超音波処理によるジオポリマー化の促進
ジオポリマーは、従来のセメント系材料に代わる有望な材料であり、環境面、機械的特性、耐久性において利点があります。超音波分散は、優れた材料特性を持つジオポリマーを製造するための非常に効率的な技術です。超音波処理は、高性能ジオポリマーの経済的な大量生産を可能にする、非常に効率的な混合方法です。
高出力超音波によるジオポリマー化の促進
ジオポリマー化では、各成分間の最適な接触を確保し、完全な重合を促すために、入念かつ強力な混合が必要です。高出力超音波を適用すると強いせん断力が生じ、必要な混合と均質化を促進すると同時に、迅速かつ徹底したジオポリマー化に適したエネルギーを供給します。高出力超音波は、反応物の分散を改善し、凝集体の解体を促すことで、ジオポリマー化の反応速度を高め、反応速度と製品品質の向上につながります。
生産規模のインラインジオポリマー化に対応する、超音波出力16kWのMultiSonoReactor
超音波混合と超音波分散は、いくつかの機構を通じてジオポリマー化を促進できます。
超音波によって誘起されるこれらの機構は、総合的にジオポリマー化の反応速度の向上と、特性を改善したジオポリマー材料の開発に貢献します。
建設材料の製造を改善する高出力超音波
高出力超音波は、セメント、コンクリート、ジオポリマー、その他の建設材料を含む建築・建設材料の製造において、信頼性の高い技術として登場しました。超音波処理では、液体またはスラリー媒体に低周波の超音波を適用し、材料特性と加工特性にさまざまな有益な効果をもたらします。研究者や業界の専門家は、建設材料の性能、効率、持続可能性を改善する超音波の可能性をますます認識するようになっています。この導入部では、建築・建設材料の製造における高出力超音波の用途と利点を概説します。
- セメント： 超音波処理は、クリンカー相の溶解を促し、水和生成物の形成を加速することで、セメント系材料の水和反応速度を高めることができます。これにより、硬化時間の短縮、初期強度の発現の改善、コンクリート構造物の耐久性の向上が得られます。さらに、超音波は、添加剤やフライアッシュ、スラグなどの補助的なセメント系材料の分散を促進でき、より持続可能で環境に配慮したセメント組成につながります。
超音波によるコンクリートの凝結促進と初期強度の発現について、詳しくお読みください！ - コンクリート： 超音波混合と超音波による硬化技術は、コンクリート配合物の施工性、強度、耐久性を改善できます。超音波処理は、骨材と補強繊維の分散を促し、気泡や欠陥を減らし、セメント系マトリックスと骨材の結合を強化します。これにより、圧縮強度が高く、ひび割れや劣化に対する抵抗性が向上し、さまざまな環境条件での長期性能が改善されたコンクリートが得られます。
セメントの水和に対する超音波処理の有益な効果について、詳しくご覧ください！ - ジオポリマー： 超音波処理は、従来のセメント系材料に代わる環境に配慮した材料であるジオポリマーの合成と硬化において、重要な役割を果たします。超音波処理は、アルミノケイ酸塩前駆体の溶解を促し、ケイ酸種の重合を加速し、反応物の均質化を改善することで、ジオポリマー製品の硬化を速め、優れた機械的特性をもたらします。さらに、超音波はジオポリマースラリーのレオロジー特性と施工性を改善でき、複雑な形状や構造の製作を可能にします。
- その他の建設材料： 高出力超音波は、モルタル、グラウト、プラスター、断熱製品など、さまざまな建設材料の製造に幅広く利用されています。超音波処理は、添加剤、充填材、補強剤の分散を改善し、材料の微細構造と気孔率を最適化し、熱的特性と機械的特性を向上させることができます。特にナノ材料を均一に組み込む際には、超音波分散と解凝集が、建築やインフラ用途の建設材料の品質と性能に貢献します。
超音波処理によるナノ材料の優れた分散について、詳しくお読みください！
ジオポリマー製造用の高性能超音波処理装置
Hielscherの超音波処理装置は、液体媒体中で微小な気泡の生成と崩壊を引き起こす、強力な音響キャビテーションを発生させることができます。このプロセスは、ジオポリマー前駆体材料の非常に効率的な混合と均質化をもたらし、反応物の均一な分布を確保し、最終製品の品質を改善します。Hielscher Ultrasonicsの産業用超音波処理装置は、非常に高い振幅を実現できます。最大200µmの振幅で、24/7運転を容易に連続して行えます。超音波フローセルを使用した連続処理では、精密に制御された条件下で大量の材料を超音波処理でき、継続的に高品質なジオポリマー化を保証します。
あらゆる規模のジオポリマー合成に対応する超音波分散装置： Hielscherは、出力と処理量の異なるさまざまな超音波装置を提供しており、ジオポリマー製造プロセスの具体的な要件に応じたスケールアップとカスタマイズを可能にします。ラボ規模のバッチ実験でも、産業規模のインライン生産でも、Hielscherの超音波処理装置は、さまざまな用途のニーズに合わせて調整できます。
超音波処理の強み – 均質化の改善、反応速度の向上、粒径の低減、機械的特性の向上、スケールアップへの対応など – により、Hielscherは、ジオポリマー合成を最適化し、持続可能な建設材料の開発を進めるための強力な技術となります。ジオポリマー製造に大きな利点をもたらすHielscherの超音波処理装置は、お客様をジオポリマー生産の最前線へと導きます。
超音波処理装置UIP16000 – ジオポリマーやセメント系材料などの建設材料の分散用。
- 高効率
- 最先端技術
- 信頼性と堅牢性
- 調整可能で精密なプロセス制御
- バッチ処理とインライン処理
- あらゆる容量に対応
- インテリジェントなソフトウェア
- スマートな機能（プログラム設定、データ記録、遠隔制御など）
- 簡単で安全な操作
- メンテナンスの負担が少ない
- CIP（定置洗浄）
設計、製造、コンサルティング – ドイツ製の品質
Hielscherの超音波処理装置は、最高の品質と設計基準で知られています。堅牢性と操作の容易さにより、当社の超音波処理装置を産業施設へ円滑に導入できます。Hielscherの超音波処理装置は、過酷な条件や厳しい環境にも容易に対応します。
Hielscher UltrasonicsはISO認証を取得した企業であり、最先端技術と使いやすさを備えた高性能超音波処理装置に特に力を入れています。当然ながら、Hielscherの超音波処理装置はCEに適合し、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。
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。
| バッチ容量 | 流量 | 推奨装置 |
|---|---|---|
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1–20L | 0.2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | さらに大きい流量 | クラスター構成の UIP16000 |
お問い合わせ・ご相談はこちら！
Hielscher Ultrasonicsは、ラボ、パイロット、産業規模での混合、分散、乳化、抽出用途に向けた高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。
文献・参考資料
- Feng, D.; Tan, H.; van Deventer, J.S.J. )2004): Ultrasound enhanced geopolymerisation. Journal of Materials Science 39, 2004. 571–580.
- Almir Draganović, Antranik Karamanoukian, Peter Ulriksen, Stefan Larsson (2020): Dispersion of microfine cement grout with ultrasound and conventional laboratory dissolvers. Construction and Building Materials, Volume 251, 2020.
- Szelag M. (2017): Mechano-Physical Properties and Microstructure of Carbon Nanotube Reinforced Cement Paste after Thermal Load. Nanomaterials 7(9), 2017. 267.
- Peters, S.; Kraus, M.; Rößler, Christiane; Ludwig, H.-M. (2011): Workability of cement suspensions Using power ultrasound to improve cement suspension workability. Betonwerk und Fertigteil-Technik/Concrete Plant and Precast Technology. 77, 2011. 26-33.
- M.G. Hamed, A.M. El-Kamash & A. A. El-Sayed (2023): Selective removal of lead using nanostructured chitosan ion-imprinted polymer grafted with sodium styrene sulphonate and acrylic acid from aqueous solution. International Journal of Environmental Analytical Chemistry, 103:17, 5465-5482.
知っておきたい情報
ジオポリマーとは何か、どのような用途に使われるのか？
ジオポリマーは無機ポリマーまたはアルミノケイ酸塩材料であり、通常、フライアッシュ、スラグ、メタカオリン、あるいは火山灰などの天然材料といったアルミノケイ酸塩前駆体をアルカリ活性化することで合成されます。アルミニウムとケイ素の酸化物からなる高分子ネットワークを形成し、その際、アルカリ活性化剤がジオポリマー化反応の開始に重要な役割を果たします。
これらの材料は、環境に配慮した特性と優れた工学的性能により、従来のポルトランドセメント系コンクリートに代わる持続可能な材料として注目されています。
ジオポリマーは、以下を含むさまざまな用途に使用されています。
ジオポリマー – コンクリートに代わる環境に配慮した材料
ジオポリマーは、環境に配慮した複数の特性により、従来のコンクリートに代わる環境に優しい材料となります。建設に用いる建築材料としてのジオポリマーの主な利点には、炭素排出量の削減、産業副産物の利用、エネルギーと水の節約、リサイクル性、耐久性が含まれます。世界中で環境問題への意識が高まり続ける中、ジオポリマーは、建設材料の環境負荷を低減する実用的な解決策として、ますます認識されるようになっています。超音波処理は、高性能ジオポリマーの経済的な大量生産を可能にする、非常に効果的な混合技術です。
- カーボンフットプリントの低減： ジオポリマーは、通常、従来のポルトランドセメント系コンクリートよりもカーボンフットプリントが低くなります。ポルトランドセメントの製造には高温の窯内プロセスが含まれ、大量の二酸化炭素（CO2）が排出されます。一方、ジオポリマーは、はるかに低い温度、場合によっては室温で合成でき、製造時のエネルギー消費とCO2排出量が削減されます。
- 産業副産物の利用： ジオポリマーは、フライアッシュ、スラグ、メタカオリンなどの産業副産物を前駆体として利用することがよくあります。これらの材料は、他の産業から生じる廃棄物とみなされることが多く、利用されなければ処分が必要となり、環境負荷の要因となります。これらの副産物をジオポリマーに組み込むことで、埋立処分を回避できるだけでなく、未使用の原材料に対する需要も減らし、環境への影響をさらに低減します。
- エネルギー消費の低減： ジオポリマーの製造は、通常、ポルトランドセメントよりも少ないエネルギー投入で済みます。ジオポリマー化プロセスは低温で進行でき、セメント製造に伴う大規模な焼成プロセスを必要としない場合があります。これにより、エネルギー消費と、それに伴う温室効果ガス排出量が削減されます。
- 耐久性と長寿命： ジオポリマーは、高い圧縮強度、低い透過性、化学的腐食に対する抵抗性など、優れた耐久特性を示すことができます。その結果、ジオポリマー製の構造物は、従来のコンクリートに比べて、耐用期間中のメンテナンスや補修が少なくて済む場合があります。この長寿命化は、頻繁な再建や交換の必要性を減らし、資源を節約するとともに、全体的な環境への影響を低減します。
- 水使用量の削減： ジオポリマーの製造は、通常、従来のコンクリートよりも少ない水で済みます。ジオポリマーの混合プロセスでは、水分含有量をごく少なくすることが多く、水消費量の低減と水資源への負担の軽減につながります。
- リサイクル性と再利用性： ジオポリマー材料は、耐用期間の終了後にリサイクルまたは再利用できることがよくあります。リサイクルや処分に大量のエネルギーを要する処理が必要となる場合がある従来のコンクリートとは異なり、ジオポリマーは、より少ない環境への影響で分解し、別の用途に転用できます。
Hielscher Ultrasonicsは、 ラボ規模 から 産業規模までの高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。