Met nano-deeltjes versterkte cementmortels met ultrasone dispersie

Ultrasone behandeling verbetert de dispersie, exfoliatie en deagglomeratie van grafeen, CNT’s en nanomaterialen in cementpasta’s en mortels. De ultrasone apparaten van Hielscher maken de ontwikkeling van hoogwaardige cementformuleringen mogelijk vanaf R&D tot de industriële productie.

Met nanomateriaal versterkte cementmortels – Betere verspreiding en deagglomeratie door ultrasone behandeling

Met nanomaterialen versterkte cementmortels en cementpasta’s bieden een veelbelovende weg naar hoogwaardige bouwmaterialen. Door nanomaterialen zoals grafeen, grafeenoxide, koolstofnanobuisjes (CNT's), nanosilica, nanoklei of andere functionele vulstoffen toe te voegen, kunnen cementgebonden materialen worden ontwikkeld met een verbeterde mechanische sterkte, scheurweerstand, duurzaamheid, elektrische geleidbaarheid, verminderde doorlaatbaarheid en verbeterde prestaties op lange termijn.
Het probleem: Het volledige potentieel van nanomaterialen in cementsystemen wordt pas benut wanneer de deeltjes gelijkmatig zijn gedispergeerd. Grafeenlaagjes, CNT-bundels en andere nano-additieven hebben de neiging om agglomeraten te vormen als gevolg van sterke van der Waals-krachten, hoge oppervlakte-energie en verstrengeling. Bij conventioneel roeren, rotor-stator-mengen of eenvoudig poeder mengen lukt het vaak niet om deze agglomeraten voldoende te breken. Het gevolg is een slechte verdeling, zwakke plekken in de mortelmatrix, inefficiënt gebruik van dure nanomaterialen en inconsistente materiaaleigenschappen.
De oplossing: De ultrasone apparaten van het probe-type van Hielscher bieden een efficiënte, schaalbare en in de industrie beproefde oplossing voor de dispersie, exfoliatie, deagglomeratie en functionele verweving van nanomaterialen in cementpasta’s, mortelformuleringen en precursorsuspensies. Hielscher ontwikkelt en produceert ultrasone verwerkingsapparatuur voor de verwerking van vloeistoffen, variërend van haalbaarheidsonderzoek in het laboratorium tot industriële continu-productie, met een productportfolio dat is ontworpen voor opschaling van compacte laboratoriumsystemen tot krachtige industriële apparatuur.

Waarom de dispersie van nanomaterialen van belang is in cementmortels

Nanomaterialen kunnen cementgebonden composieten aanzienlijk verbeteren, omdat ze op zeer kleine schaal een wisselwerking aangaan met de cementmatrix. Goed gedispergeerd grafeen, CNT’s en andere nanovulstoffen kunnen fungeren als kiemvormingsplaatsen, microscheurtjes overbruggen, de poriënstructuur verfijnen en de belastingsoverdracht binnen de uitgeharde matrix verbeteren.
In de praktijk hangt de prestatie minder af van de nominale hoeveelheid toegevoegd nanomateriaal en meer van de kwaliteit van de dispersie. Een kleine hoeveelheid goed gedispergeerd grafeen of CNT's kan beter presteren dan een grotere hoeveelheid slecht gedispergeerd materiaal. Agglomeraten gedragen zich eerder als defecten dan als versterking. Ze verminderen de verwerkbaarheid, veroorzaken spanningsconcentraties en beperken het effectieve oppervlak van het additief.
Ultrasone dispersie biedt een oplossing voor deze centrale uitdaging bij de formulering. Ultrasone golven met hoge intensiteit zorgen door akoestische cavitatie voor sterke, plaatselijke schuifkrachten, micromenging, schokgolven en vloeistofmicrostralen. Deze effecten zorgen ervoor dat gebundelde nanomaterialen worden gescheiden, de deeltjesoppervlakken worden bevochtigd en gelijkmatig over de vloeibare fase worden verdeeld, voordat ze in cementpoeder, -pasta of -mortel worden opgenomen.

Ultrasone deagglomeratie van grafeen, koolstofnanobuisjes en nano-additieven

Grafeen-nanoplaatjes, grafeenoxide, gereduceerd grafeenoxide en koolstofnanobuisjes zijn bijzonder interessant voor geavanceerde cementgebonden materialen. Ze kunnen bijdragen aan de treksterkte, buigsterkte, breuktaaiheid, elektrische geleidbaarheid, thermische eigenschappen en duurzaamheid. Tegelijkertijd behoren ze tot de additieven die het moeilijkst te dispergeren zijn.
Ultrasone cavitatie helpt de aantrekkingskrachten tussen structuren op nanoschaal te overwinnen. In een vloeistof die met ultrasone trillingen wordt behandeld, zorgen instortende cavitatiebellen voor een intense lokale energie-inbreng. Dit kan deeltjesclusters uit elkaar halen, CNT-bundels scheiden, gelaagde materialen afbladderen en de verdeling van nanovulstoffen verbeteren.

Belangrijke ultrasone effecten bij de productie van met nanomateriaal versterkte mortel zijn onder meer:

• Deagglomeratie: Het opsplitsen van clusters van grafeen, koolstofnanobuisjes, nanosilica of hybride additieven in kleinere, meer uniforme deeltjesverdelingen.
• Verspreiding: Het gelijkmatig verdelen van nanomaterialen in water, weekmakeroplossingen, toeslagstofmengsels of cementachtige slurries.
• Exfoliatie: Het scheiden van gelaagde materialen zoals grafiet, grafeen-nanoplaatjes of kleisoorten in dunnere laagjes met een groter actief oppervlak.
• Bevochtiging en activering: Het verbeteren van het contact tussen vloeistoffen en oppervlakken van nanomaterialen voor een betere interactie met cementhydraten en toevoegingen.
• Verstrengeling en netwerkvorming: Het bevorderen van de vorming van gedistribueerde CNT- of grafeennetwerken die de scheuroverbrugging, de geleidbaarheid en de structurele functionaliteit kunnen verbeteren.
• Reproduceerbaarheid: Het creëren van gecontroleerde procesomstandigheden voor consistente formuleringen, van laboratoriumproeven tot productieschaal.

Voordelen van ultrasone dispersie in cementpasta’s en mortel

De economische en technische voordelen van ultrasone behandeling komen vooral goed tot hun recht bij de productie van hoogwaardig cement. Nanomaterialen zijn vaak duur, en het nut ervan hangt af van een efficiënt gebruik. Wanneer ultrasone behandeling de dispersiekwaliteit verbetert, kunnen formuleerders vaak overdosering voorkomen, de reproduceerbaarheid vergroten en betere prestaties per kilogram additief behalen.

Voor producenten van geavanceerde mortels, reparatiematerialen, prefab-onderdelen, 3D-printbare cementachtige materialen of gespecialiseerde bouwchemicaliën kan ultrasone verwerking het volgende ondersteunen:

• Betere prestaties op het gebied van druk-, buig- en treksterkte dankzij een verbeterde verdeling van de nanovulstoffen.
• Betere breukweerstand en taaiheid dankzij een effectievere microversterking.
• Verminderde doorlaatbaarheid en verbeterde duurzaamheid door verfijning van de poriënstructuur.
• Een consistentere materiaalkwaliteit van partij tot partij.
• Een beter gebruik van kostbaar grafeen, koolstofnanobuisjes en andere nano-additieven.
• Snellere screening van formuleringen en procesoptimalisatie.
• Schaalbare productie, van laboratoriumontwikkeling tot continue industriële verwerking.
• Betere beheersing van procesparameters zoals amplitude, energie-inbreng, debiet, temperatuur en verblijftijd.

De ultrasone apparaten van Hielscher zijn ontworpen voor een meetbare en reproduceerbare energieoverdracht naar vloeistoffen, suspensies en slurries. Hetzelfde basisprincipe van ultrasone behandeling kan in alle vermogensklassen worden toegepast, waardoor klanten procesparameters op kleine schaal kunnen ontwikkelen en deze vervolgens kunnen toepassen in grotere laboratorium-, proef- of industriële systemen.

Infraroodthermogrammen van nanogemodificeerde cementpasta, versterkt met (a) CNT’s en (b) GNP’s. De CNT’s en het grafeen werden gedispergeerd met behulp van een ultrasone disperser UP400S.
Onderzoek en grafieken: ©Farmaki et al., 2025

Ultrasone behandeling vóór het toevoegen van cement: de voorkeursmethode

Voor veel met nanomaterialen versterkte cementformuleringen is de meest effectieve aanpak om het nanomateriaal eerst in de vloeibare fase te dispergeren. Dit kan water zijn, een oplossing van superplastificeerder, een dispersiemiddel dat oppervlakte-actieve stoffen bevat, een polymeertoeslag, silicasol of een andere vloeibare component van de mortelformulering.
Een typisch ultrasoon procesverloop is:

1. Voeg grafeen, CNT’s of andere nanomaterialen toe aan de vloeibare fase.
2. Maak het poeder of de nanovulstof vochtig terwijl je het lichtjes doorroert.
3. Pas ultrasone trillingen met hoge intensiteit toe om het materiaal te deagglomereren en te dispergeren.
4. Pas de temperatuur indien nodig aan.
5. Voeg de met ultrasone trillingen behandelde nanodispersie toe aan cement, zand en andere mortelbestanddelen.
6. Meng tot het mengsel de gewenste consistentie van pasta of mortel heeft.

Deze methode biedt meer controle dan het droog mengen van nanodeeltjes in cementpoeder. Bovendien vergroot het de kans dat de nanomaterialen al gescheiden, bevochtigd en gelijkmatig verdeeld zijn voordat de hydratatie en uitharding beginnen.

Economische voordelen voor de productie van hoogwaardig cement

Nano-additieven kunnen duur zijn, en het gebruik ervan moet worden gerechtvaardigd door meetbare prestatieverbeteringen. Een slechte dispersie leidt tot materiaalverspilling. Geagglomereerd grafeen of CNT’s verhogen de formuleringskosten zonder de verwachte versterkende werking te bieden. Ultrasone dispersie daarentegen zorgt voor een effectiever gebruik van nanomaterialen.
De economische voordelen zijn onder meer:

• Minder afval van additieven: Een groter deel van het nanomateriaal draagt bij aan de prestaties in plaats van vast te zitten in agglomeraten.
• Minder risico’s bij de samenstelling: Een consistente verspreiding zorgt ervoor dat er minder mislukte partijen en onstabiele testresultaten zijn.
• Snellere R&D cycli: Formuleringen kunnen worden gescreend met gecontroleerde ultrasone behandelingsparameters.
• Verbeterde opschaling: Procesparameters kunnen worden overgedragen van haalbaarheidstests naar industriële installaties.
• Producten met een hogere waarde: Sterkere, duurzamere en functionelere mortels zijn geschikt voor hoogwaardige toepassingen.
• Potentieel voor continue productie: Inline-sonicatie maakt verwerking met hoge doorvoercapaciteit mogelijk voor commerciële productie.

Voor fabrikanten ligt de belangrijkste meerwaarde niet alleen in een betere dispersiekwaliteit. Het gaat om het vermogen om met nanodeeltjes versterkt cement van een laboratoriumconcept om te zetten in een gecontroleerd, schaalbaar productieproces.

Van laboratoriumformulering tot industriële cementproductie

Een belangrijk voordeel van de ultrasone technologie van Hielscher is het praktische opschalingstraject. Met nano-versterkte cementformules kunnen op laboratoriumschaal worden ontwikkeld en vervolgens worden overgezet naar grotere systemen zonder dat het fundamentele verwerkingsprincipe hoeft te worden gewijzigd. In plaats van het dispersieproces voor de productie opnieuw uit te vinden, kunnen fabrikanten het ultrasone vermogen, de geometrie van de doorstroomcel, de verblijftijd en de reactorconfiguratie opschalen.
Dit vermindert het technische risico. Bovendien verkort het de weg van succesvolle mortelmonsters naar commerciële hoogwaardige cementproducten.

Een typische workflow bij het opschalen omvat:

1. Bepaal de beoogde prestaties van de mortel en het nanomateriaalsysteem.
2. Zeef grafeen, CNT, nanosilica of hybride additieven.
3. Bepaal de vereiste ultrasone intensiteit en energie-inbreng.
4. Optimaliseer de dispersiemiddelen, toevoegingen en temperatuurregeling.
5. Produceer testpartijen met UIP1000hdT- of UIP2000hdT-systemen.
6. Controleer de eigenschappen van mortel, zoals sterkte, verwerkbaarheid en duurzaamheid.
7. Zet het proces over naar UIP6000hdT- of UIP16000hdT-clusters voor productie.
8. Inline-sonicatie integreren in het continue productieproces.

Hoogwaardig cement vereist een hoogwaardige dispersie

De toekomst van de cementtechnologie berust niet alleen op nieuwe bindmiddelchemie. Ze hangt ook af van een betere beheersing van de microstructuur, functionele additieven en de verwerkingsprocessen. Nanomaterialen zoals grafeen en CNT’s kunnen bijdragen aan de productie van sterkere, taaiere, slimmere en duurzamere cementachtige materialen. Hiervoor is echter een betrouwbare dispersie vereist.
De ultrasone apparaten van Hielscher bieden cementproducenten, fabrikanten van bouwchemicaliën en onderzoeksinstituten een schaalbaar hulpmiddel voor de verwerking van nano-additieven. Van de eerste formulering tot inline-productie met hoge doorvoercapaciteit: ultrasone behandeling verbetert de dispersie, exfoliatie, deagglomeratie en functionele structurering van nanomaterialen in cementpasta’s en mortels.
Voor de productie van hoogwaardig cement biedt ultrasone verwerking een duidelijk voordeel: betere materiaaleigenschappen, een efficiënter gebruik van dure nano-additieven en een directe weg van laboratoriumresultaten naar industriële productie.

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:

Hielscher-sonicatoren voor onderzoek, haalbaarheidstests en productie

Hielscher biedt ultrasone verwerkingsapparatuur aan in verschillende vermogensklassen: laboratorium-, tafelmodel-, proef- en industriële uitvoeringen. Dit is van essentieel belang voor ontwikkelaars van cement en mortel, omdat met nanomaterialen versterkte formuleringen vaak verschillende fasen moeten doorlopen: een eerste materiaalbeoordeling, de ontwikkeling van dispersieparameters, morteltests, proefproducties en industriële productie.
Het productassortiment van Hielscher is gebaseerd op schaalbare ultrasone verwerking, met systemen voor laboratoriumontwikkeling, proef- en tafelmodel-tests, intensief industrieel gebruik en continue inline-productie met behulp van doorstroomcellen en reactoren.

UIP1000hdT en UIP2000hdT voor onderzoek op laboratoriumschaal en haalbaarheidstests

De UIP1000hdT en UIP2000hdT zijn krachtige ultrasone apparaten voor op het laboratoriumtafel, bedoeld voor de ontwikkeling van formuleringen, haalbaarheidsstudies en verwerking op middelgrote schaal. Ze zijn bij uitstek geschikt voor het ontwikkelen van met nanomaterialen versterkte cementformuleringen, waarbij onderzoekers het type nanomateriaal, de concentratie, de chemische samenstelling van het dispergeermiddel, de intensiteit van de ultrasone behandeling, de verwerkingstijd en de temperatuurregeling moeten testen.

Deze systemen zijn ideaal voor:

• Dispersie van grafeen en CNT’s in water of mengoplossingen.
• Haalbaarheidsonderzoek naar met nanomaterialen versterkte cementpasta’s.
• Optimalisatie van het energieverbruik bij ultrasone behandeling.
• Bereiding van reproduceerbare testpartijen.
• Ontwikkeling van hoogwaardige mortelformules.
• Kleinschalige continue verwerking met flow-cell-opstellingen.
• Validatie van de opschaling vóór de industriële productie.

voor R&De D-serie, bestaande uit de UIP1000hdT en de UIP2000hdT, biedt de procesintensiteit die nodig is voor veeleisende nanomaterialen, terwijl de opstelling toch praktisch blijft voor gebruik in laboratoria, technische centra en proefopstellingen.

Ultrasone afschilfering van grafeen

UIP6000hdT- en UIP16000hdT-clusters voor productie met hoge doorvoercapaciteit

Voor de productie op commerciële schaal van met nanodeeltjes versterkte cementadditieven, nanodispersies of componenten voor hoogwaardige mortel kunnen de industriële ultrasone apparaten van Hielscher, zoals de UIP6000hdT en de UIP16000hdT, in clusters worden geconfigureerd voor een continue verwerking met hoge doorvoercapaciteit.
Door UIP6000hdT- of UIP16000hdT-units in clusters te gebruiken, kunnen fabrikanten hun verwerkingscapaciteit vergroten en tegelijkertijd de toegevoerde ultrasone energie onder controle houden. Deze modulaire aanpak is met name nuttig wanneer de productievolumes toenemen van proefschaal naar volledige schaal.

Ondersteuning voor industriële configuraties:

• Continue inline-dispersie van grafeen, koolstofnanobuisjes en nano-additieven.
• Verwerking met hoge doorvoercapaciteit van masterdispersies van nanomaterialen.
• Integratie in productielijnen voor cementtoevoegingen of droogmengmortel.
• Parallelle werking van ultrasone reactoren voor een grotere capaciteit.
• Robuuste productieomgevingen die 24 uur per dag, 7 dagen per week draaien.
• Procesbesturing en -bewaking voor een constante productkwaliteit.

De industriële systemen van Hielscher zijn ontworpen voor veeleisend continu gebruik, en er zijn krachtige apparaten verkrijgbaar met een vermogen tot 16 kW per apparaat.

Literatuur / Referenties