Ar nanomateriāliem stiegrotas cementa javas, izmantojot ultraskaņas dispersiju

Apstrāde ar ultraskaņu uzlabo grafēna, CNT un nanomateriālu disperģēšanu, eksfoliāciju un deaglomerāciju cementa pastās un javās. Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces ļauj izstrādāt augstas veiktspējas cementa sastāvus no pētniecības un izstrādes līdz rūpnieciskai ražošanai.

Ar nanomateriāliem stiegrotas cementa javas – labāka disperģēšana un deaglomerācija ar ultraskaņas apstrādi

Ar nanomateriāliem stiegrotas cementa javas un cementa pastas paver plašas iespējas augstas veiktspējas būvmateriālu izstrādei. Iekļaujot tādus nanomateriālus kā grafēns, grafēna oksīds, oglekļa nanocaurulītes (CNT), silīcija dioksīda nanodaļiņas, nanomāli vai citas funkcionālas pildvielas, cementa bāzes materiālus var izstrādāt tā, lai uzlabotu to mehānisko stiprību, plaisizturību, ilgizturību un elektrovadītspēju, samazinātu caurlaidību un uzlabotu ilgtermiņa ekspluatācijas īpašības.
Problēma: Nanomateriālu potenciālu cementa sistēmās pilnībā var izmantot tikai tad, ja daļiņas ir vienmērīgi disperģētas. Grafēna loksnes, CNT kūļi un citas nanopiedevas mēdz veidot aglomerātus spēcīgu van der Vālsa spēku, augstas virsmas enerģijas un savīšanās dēļ. Ar parastu maisīšanu, rotora–statora maisīšanu vai vienkāršu pulveru sajaukšanu bieži vien neizdodas pietiekami sašķelt šos aglomerātus. Rezultātā rodas nevienmērīgs sadalījums, vājas vietas javas matricā, dārgu nanomateriālu neefektīva izmantošana un nevienmērīgas materiāla īpašības.
Risinājums: Hielscher zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīces nodrošina efektīvu, mērogojamu un rūpniecībā pārbaudītu risinājumu nanomateriālu disperģēšanai, eksfoliācijai, deaglomerācijai un funkcionālai savīšanai cementa pastās, javu sastāvos un prekursoru suspensijās. Hielscher izstrādā un ražo ultraskaņas procesorus šķidrumu apstrādei no īstenojamības pārbaudēm laboratorijā līdz nepārtrauktai rūpnieciskai ražošanai, piedāvājot iekārtu klāstu, kas paredzēts mēroga palielināšanai no kompaktām laboratorijas sistēmām līdz lieljaudas rūpnieciskām iekārtām.

Kāpēc nanomateriālu disperģēšana cementa javās ir svarīga

Nanomateriāli var ievērojami uzlabot cementa bāzes kompozītmateriālus, jo tie mijiedarbojas ar cementa matricu ļoti mazā garuma mērogā. Pareizi disperģēts grafēns, CNT un citas nanopildvielas var darboties kā kristalizācijas kodolu veidošanās centri, savienot mikroplaisu pretējās malas, smalkināt poru struktūru un uzlabot slodzes pārnesi sacietējušajā matricā.
Praksē veiktspēja ir mazāk atkarīga no pievienotā nanomateriāla nominālā daudzuma un vairāk no disperģēšanas kvalitātes. Neliels daudzums labi disperģēta grafēna vai CNT var nodrošināt labākas īpašības nekā lielāks daudzums slikti disperģēta materiāla. Aglomerāti darbojas kā defekti, nevis stiegrojums. Tie samazina iestrādājamību, rada sprieguma koncentrāciju un ierobežo piedevas efektīvo virsmas laukumu.
Disperģēšana ar ultraskaņu risina šo būtisko sastāva izstrādes problēmu. Augstas intensitātes ultraskaņa ar akustiskās kavitācijas palīdzību rada spēcīgus lokālus bīdes spēkus, mikromaisīšanu, triecienviļņus un šķidruma mikrostrūklas. Šīs iedarbības atdala kūļos apvienotus nanomateriālus, samitrina daļiņu virsmas un vienmērīgi izkliedē tos visā šķidrajā fāzē, pirms tos iestrādā cementa pulverī, pastā vai javā.

Grafēna, CNT un nanopiedevu deaglomerācija ar ultraskaņu

Grafēna nanoplāksnītes, grafēna oksīds, reducēts grafēna oksīds un oglekļa nanocaurulītes ir īpaši pievilcīgi progresīvu cementa bāzes materiālu izstrādei. Tie var uzlabot stiepes stiprību, lieces stiprību, sīkstumu pret plaisu izplatīšanos, elektrovadītspēju, termiskās īpašības un ilgizturību. Vienlaikus tās ir vienas no visgrūtāk disperģējamajām piedevām.
Ultraskaņas kavitācija palīdz pārvarēt pievilkšanās spēkus starp nanomēroga struktūrām. Ar ultraskaņu apstrādātā šķidrumā kavitācijas burbuļu sabrukšana rada intensīvu lokālu enerģijas ievadi. Tas var sašķelt daļiņu kopas, atdalīt CNT kūļus, eksfoliēt slāņainus materiālus un uzlabot nanopildvielu sadalījumu.

Galvenās ultraskaņas iedarbības ar nanomateriāliem stiegrotas javas ražošanā ir:

• Deaglomerācija: Grafēna, CNT, nanosilīcija dioksīda vai hibrīdpiedevu sakopojumu sadalīšana mazākās daļiņās ar vienmērīgāku sadalījumu.
• Disperģēšana: Nanomateriālu viendabīga izkliedēšana ūdenī, plastifikatoru šķīdumos, piedevu maisījumos vai cementa suspensijās.
• Eksfoliācija: Slāņainu materiālu, piemēram, grafīta, grafēna nanoplāksnīšu vai mālu, sadalīšana plānākās plāksnītēs ar lielāku aktīvās virsmas laukumu.
• Samitrināšana un aktivēšana: Šķidruma kontakta uzlabošana ar nanomateriālu virsmām, lai uzlabotu mijiedarbību ar cementa hidrātiem un piedevām.
• Savīšanās un tīkla veidošanās: Izkliedētu CNT vai grafēna tīklu veidošanās veicināšana, kas var uzlabot plaisu pārtiltošanu, vadītspēju un strukturālo funkcionalitāti.
• Atkārtojamība: Kontrolētu procesa apstākļu radīšana, lai nodrošinātu nemainīgas maisījumu īpašības no laboratorijas izmēģinājumiem līdz ražošanas mērogam.

Ultraskaņas disperģēšanas priekšrocības cementa pastās un javās

Apstrādes ar ultraskaņu ekonomiskā un tehniskā vērtība ir īpaši augsta augstas veiktspējas cementa ražošanā. Nanomateriāli bieži ir dārgi, un to sniegtais ieguvums ir atkarīgs no to efektīvas izmantošanas. Ja apstrāde ar ultraskaņu uzlabo disperģēšanas kvalitāti, maisījumu izstrādātāji bieži var samazināt pārmērīgu dozēšanu, palielināt atkārtojamību un iegūt augstāku veiktspēju uz katru piedevas kilogramu.

Progresīvu javu, remontmateriālu, saliekamo elementu, 3D drukājamu cementa materiālu vai specializētas būvķīmijas ražotājiem apstrāde ar ultraskaņu var palīdzēt nodrošināt:

• Augstāku spiedes, lieces un stiepes izturību, pateicoties uzlabotam nanopildvielu sadalījumam.
• Labāku plaisizturību un sīkstumu, pateicoties efektīvākai mikroarmēšanai.
• Samazinātu caurlaidību un uzlabotu ilgizturību, pilnveidojot poru struktūru.
• Vienmērīgāku materiāla kvalitāti dažādās partijās.
• Uzlabotu dārgā grafēna, CNT un citu nanopiedevu izmantošanu.
• Ātrāku maisījumu sākotnējo izvērtēšanu un procesa optimizāciju.
• Mērogojamu ražošanu no izstrādes laboratorijā līdz nepārtrauktai rūpnieciskai apstrādei.
• Labāku tādu procesa parametru kontroli kā amplitūda, ievadītā enerģija, plūsmas ātrums, temperatūra un uzturēšanās laiks.

Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces ir izstrādātas izmērāmai un atkārtojamai enerģijas pārnesei šķidrumos, suspensijās un biezās suspensijās. Vienu un to pašu apstrādes ar ultraskaņu pamatmehānismu var izmantot dažādās jaudas klasēs, ļaujot klientiem izstrādāt procesa parametrus nelielā mērogā un pēc tam tos pārnest uz lielākām galda, pilotmēroga vai rūpnieciskām sistēmām.

Ar (a) CNT un (b) GNP armētas, ar nanomateriāliem modificētas cementa pastas infrasarkanās termogrammas. CNT un grafēns tika disperģēti ar ultraskaņas apstrādes ierīci UP400S.
Pētījums un grafiki: ©Farmaki et al., 2025

Apstrāde ar ultraskaņu pirms cementa pievienošanas: vēlamā procesa secība

Daudziem ar nanomateriāliem armētiem cementa maisījumiem visefektīvākā pieeja ir vispirms disperģēt nanomateriālu šķidrajā fāzē. Tā var būt ūdens, superplastifikatora šķīdums, virsmaktīvās vielas saturošs disperģēšanas līdzeklis, polimēru piedeva, silīcija dioksīda sols vai cita javas maisījuma šķidrā sastāvdaļa.
Tipiska ultraskaņas procesa secība ir šāda:

1. Pievienojiet šķidrajai fāzei grafēnu, CNT vai citus nanomateriālus.
2. Iepriekš samitriniet pulveri vai nanopildvielu, mēreni maisot.
3. Izmantojiet augstas intensitātes apstrādi ar ultraskaņu, lai deaglomerētu un disperģētu materiālu.
4. Ja nepieciešams, kontrolējiet temperatūru.
5. Pievienojiet ar ultraskaņu apstrādāto nanodispersiju cementam, smiltīm un citām javas sastāvdaļām.
6. Maisiet, līdz iegūta pastas vai javas galīgā konsistence.

Šī procesa secība nodrošina labāku kontroli nekā nanodaļiņu sausā iemaisīšana cementa pulverī. Tā arī palielina varbūtību, ka nanomateriāli jau ir atdalīti, samitrināti un vienmērīgi izkliedēti pirms hidratācijas un saistīšanās sākuma.

Ekonomiskie ieguvumi augstas veiktspējas cementa ražošanā

Nanopiedevas var būt dārgas, un to izmantošana jāpamato ar izmērāmiem īpašību uzlabojumiem. Slikta dispersija rada materiāla izšķērdēšanu. Aglomerēts grafēns vai CNT palielina receptūras izmaksas, nenodrošinot sagaidīto stiegrojumu. Savukārt dispersija ar ultraskaņu uzlabo nanomateriālu izmantošanas efektivitāti.
Ekonomiskie ieguvumi ir šādi:

• Mazāki piedevu zudumi: Lielāka nanomateriāla daļa veicina īpašību uzlabošanos, nevis paliek ieslēgta aglomerātos.
• Mazāks ar receptūru saistītais risks: Vienmērīga dispersija samazina brāķēto partiju skaitu un testu rezultātu nestabilitāti.
• Ātrāki pētniecības un izstrādes cikli: Receptūras var sākotnēji izvērtēt, kontrolējot apstrādes ar ultraskaņu parametrus.
• Uzlabota mēroga palielināšana: Procesa parametrus var pārnest no īstenojamības pārbaudēm uz rūpnieciskām iekārtām.
• Produkti ar augstāku vērtību: Stiprākas, izturīgākas un funkcionālākas javas ir piemērotas augstākās klases lietojumiem.
• Nepārtrauktas ražošanas potenciāls: Apstrāde ar ultraskaņu plūsmā nodrošina augstas ražības apstrādi komerciālā ražošanā.

Ražotājiem galvenā vērtība ir ne tikai labāka dispersijas kvalitāte. Tā ir iespēja pārvērst ar nanomateriāliem stiegrotu cementu no laboratorijas koncepcijas par kontrolētu ražošanas procesu, kura mērogu var palielināt.

No receptūras izstrādes laboratorijā līdz rūpnieciskai cementa ražošanai

Būtiska Hielscher ultraskaņas tehnoloģijas priekšrocība ir praktiska iespēja palielināt procesa mērogu. Ar nanomateriāliem stiegrota cementa receptūras var izstrādāt galda iekārtu mērogā un pēc tam pārnest uz lielākām sistēmām, nemainot apstrādes pamatprincipu. Tā vietā, lai no jauna izstrādātu dispersijas procesu ražošanai, ražotāji var pielāgot ultraskaņas jaudu, plūsmas šūnas ģeometriju, uzturēšanās laiku un reaktora konfigurāciju atbilstoši mērogam.
Tas samazina tehnisko risku. Tas arī saīsina ceļu no veiksmīgiem javas paraugiem līdz komerciāliem augstas veiktspējas cementa produktiem.

Tipiska mēroga palielināšanas darbplūsma ietver šādus soļus:

1. Definējiet javas mērķa īpašības un nanomateriālu sistēmu.
2. Veiciet grafēna, CNT, silīcija dioksīda nanopiedevu vai hibrīdpiedevu sākotnējo izvērtēšanu.
3. Nosakiet nepieciešamo apstrādes ar ultraskaņu intensitāti un enerģijas ievadi.
4. Optimizējiet dispersijas vides, piedevas un temperatūras kontroli.
5. Izgatavojiet izmēģinājuma partijas ar UIP1000hdT vai UIP2000hdT sistēmām.
6. Pārbaudiet javas īpašības, piemēram, stiprību, iestrādājamību un ilgizturību.
7. Pārnesiet procesu uz UIP6000hdT vai UIP16000hdT iekārtu klasteriem ražošanai.
8. Integrējiet apstrādi ar ultraskaņu plūsmā nepārtrauktā ražošanā.

Augstas veiktspējas cementam nepieciešama augstas kvalitātes dispersija

Cementa tehnoloģijas nākotne nebalstās tikai uz jauniem saistvielu ķīmiskajiem risinājumiem. Tā ir atkarīga arī no labākas mikrostruktūras, funkcionālo piedevu un apstrādes kontroles. Nanomateriāli, piemēram, grafēns un CNT, var palīdzēt ražot stiprākus, sīkstākus, viedākus un ilgizturīgākus cementa materiālus. Taču tam nepieciešama uzticama dispersija.
Hielscher ultraskaņas iekārtas nodrošina cementa ražotājiem, būvķīmijas ražotājiem un pētniecības institūtiem nanopiedevu apstrādes rīku, kura mērogu var palielināt. No receptūras izstrādes sākumposma līdz augstas ražības ražošanai plūsmā – apstrāde ar ultraskaņu uzlabo nanomateriālu dispersiju, eksfoliāciju, deaglomerāciju un funkcionālo strukturēšanu cementa pastās un javās.
Augstas veiktspējas cementa ražošanā apstrāde ar ultraskaņu sniedz skaidru priekšrocību: labākas materiāla īpašības, efektīvāku dārgu nanopiedevu izmantošanu un tiešu ceļu no panākumiem laboratorijā līdz rūpnieciskai ražošanai.

Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas iekārtu aptuveno apstrādes jaudu:

Hielscher ultraskaņas iekārtas pētniecībai, īstenojamības pārbaudēm un ražošanai

Hielscher piedāvā ultraskaņas procesorus laboratorijas, galda, pilotiekārtu un rūpniecisko iekārtu jaudas klasēs. Tas ir būtiski cementa un javu izstrādātājiem, jo ar nanomateriāliem armētu sastāvu izstrādē bieži jāiziet vairāki posmi: sākotnējā materiālu atlase, disperģēšanas parametru izstrāde, javas testēšana, izmēģinājuma partiju izgatavošana un rūpnieciskā ražošana.
Hielscher piedāvājuma pamatā ir mērogojama apstrāde ar ultraskaņu, un tas ietver sistēmas izstrādei laboratorijā, testēšanai ar pilotiekārtām un galda iekārtām, intensīvai rūpnieciskai ekspluatācijai un nepārtrauktai ražošanai plūsmā, izmantojot plūsmas šūnas un reaktorus.

UIP1000hdT un UIP2000hdT pētniecībai ar galda iekārtām un tehniskās īstenojamības pārbaudēm

UIP1000hdT un UIP2000hdT ir jaudīgi galda ultraskaņas procesori sastāvu izstrādei, tehniskās īstenojamības pētījumiem un vidēja mēroga apstrādei. Tie ir labi piemēroti ar nanomateriāliem armētu cementa sastāvu izstrādei, kurā pētniekiem jāpārbauda nanomateriāla veids, koncentrācija, disperģētāja ķīmiskais sastāvs, apstrādes ar ultraskaņu intensitāte, apstrādes laiks un temperatūras kontrole.

Šīs sistēmas ir ideāli piemērotas:

• Grafēna un oglekļa nanocaurulīšu (CNT) disperģēšanai ūdenī vai piedevu šķīdumos.
• Ar nanomateriāliem armētu cementa pastu tehniskās īstenojamības pārbaudēm.
• Apstrādē ar ultraskaņu ievadītās enerģijas optimizēšanai.
• Reproducējamu testa partiju sagatavošanai.
• Augstas veiktspējas javu sastāvu izstrādei.
• Neliela mēroga nepārtrauktai apstrādei ar plūsmas šūnu iekārtām.
• Mēroga palielināšanas validēšanai pirms rūpnieciskās ražošanas.

Pētniecības un izstrādes komandām UIP1000hdT un UIP2000hdT nodrošina grūti apstrādājamiem nanomateriāliem nepieciešamo procesa intensitāti, vienlaikus saglabājot iekārtas praktisku lietojamību laboratorijās, tehnoloģiju centros un izmēģinājuma ražotnēs.

Grafēna eksfoliācija ar ultraskaņu

UIP6000hdT un UIP16000hdT iekārtu grupas ražošanai ar augstu ražību

Lai komerciālā mērogā ražotu ar nanomateriāliem armētas cementa piedevas, nanodispersijas vai augstas veiktspējas javu komponentus, Hielscher rūpnieciskās ultraskaņas iekārtas, piemēram, UIP6000hdT un UIP16000hdT, var apvienot grupās nepārtrauktai apstrādei ar augstu ražību.
UIP6000hdT vai UIP16000hdT iekārtu grupas ļauj ražotājiem palielināt apstrādes jaudu, vienlaikus saglabājot kontrolētu ultraskaņas enerģijas ievadi. Šī modulārā pieeja ir īpaši noderīga, kad ražošanas apjomi pieaug no izmēģinājuma mēroga līdz pilna mēroga ražošanai.

Rūpnieciskās konfigurācijas nodrošina:

• Nepārtrauktu grafēna, CNT un nanopiedevu disperģēšanu plūsmā.
• Nanomateriālu koncentrēto pamatdispersiju apstrādi ar augstu ražību.
• Integrāciju cementa piedevu vai sauso javas maisījumu ražošanas līnijās.
• Ultraskaņas reaktoru paralēlu darbību apstrādes jaudas palielināšanai.
• Uzticamu darbību 24/7 ražošanas apstākļos.
• Procesa kontroli un uzraudzību nemainīgas produktu kvalitātes nodrošināšanai.

Hielscher rūpnieciskās sistēmas ir paredzētas intensīvai nepārtrauktai darbībai, un ir pieejamas lieljaudas iekārtas ar jaudu līdz 16 kW uz vienu iekārtu.

Literatūra / Atsauces

• 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.