungere la nanodispersione sottoposta a sonicazione al cemento, alla sabbia e agli altri componenti della malta.
6. Miscelare fino a ottenere la consistenza finale della pasta o della malta.

Questo percorso consente un controllo migliore rispetto alla miscelazione a secco delle nanoparticelle nella polvere di cemento. Aumenta inoltre la probabilità che i nanomateriali siano già separati, bagnati e distribuiti uniformemente prima dell’inizio dell’idratazione e della presa.

Vantaggi economici per la produzione di cementi ad alte prestazioni

I nanoadditivi possono essere costosi e il loro utilizzo deve essere giustificato da miglioramenti misurabili delle prestazioni. Una dispersione scadente spreca materiale. Il grafene o i CNT agglomerati aumentano il costo della formulazione senza fornire il rinforzo previsto. Al contrario, la dispersione a ultrasuoni migliora l’utilizzo effettivo dei nanomateriali.
I vantaggi economici comprendono:

• Minore spreco di additivi: Una maggiore frazione del nanomateriale contribuisce alle prestazioni anziché rimanere intrappolata negli agglomerati.
• Minore rischio nella formulazione: Una dispersione uniforme riduce i lotti non conformi e i risultati di prova instabili.
• Cicli di ricerca e sviluppo più rapidi: Le formulazioni possono essere valutate preliminarmente con parametri di sonicazione controllati.
• Migliore passaggio di scala: I parametri di processo possono essere trasferiti dalle prove di fattibilità alle apparecchiature industriali.
• Prodotti di maggior valore: Malte più resistenti, durevoli e funzionali consentono applicazioni di fascia alta.
• Potenziale di produzione continua: La sonicazione in linea consente un trattamento con elevata capacità produttiva per la fabbricazione commerciale.

Per i produttori, il valore principale non consiste soltanto in una migliore qualità della dispersione. Consiste nella capacità di trasformare il cemento nanorinforzato da un concetto di laboratorio in un processo produttivo controllato e scalabile.

Dalla formulazione in laboratorio alla produzione industriale di cemento

Un grande vantaggio della tecnologia a ultrasuoni Hielscher è il percorso pratico di passaggio di scala. Le formulazioni cementizie nanorinforzate possono essere sviluppate su scala da banco e poi trasferite a sistemi più grandi senza modificare il principio fondamentale di trattamento. Anziché reinventare il processo di dispersione per la produzione, i produttori possono adattare alla scala la potenza ultrasonica, la geometria della cella di flusso, il tempo di permanenza e la configurazione del reattore.
Questo riduce il rischio tecnico. Accorcia inoltre il percorso che porta da campioni di malta con risultati positivi a prodotti cementizi commerciali ad alte prestazioni.

Un tipico flusso di lavoro per il passaggio di scala comprende:

1. Definire le prestazioni desiderate della malta e il sistema di nanomateriali.
2. Valutare preliminarmente additivi a base di grafene, CNT, nanosilice o additivi ibridi.
3. Determinare l’intensità di sonicazione e l’apporto energetico necessari.
4. Ottimizzare i mezzi di dispersione, gli additivi e il controllo della temperatura.
5. Produrre lotti di prova con sistemi UIP1000hdT o UIP2000hdT.
6. Convalidare le proprietà della malta, quali resistenza, lavorabilità e durabilità.
7. Trasferire il processo a gruppi di unità UIP6000hdT o UIP16000hdT per la produzione.
8. Integrare la sonicazione in linea nella produzione continua.

Il cemento ad alte prestazioni richiede una dispersione di alta qualità

Il futuro della tecnologia del cemento non si basa soltanto su nuove composizioni chimiche dei leganti. Dipende anche da un migliore controllo della microstruttura, degli additivi funzionali e del trattamento. Nanomateriali quali grafene e CNT possono contribuire a produrre materiali cementizi più resistenti, tenaci, intelligenti e durevoli. Questo richiede però una dispersione affidabile.
I sonicatori Hielscher offrono ai produttori di cemento, ai produttori di prodotti chimici per l’edilizia e agli istituti di ricerca uno strumento scalabile per il trattamento dei nanoadditivi. Dalle prime fasi di formulazione alla produzione in linea con elevata capacità di trattamento, la sonicazione migliora la dispersione, l’esfoliazione, la deagglomerazione e la strutturazione funzionale dei nanomateriali nelle paste cementizie e nelle malte.
Per la produzione di cementi ad alte prestazioni, il trattamento a ultrasuoni offre un vantaggio evidente: migliori prestazioni del materiale, un utilizzo più efficiente dei nanoadditivi costosi e un percorso diretto dai risultati positivi in laboratorio alla produzione industriale.

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità approssimativa di trattamento dei nostri sonicatori:

Sonicatori Hielscher per ricerca, prove di fattibilità e produzione

Hielscher offre processori a ultrasuoni nelle classi di potenza da laboratorio, da banco, pilota e industriali. Questo è essenziale per chi sviluppa cementi e malte, perché le formulazioni nanorinforzate devono spesso attraversare diverse fasi: valutazione preliminare iniziale dei materiali, sviluppo dei parametri di dispersione, prove sulle malte, lotti pilota e produzione industriale.
La gamma Hielscher è incentrata sul trattamento a ultrasuoni scalabile, con sistemi per lo sviluppo in laboratorio, le prove pilota e da banco, il funzionamento industriale gravoso e la produzione continua in linea mediante celle di flusso e reattori.

UIP1000hdT e UIP2000hdT per la ricerca da banco e le prove di fattibilità

UIP1000hdT e UIP2000hdT sono potenti processori a ultrasuoni da banco per lo sviluppo di formulazioni, gli studi di fattibilità e il trattamento su media scala. Sono particolarmente adatti allo sviluppo di formulazioni cementizie nanorinforzate in cui i ricercatori devono verificare il tipo di nanomateriale, la concentrazione, la composizione chimica del disperdente, l’intensità di sonicazione, il tempo di trattamento e il controllo della temperatura.

Questi sistemi sono ideali per:

• Dispersione di grafene e CNT in acqua o soluzioni di additivi.
• Prove di fattibilità su paste cementizie nanorinforzate.
• Ottimizzazione dell’apporto energetico della sonicazione.
• Preparazione di lotti di prova riproducibili.
• Sviluppo di formulazioni di malta ad alte prestazioni.
• Trattamento continuo su piccola scala con configurazioni dotate di celle di flusso.
• Convalida del passaggio di scala prima della produzione industriale.

Per i gruppi di ricerca e sviluppo, UIP1000hdT e UIP2000hdT forniscono l’intensità di processo richiesta dai nanomateriali più impegnativi, mantenendo al contempo una configurazione pratica per ambienti di laboratorio, centri tecnici e impianti pilota.

Esfoliazione del grafene a ultrasuoni

Gruppi di unità UIP6000hdT e UIP16000hdT per la produzione con elevata capacità di trattamento

Per la produzione su scala commerciale di additivi cementizi nanorinforzati, nanodispersioni o componenti di malte ad alte prestazioni, i sonicatori industriali Hielscher quali UIP6000hdT e UIP16000hdT possono essere configurati in gruppi per il trattamento continuo con elevata capacità produttiva.
I gruppi di unità UIP6000hdT o UIP16000hdT consentono ai produttori di aumentare la capacità di trattamento mantenendo un apporto energetico ultrasonico controllato. Questo approccio modulare è particolarmente utile quando i volumi produttivi crescono dalla scala pilota alla produzione a piena scala.

Le configurazioni industriali consentono:

• Dispersione continua in linea di grafene, CNT e nanoadditivi.
• Trattamento di dispersioni concentrate di nanomateriali con elevata capacità produttiva.
• Integrazione nelle linee di produzione di additivi per cemento o di malte premiscelate a secco.
• Funzionamento in parallelo dei reattori a ultrasuoni per aumentare la capacità.
• Funzionamento robusto in ambienti produttivi 24/7.
• Controllo e monitoraggio del processo per una qualità uniforme del prodotto.

I sistemi industriali Hielscher sono concepiti per il funzionamento continuo in condizioni gravose e sono disponibili unità ad alta potenza fino a 16 kW per dispositivo.

Letteratura / Riferimenti

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• 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.