Ar nano daļiņām pastiprināti cementa javas ar ultraskaņas dispersiju

Ultraskaņas apstrāde uzlabo grafēna, oglekļa nanocauruļu (CNT) un nanomateriālu dispersiju, eksfoliāciju un deaglomerāciju cementa pastās un javas. Hielscher ultraskaņas iekārtas ļauj izstrādāt augstas veiktspējas cementa sastāvu no R&D – rūpnieciskā ražošana.

Ar nano materiāliem pastiprināti cementa javas – Labāka dispersija un deaglomerācija, izmantojot ultraskaņas apstrādi

Ar nanoelementiem pastiprinātie cementa javas un cementa pastas piedāvā efektīvu ceļu uz augstas veiktspējas būvmateriāliem. Iekļaujot nanomateriālus, piemēram, grafēnu, grafēna oksīdu, oglekļa nanocaurules (CNT), nano-silīciju, nano-mālus vai citus funkcionālos pildvielas, cementa materiālus var izstrādāt tā, lai uzlabotu to mehānisko izturību, izturību pret plaisāšanu, ilgmūžību, elektrovadītspēju, samazinātu caurlaidību un uzlabotu ilgtermiņa ekspluatācijas īpašības.
Problēma: Nanomateriālu pilnais potenciāls cementa sistēmās tiek sasniegts tikai tad, ja daļiņas ir vienmērīgi izkliedētas. Grafēna slāņi, CNT saišķi un citas nanopiedevas mēdz veidot aglomerātus spēcīgo van der Vāla spēku, augstās virsmas enerģijas un savstarpējās sapīšanās dēļ. Izmantojot tradicionālo maisīšanu, rotora-statora sajaukšanu vai vienkāršu pulvera sajaukšanu, bieži vien neizdodas pietiekami sadalīt šos aglomerātus. Rezultātā rodas nevienmērīga sadale, vāji punkti javas matricā, dārgo nanomateriālu neefektīva izmantošana un nevienmērīgas materiāla īpašības.
Risinājums: Hielscher zondes tipa ultraskaņas iekārtas nodrošina efektīvu, mērogojamu un rūpniecībā pārbaudītu risinājumu nanomateriālu dispersijai, eksfoliācijai, deaglomerācijai un funkcionālajai savīšanai cementa pastās, javas maisījumos un prekursoru suspensijās. Hielscher izstrādā un ražo ultraskaņas procesorus šķidrumu apstrādei — sākot no laboratorijas pētījumiem līdz rūpnieciskai nepārtrauktai ražošanai —, piedāvājot produktu klāstu, kas paredzēts mēroga palielināšanai no kompaktiem laboratorijas sistēmām līdz lieljaudas rūpnieciskajām iekārtām.

Kāpēc nanomateriālu dispersija ir svarīga cementa javas sastāvā

Nanomateriāli var ievērojami uzlabot cementa kompozītus, jo tie mijiedarbojas ar cementa matricu ļoti mazā garuma mērogā. Pareizi disperģēts grafēns, oglekļa nanocaurules (CNT) un citi nanopildvielas var darboties kā kristalizācijas sākumpunkti, savienot mikroplaisas, izsmalcināt poru struktūru un uzlabot slodzes pārnesi sacietējušajā matricā.
Praksē īpašības mazāk ir atkarīgas no pievienotā nanomateriāla nominālā daudzuma, bet vairāk — no dispersijas kvalitātes. Neliels daudzums labi disperģēta grafēna vai oglekļa nanocauruļu var nodrošināt labākus rezultātus nekā lielāks daudzums slikti disperģēta materiāla. Aglomerāti darbojas drīzāk kā defekti, nevis kā pastiprinājums. Tie samazina apstrādājamību, rada sprieguma koncentrācijas un ierobežo piedevas efektīvo virsmas laukumu.
Ultraskaņas dispersija risina šo galveno formulēšanas problēmu. Augstas intensitātes ultraskaņa, izmantojot akustisko kavitāciju, rada spēcīgas lokalizētas šķērsspēkas, mikrosajaukšanu, triecienviļņus un šķidruma mikrostrūklas. Šie efekti atdalīta savstarpēji saistītos nanomateriālus, samitrina daļiņu virsmas un vienmērīgi izkliedē tās visā šķidrā fāzē, pirms tās tiek iekļautas cementa pulverī, pastā vai javas maisījumā.

Grafēna, oglekļa nanocauruļu un nanopiedevu deaglomerācija ar ultraskaņu

Grafēna nanoplāksnītes, grafēna oksīds, reducēts grafēna oksīds un oglekļa nanocaurules ir īpaši pievilcīgas modernu cementveida materiālu izstrādē. Tās var uzlabot stiepes izturību, lieces izturību, lūzuma izturību, elektrovadītspēju, termiskās īpašības un ilgmūžību. Tajā pašā laikā tās ir vieni no visgrūtāk disperģējamiem piedevu veidiem.
Ultraskaņas kavitācija palīdz pārvarēt pievilkšanās spēkus starp nanomēroga struktūrām. Šķidrumā, kas tiek apstrādāts ar ultraskaņu, sabrūkošie kavitācijas burbuļi rada intensīvu lokālu enerģijas pieplūdumu. Tas var sadalīt daļiņu kopas, atdalīt oglekļa nanocauruļu (CNT) saišķus, eksfoliēt slāņveida materiālus un uzlabot nanopildvielu sadalījumu.

Galvenie ultraskaņas efekti nano-pastiprinātu javas ražošanā ietver:

• Deagglomerācija: Grafēna, oglekļa nanocauruļu (CNT), nanokvarca vai hibrīdo piedevu kopu sadalīšana mazākās, vienmērīgākās daļiņu sistēmās.
• Dispersijas: Nanomateriālu vienmērīga sadale ūdenī, plastifikatoru šķīdumos, piedevu maisījumos vai cementa šķidrumos.
• Ādas attīrīšana: Slāņveida materiālu, piemēram, grafīta, grafēna nanoplāksnīšu vai mālu, sadalīšana plānākās plāksnītēs ar lielāku aktīvo virsmas laukumu.
• Mitrināšana un aktivizēšana: Šķidruma saskares ar nanomateriālu virsmām uzlabošana, lai panāktu labāku mijiedarbību ar cementa hidrātiem un piedevām.
• Saistīšanās un tīkla veidošanās: Veicina izkliedētu oglekļa nanocauruļu (CNT) vai grafēna tīklu veidošanos, kas var uzlabot plaisu pārklāšanu, vadītspēju un struktūras funkcionalitāti.
• Reproducējamība: Kontrolētu procesa apstākļu radīšana, lai nodrošinātu sastāva vienveidību no laboratorijas pētījumiem līdz ražošanas mērogam.

Ultraskaņas dispersijas priekšrocības cementa pastās un javas

Ultraskaņas apstrādes ekonomiskā un tehniskā vērtība ir īpaši liela augstas veiktspējas cementa ražošanā. Nanomateriāli bieži vien ir dārgi, un to ieguvums ir atkarīgs no to efektīvas izmantošanas. Kad ultraskaņas apstrāde uzlabo dispersijas kvalitāti, formulētāji bieži vien var samazināt pārdozēšanu, palielināt reproducējamību un panākt labākus rādītājus uz vienu piedevas kilogramu.

Uzlabotu javu, remonta materiālu, prefabricētu elementu, 3D drukai piemērotu cementveida materiālu vai speciālo būvķimikāliju ražotājiem ultraskaņas apstrāde var nodrošināt:

• Labāki spiedes, lieces un stiepes rādītāji, pateicoties uzlabotai nanopildvielas sadalei.
• Labāka izturība pret plaisāšanu un lielāka stingrība, pateicoties efektīvākai mikroarmatūrai.
• Samazināta caurlaidība un uzlabota izturība, pilnveidojot poru struktūru.
• Vienmērīgāka materiāla kvalitāte starp partijām.
• Dārgā grafēna, oglekļa nanocauruļu (CNT) un citu nanopiedevu efektīvāka izmantošana.
• Ātrāka preparātu skrīninga un procesa optimizācija.
• Mērogojama ražošana — sākot no izstrādes laboratorijas apstākļos līdz nepārtrauktai rūpnieciskai pārstrādei.
• Labāka tādu procesa parametru kontrole kā amplitūda, enerģijas patēriņš, plūsmas ātrums, temperatūra un uzturēšanās laiks.

Hielscher ultraskaņas iekārtas ir paredzētas mērāmai un atkārtojamai enerģijas pārnesei šķidrumos, suspensijās un šķidrās pastās. Vienots ultraskaņas iedarbības mehānisms var tikt izmantots visās jaudas klasēs, ļaujot klientiem izstrādāt procesa parametrus nelielā mērogā un pēc tam tos pārnest uz lielākām laboratorijas, eksperimentālām vai rūpnieciskām sistēmām.

Infrasarkano termogrāfijas attēli, kuros redzama nano-modificēta cementa pasta, kas pastiprināta ar (a) CNT un (b) GNP. CNT un grafēns tika disperģēti, izmantojot ultraskaņas dispersatoru UP400S.
Pētījums un diagrammas: ©Farmaki et al., 2025

Ultraskaņas apstrāde pirms cementa pievienošanas: ieteicamais procesa posms

Daudzu ar nanomateriāliem pastiprinātu cementa maisījumu gadījumā visefektīvākā pieeja ir vispirms izkliedēt nanomateriālu šķidrā fāzē. Tas var būt ūdens, superplastifikatora šķīdums, virsmaktīvās vielas saturošs disperģents, polimēru piedeva, silīcija dioksīda sols vai kāda cita javas maisījuma šķidrā sastāvdaļa.
Tipisks ultraskaņas procesa gaita ir šāda:

1. Šķidrajai fāzei pievienojiet grafēnu, oglekļa nanocaurules vai citus nanomateriālus.
2. Pulveri vai nanopildvielu iepriekš samitriniet, vienlaikus viegli maisot.
3. Lai atdalītu aglomerātus un disperģētu materiālu, izmantojiet augstas intensitātes ultraskaņas apstrādi.
4. Vajadzības gadījumā regulējiet temperatūru.
5. Pievienojiet ultraskaņas apstrādāto nanodispersiju cementam, smiltīm un citām javas sastāvdaļām.
6. Maisīt, līdz tiek iegūta galīgā pastas vai javas konsistence.

Šī metode nodrošina labāku kontroli nekā nanopārtiņu sajaukšana ar cementa pulveri sausā veidā. Tā arī palielina varbūtību, ka nanomateriāli jau ir atdalīti, samitrināti un vienmērīgi izkliedēti, pirms sākas hidratācija un sacietēšana.

Ekonomiskie ieguvumi no augstas kvalitātes cementa ražošanas

Nano-piedevas var būt dārgas, un to izmantošana jāpamato ar izmērāmiem veiktspējas uzlabojumiem. Nepietiekama dispersija rada materiāla izšķērdēšanu. Aglomerēts grafēns vai oglekļa nanocaurules palielina preparāta izmaksas, nenodrošinot gaidīto nostiprinošo efektu. Turpretim ultraskaņas dispersija uzlabo nanomateriālu efektīvu izmantošanu.
Ekonomiskie ieguvumi ietver:

• Mazāks piedevu atkritumu daudzums: Lielāka daļa nanomateriāla veicina veiktspēju, nevis paliek ieslēgta aglomerātos.
• Samazināts formulācijas risks: Vienmērīga dispersija samazina bojāto partiju skaitu un nestabilus testa rezultātus.
• Ātrāks R&D cikli: Preparātus var pārbaudīt, izmantojot kontrolētus ultraskaņas apstrādes parametrus.
• Uzlabota ražošanas apjoma palielināšana: Procesa parametrus var pārnest no realizējamības pārbaudēm uz rūpnieciskajām iekārtām.
• Augstākas vērtības produkti: Izturīgāki, ilgmūžīgāki un funkcionālāki javas maisījumi nodrošina augstākās kvalitātes risinājumus.
• Nepārtrauktas ražošanas potenciāls: Iebūvēta ultraskaņas apstrāde nodrošina augstas caurlaidspējas apstrādi komerciālai ražošanai.

Ražotājiem galvenā vērtība ir ne tikai labāka dispersijas kvalitāte. Tā ir spēja pārvērst nano-pastiprināto cementu no laboratorijas koncepcijas kontrolētā, mērogojamā ražošanas procesā.

No laboratorijas formulācijas līdz rūpnieciskai cementa ražošanai

Viena no galvenajām Hielscher ultraskaņas tehnoloģijas priekšrocībām ir praktiskais mēroga palielināšanas process. Ar nano materiāliem pastiprinātas cementa receptūras var izstrādāt laboratorijas mērogā un pēc tam pārnest uz lielākām sistēmām, nemainot pamatprincipu. Tā vietā, lai ražošanas vajadzībām no jauna izgudrotu dispersijas procesu, ražotāji var mainīt ultraskaņas jaudu, plūsmas kameras ģeometriju, uzturēšanās laiku un reaktora konfigurāciju.
Tas samazina tehnisko risku. Turklāt tas saīsina ceļu no veiksmīgiem javas paraugiem līdz komerciāliem augstas veiktspējas cementa izstrādājumiem.

Tipiska mēroga palielināšanas darba plūsma ietver:

1. Noteikt mērķa javas ekspluatācijas rādītājus un nanomateriālu sistēmu.
2. Sijā grafēnu, oglekļa nanocaurules (CNT), nanokvarca vai hibrīdas piedevas.
3. Noteikt nepieciešamo ultraskaņas intensitāti un enerģijas patēriņu.
4. Optimizējiet dispersijas vidi, piedevas un temperatūras kontroli.
5. Izgatavojiet testa partijas, izmantojot sistēmas UIP1000hdT vai UIP2000hdT.
6. Pārbaudiet javas īpašības, piemēram, izturību, apstrādājamību un ilgmūžību.
7. Pārnesiet procesu uz UIP6000hdT vai UIP16000hdT klasteriem ražošanas vajadzībām.
8. Iekļaut ultraskaņas apstrādi ražošanas procesā.

Augstas veiktspējas cementam nepieciešama augstas kvalitātes dispersija

Cementa tehnoloģijas nākotne nav balstīta vienīgi uz jaunu saistvielu ķīmisko sastāvu. Tā ir atkarīga arī no labākas mikrostruktūras kontroles, funkcionālajām piedevām un apstrādes procesiem. Nanomateriāli, piemēram, grafēns un oglekļa nanocaurules (CNT), var palīdzēt ražot stiprākus, izturīgākus, „viedākus” un ilgmūžīgākus cementa materiālus. Taču tam ir nepieciešama uzticama dispersija.
Hielscher ultraskaņas iekārtas nodrošina cementa ražotājus, būvķīmijas ražotājus un pētniecības institūtus ar skalējamu rīku nano-piedevu apstrādei. Sākot no sākotnējās formulēšanas līdz augstas caurlaidspējas ražošanai līnijas režīmā, ultraskaņas apstrāde uzlabo nanomateriālu dispersiju, eksfolāciju, deaglomerāciju un funkcionālo strukturēšanu cementa pastās un javas.
Augstas kvalitātes cementa ražošanā ultraskaņas apstrāde piedāvā nepārprotamu priekšrocību: labākas materiāla īpašības, dārgo nano-piedevu efektīvāku izmantošanu un tiešu ceļu no laboratorijas panākumiem līdz rūpnieciskajai ražošanai.

Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:

Hielscher ultraskaņas iekārtas pētniecībai, realizējamības pārbaudēm un ražošanai

Uzņēmums „Hielscher“ piedāvā ultraskaņas procesorus dažādās jaudas klasēs — laboratorijas, galda, eksperimentālās un rūpnieciskās. Tas ir būtiski cementa un javas izstrādātājiem, jo ar nano materiāliem pastiprinātām formulām bieži vien jāiziet vairāki posmi: sākotnējā materiālu atlase, dispersijas parametru izstrāde, javas testēšana, eksperimentālās partijas un rūpnieciskā ražošana.
Hielscher produktu klāsts ir veidots, pamatojoties uz mērogojamu ultraskaņas apstrādi, un tajā ietilpst sistēmas laboratorijas izstrādei, eksperimentālajai un galda testēšanai, intensīvai rūpnieciskai ekspluatācijai, kā arī nepārtrauktai ražošanai līnijas režīmā, izmantojot plūsmas kameras un reaktorus.

UIP1000hdT un UIP2000hdT – galda tipa iekārtas pētniecībai un realizējamības pārbaudēm

UIP1000hdT un UIP2000hdT ir jaudīgi galda ultraskaņas procesori, kas paredzēti preparātu izstrādei, priekšizpētei un vidēja mēroga apstrādei. Tie ir īpaši piemēroti nano-pastiprinātu cementa formulējumu izstrādei, kur pētniekiem ir jāpārbauda nanomateriāla veids, koncentrācija, dispersantu ķīmiskās īpašības, ultraskaņas intensitāte, apstrādes laiks un temperatūras kontrole.

Šīs sistēmas ir ideāli piemērotas:

• Grafēna un oglekļa nanocauruļu dispersija ūdenī vai maisījuma šķīdumos.
• Ar nano materiāliem pastiprinātu cementa pastu realizējamības pārbaude.
• Ultraskaņas enerģijas patēriņa optimizācija.
• Atkārtojamu testa partiju sagatavošana.
• Augstas veiktspējas javas sastāvu izstrāde.
• Neliela apjoma nepārtraukta apstrāde, izmantojot plūsmas kameru iekārtas.
• Validācija mēroga palielināšanai pirms rūpnieciskās ražošanas uzsākšanas.

attiecībā uz R&D sērijas iekārtas UIP1000hdT un UIP2000hdT nodrošina procesa intensitāti, kas nepieciešama sarežģītu nanomateriālu apstrādei, vienlaikus saglabājot iekārtu praktiskumu laboratoriju, tehnisko centru un eksperimentālo ražotņu vidē.

Ultraskaņas grafēna eksfoliācija

UIP6000hdT un UIP16000hdT klasteri ražošanai ar augstu caurlaidspēju

Lai komerciālā mērogā ražotu ar nano daļiņām pastiprinātas cementa piedevas, nanodispersijas vai augstas veiktspējas javas sastāvdaļas, Hielscher rūpnieciskos ultraskaņas iekārtas, piemēram, UIP6000hdT un UIP16000hdT, var konfigurēt klasteros, lai nodrošinātu nepārtrauktu apstrādi ar augstu caurlaidspēju.
UIP6000hdT vai UIP16000hdT iekārtu kopas ļauj ražotājiem palielināt pārstrādes jaudu, vienlaikus saglabājot kontrolētu ultraskaņas enerģijas pievadi. Šī modulārā pieeja ir īpaši noderīga, kad ražošanas apjomi palielinās no eksperimentālā mēroga līdz pilna mēroga ražošanai.

Atbalstītās rūpnieciskās konfigurācijas:

• Grafēna, oglekļa nanocauruļu (CNT) un nanopiedevu nepārtraukta dispersija ražošanas līnijā.
• Nanomateriālu pamatdisperziju apstrāde ar augstu caurlaidspēju.
• Integrācija cementa piedevu vai sausā maisījuma javas ražošanas līnijās.
• Paralēla ultraskaņas reaktora darbība, lai palielinātu jaudu.
• Stabilas ražošanas vides, kas darbojas 24 stundas diennaktī, 7 dienas nedēļā.
• Procesa vadība un uzraudzība, lai nodrošinātu nemainīgu produkta kvalitāti.

Hielscher rūpnieciskās sistēmas ir paredzētas darbam sarežģītos nepārtrauktas darbības apstākļos, un ir pieejamas augstas jaudas iekārtas ar jaudu līdz 16 kW vienai ierīcei.

Literatūra / Atsauces