超音波分散によるナノ補強セメントモルタル

超音波処理は、セメントペーストやモルタル中のグラフェン、CNT、ナノ材料の分散、剥離、解凝集を改善します。Hielscherの超音波処理装置は、研究開発から工業生産まで、高性能セメントの配合を可能にします。

ナノ補強セメントモルタル – 超音波処理による分散と解凝集の改善

ナノ補強セメントモルタルやセメントペーストは、高性能な建設材料を実現するための有力な手段です。グラフェン、酸化グラフェン、カーボンナノチューブ（CNT）、ナノシリカ、ナノクレイ、その他の機能性フィラーなどのナノ材料を組み込むことで、セメント系材料の機械的強度、耐ひび割れ性、耐久性、電気伝導性の向上、透過性の低減、長期性能の向上を図ることができます。
課題： セメント系におけるナノ材料の潜在能力を最大限に引き出せるのは、粒子が均一に分散している場合に限られます。グラフェンシート、CNTの束、その他のナノ添加剤は、強いファンデルワールス力、高い表面エネルギー、絡み合いによって凝集体を形成しやすい傾向があります。従来の撹拌、ローター・ステーター式混合、単純な粉体混合では、これらの凝集体を十分にほぐせないことがよくあります。その結果、分布の不均一、モルタルマトリックス内の弱い箇所、高価なナノ材料の非効率な利用、材料特性のばらつきが生じます。
解決策： Hielscherのプローブ型超音波処理装置は、セメントペースト、モルタル配合物、前駆体懸濁液に含まれるナノ材料の分散、剥離、解凝集、機能的な絡み合いの形成に対し、効率的でスケールアップが可能な、工業用途で実証済みの解決策を提供します。Hielscherは、実験室での実現可能性検討から工業規模の連続生産まで、液体処理用の超音波プロセッサーを開発・製造しており、小型の実験室用システムから高出力の工業用装置へのスケールアップを想定した製品群を展開しています。

セメントモルタルでナノ材料の分散が重要な理由

ナノ材料は、非常に小さな長さスケールでセメントマトリックスと相互作用するため、セメント系複合材料を大幅に改善できます。適切に分散したグラフェン、CNT、その他のナノフィラーは、核生成サイトとして作用し、微細ひび割れを架橋し、細孔構造を微細化し、硬化したマトリックス内の荷重伝達を改善できます。
実際には、性能はナノ材料の公称添加量よりも、分散の質に大きく左右されます。十分に分散した少量のグラフェンやCNTが、分散不良の材料をより多量に使用した場合を上回る性能を示すことがあります。凝集体は補強材ではなく欠陥として作用します。施工性を低下させ、応力集中を生み、添加剤の有効表面積を制限します。
超音波分散は、この配合上の中心的な課題に対処します。高強度超音波は、音響キャビテーションを通じて、局所的な強いせん断力、微小混合、衝撃波、液体マイクロジェットを発生させます。これらの作用により、束状のナノ材料が分離し、粒子表面が濡れ、セメント粉末、ペースト、モルタルに組み込まれる前に、液相全体に均一に分布します。

グラフェン、CNT、ナノ添加剤の超音波解凝集

グラフェンナノプレートレット、酸化グラフェン、還元酸化グラフェン、カーボンナノチューブは、先進的なセメント系材料にとって特に魅力的な材料です。引張強度、曲げ強度、破壊靱性、電気伝導性、熱的挙動、耐久性の向上に寄与できます。一方で、これらは分散が最も難しい添加剤の一部でもあります。
超音波キャビテーションは、ナノスケールの構造間に働く引力を克服するのに役立ちます。超音波処理中の液体では、キャビテーション気泡の崩壊によって、局所的に強いエネルギー投入が生じます。これにより、粒子の集合体をほぐし、CNTの束を分離し、層状材料を剥離し、ナノフィラーの分布を改善できます。

ナノ補強モルタルの製造における主な超音波作用には、次のものがあります。

• 解凝集： グラフェン、CNT、ナノシリカ、ハイブリッド添加剤の集合体をほぐし、より小さく、より均一な粒子分布にします。
• 分散： 水、可塑剤溶液、混和剤の混合物、セメント系スラリー中にナノ材料を均一に分布させます。
• 剥離： グラファイト、グラフェンナノプレートレット、クレイなどの層状材料を、有効表面積のより大きい薄いシートに分離します。
• 濡れと活性化： ナノ材料表面と液体の接触を改善し、セメント水和物や混和剤との相互作用を高めます。
• 絡み合いとネットワーク形成： ひび割れ架橋、伝導性、構造的機能性を高めることができる、分散したCNTやグラフェンのネットワーク形成を支援します。
• 再現性： 実験室での試験から生産規模まで、一貫した配合を実現するための制御されたプロセス条件を作り出します。

セメントペーストとモルタルにおける超音波分散の利点

超音波処理の経済的・技術的価値は、高性能セメントの製造において特に大きくなります。ナノ材料は高価な場合が多く、その効果は効率的に使用できるかどうかに左右されます。超音波処理によって分散の質が向上すると、配合開発者は多くの場合、過剰添加を減らし、再現性を高め、添加剤のキログラム当たりの性能を向上させることができます。

先進的なモルタル、補修材、プレキャスト部材、3Dプリント可能なセメント系材料、特殊建設用化学品の製造者にとって、超音波処理は次のことに役立ちます。

• ナノフィラーの分布改善による圧縮、曲げ、引張性能の向上。
• より効果的な微細補強による耐ひび割れ性と靱性の向上。
• 細孔構造の微細化による透過性の低減と耐久性の向上。
• バッチ間の材料品質のばらつきの低減。
• 高価なグラフェン、CNT、その他のナノ添加剤の利用効率の向上。
• 配合スクリーニングとプロセス最適化の迅速化。
• 実験室での開発から工業規模の連続処理までスケールアップできる生産。
• 振幅、エネルギー投入量、流量、温度、滞留時間などのプロセスパラメーターの制御改善。

Hielscherの超音波処理装置は、液体、懸濁液、スラリーへのエネルギー伝達を測定可能かつ再現可能にするよう設計されています。出力クラスが異なっても同じ基本的な超音波処理機構を使用できるため、お客様は小規模でプロセスパラメーターを開発し、その後、より大型の卓上型、パイロット規模、工業用システムへ移行できます。

(a) CNTおよび(b) GNPで補強したナノ改質セメントペーストの赤外線サーモグラム。CNTとグラフェンは超音波処理装置UP400Sで分散させました。
研究およびグラフ：©Farmaki et al., 2025

セメント添加前の超音波処理：推奨されるプロセス経路

多くのナノ補強セメント配合では、まず液相中にナノ材料を分散させる方法が最も効果的です。この液相には、水、高性能減水剤溶液、界面活性剤を含む分散剤、ポリマー混和剤、シリカゾル、モルタル配合のその他の液体成分を使用できます。
一般的な超音波プロセス経路は次のとおりです。

1. グラフェン、CNT、その他のナノ材料を液相に添加します。
2. 適度に混合しながら、粉末またはナノフィラーをあらかじめ濡らします。
3. 高強度の超音波処理を行い、材料を解凝集・分散させます。
4. 必要に応じて温度を制御します。
5. 超音波処理したナノ分散液を、セメント、砂、その他のモルタル成分に添加します。
6. 最終的なペーストまたはモルタルのコンシステンシーになるまで混合します。

この経路では、ナノ粒子をセメント粉末に乾式混合する場合よりも良好な制御が可能です。また、水和と凝結が始まる前に、ナノ材料がすでに分離し、濡れ、均一に分布している可能性も高まります。

高性能セメント製造の経済的利点

ナノ添加剤は高価な場合があり、その使用には測定可能な性能向上による裏付けが必要です。分散不良は材料の無駄につながります。凝集したグラフェンやCNTは、期待される補強効果をもたらさずに配合コストを増加させます。一方、超音波分散はナノ材料の有効利用を改善します。
経済的利点には、次のものがあります。

• 添加剤の無駄の低減： ナノ材料が凝集体に閉じ込められたままになるのではなく、より多くのナノ材料が性能に寄与します。
• 配合リスクの低減： 一貫した分散によって、不良バッチや不安定な試験結果が減少します。
• 研究開発サイクルの迅速化： 制御された超音波処理パラメーターを用いて、配合をスクリーニングできます。
• スケールアップの改善： 実現可能性試験で得たプロセスパラメーターを工業用装置に移行できます。
• より高付加価値な製品： より強く、耐久性と機能性に優れたモルタルが、高付加価値用途に対応します。
• 連続生産の可能性： インライン超音波処理により、商業生産で高処理能力の処理が可能になります。

製造者にとっての重要な価値は、分散の質の改善だけではありません。ナノ補強セメントを、実験室での概念から、制御可能でスケールアップ可能な生産プロセスへと転換できることにあります。

実験室での配合開発から工業規模のセメント製造へ

Hielscherの超音波技術の大きな利点は、実用的なスケールアップ経路があることです。ナノ補強セメントの配合は卓上規模で開発し、基本的な処理原理を変えずに、より大型のシステムへ移行できます。製造者は、生産用に分散プロセスを一から開発し直す代わりに、超音波出力、フローセルの形状、滞留時間、リアクター構成をスケールアップできます。
これにより、技術的リスクが低減します。また、成功したモルタル試料から、商用の高性能セメント製品に至るまでの道のりも短縮されます。

一般的なスケールアップのワークフローには、次の手順があります。

1. 目標とするモルタル性能とナノ材料系を定義します。
2. グラフェン、CNT、ナノシリカ、ハイブリッド添加剤をスクリーニングします。
3. 必要な超音波処理強度とエネルギー投入量を決定します。
4. 分散媒、混和剤、温度制御を最適化します。
5. UIP1000hdTまたはUIP2000hdTシステムで試験バッチを製造します。
6. 強度、施工性、耐久性などのモルタル特性を検証します。
7. 生産に向けて、プロセスをUIP6000hdTまたはUIP16000hdTのクラスターに移行します。
8. インライン超音波処理を連続製造に組み込みます。

高性能セメントには高品質な分散が必要

セメント技術の将来は、新しい結合材の化学だけに基づくものではありません。微細構造、機能性添加剤、処理のより良い制御にも左右されます。グラフェンやCNTなどのナノ材料は、より強く、靱性が高く、スマートで、耐久性に優れたセメント系材料の製造に役立ちます。ただし、そのためには信頼性の高い分散が必要です。
Hielscherの超音波処理装置は、セメント製造者、建設用化学品メーカー、研究機関に、ナノ添加剤処理のためのスケールアップ可能なツールを提供します。初期段階の配合開発から高処理能力のインライン生産まで、超音波処理は、セメントペーストやモルタル中のナノ材料の分散、剥離、解凝集、機能的な構造形成を改善します。
高性能セメントの製造において、超音波処理は明確な利点をもたらします。材料性能の向上、高価なナノ添加剤のより効率的な利用、実験室での成功から工業生産への直接的な経路です。

以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力の目安を示しています。

研究、実現可能性試験、生産向けのHielscher超音波処理装置

Hielscherは、実験室用、卓上型、パイロット規模、工業用の各出力クラスにわたる超音波プロセッサーを提供しています。ナノ補強配合は多くの場合、初期の材料スクリーニング、分散パラメーターの開発、モルタル試験、パイロットバッチ、工業生産という複数の段階を経る必要があるため、これはセメントやモルタルの開発者にとって不可欠です。
Hielscherの製品群は、スケールアップ可能な超音波処理を中心に構成されており、実験室での開発、パイロット規模および卓上での試験、過酷な条件下での工業運転、フローセルとリアクターを使用した連続インライン生産のためのシステムを備えています。

卓上での研究と実現可能性試験向けのUIP1000hdTおよびUIP2000hdT

UIP1000hdTとUIP2000hdTは、配合開発、実現可能性研究、中規模処理のための強力な卓上型超音波プロセッサーです。研究者がナノ材料の種類、濃度、分散剤の化学的特性、超音波処理強度、処理時間、温度制御を試験する必要がある、ナノ補強セメントの配合開発に適しています。

これらのシステムは、次の用途に最適です。

• 水または混和剤溶液中でのグラフェンとCNTの分散。
• ナノ補強セメントペーストの実現可能性試験。
• 超音波処理のエネルギー投入量の最適化。
• 再現性のある試験バッチの調製。
• 高性能モルタルの配合開発。
• フローセル構成による小規模な連続処理。
• 工業生産前のスケールアップ検証。

研究開発チームにとって、UIP1000hdTとUIP2000hdTは、処理の難しいナノ材料に必要な処理強度を提供すると同時に、実験室、技術センター、パイロット環境で実用的な装置構成を維持します。

超音波によるグラフェン剥離

高処理能力の生産向けのUIP6000hdTおよびUIP16000hdTクラスター

ナノ補強セメント添加剤、ナノ分散液、高性能モルタル成分を商業規模で製造する場合、UIP6000hdTやUIP16000hdTなどのHielscher工業用超音波処理装置をクラスター構成にすることで、高処理能力の連続処理に対応できます。
UIP6000hdTまたはUIP16000hdTのユニットを組み合わせたクラスターにより、製造者は超音波エネルギー投入量を制御した状態で、処理能力を高めることができます。このモジュール式のアプローチは、生産量がパイロット規模から本格的な製造規模へと増える場合に特に有用です。

工業用構成は、次の用途に対応します。

• グラフェン、CNT、ナノ添加剤の連続インライン分散。
• ナノ材料のマスター分散液の高処理能力処理。
• セメント混和剤または乾式混合モルタルの生産ラインへの組み込み。
• 処理能力を高めるための超音波リアクターの並列運転。
• 24/7の生産に耐える堅牢な運転環境。
• 一貫した製品品質を実現するためのプロセス制御と監視。

Hielscherの工業用システムは、厳しい条件下での連続運転に対応しており、装置当たり最大16 kWの高出力ユニットが用意されています。

文献 / 参考資料

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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.
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