Nanoversterkte cementmortels met ultrasone dispersie

Ultrasone sonicatie verbetert de dispersie, exfoliatie en deagglomeratie van grafeen, CNT’s en nanomaterialen in cementpasta’s en mortels. Sonicatoren van Hielscher maken formuleringen voor cement met hoge prestaties mogelijk, van R&D tot industriële productie.

Nanoversterkte cementmortels – Betere dispersie en deagglomeratie met sonicatie

Nanoversterkte cementmortels en cementpasta’s bieden een krachtige route naar bouwmaterialen met hoge prestaties. Door nanomaterialen zoals grafeen, grafeenoxide, koolstofnanobuizen (CNT’s), nanosilica, nanoklei of andere functionele vulstoffen toe te voegen, kunnen cementgebonden materialen worden ontwikkeld met verbeterde mechanische sterkte, scheurweerstand, duurzaamheid en elektrische geleidbaarheid, verminderde permeabiliteit en verbeterde prestaties op lange termijn.
Het probleem: Het volledige potentieel van nanomaterialen in cementsystemen wordt alleen bereikt wanneer de deeltjes gelijkmatig zijn gedispergeerd. Grafeenvellen, CNT-bundels en andere nanoadditieven hebben de neiging agglomeraten te vormen door sterke van der Waals-krachten, hoge oppervlakte-energie en verstrengeling. Conventioneel roeren, mengen met een rotor-stator of eenvoudig mengen van poeders slaagt er vaak niet in deze agglomeraten voldoende uiteen te breken. Het resultaat is een slechte verdeling, zwakke plekken in de mortelmatrix, inefficiënt gebruik van dure nanomaterialen en inconsistente materiaaleigenschappen.
De oplossing: Sonicatoren van Hielscher met een sonde bieden een efficiënte, schaalbare en industrieel bewezen oplossing voor de dispersie, exfoliatie, deagglomeratie en functionele verstrengeling van nanomaterialen in cementpasta’s, mortelformuleringen en precursorsuspensies. Hielscher ontwikkelt en produceert ultrasone processoren voor vloeistofverwerking, van haalbaarheidsonderzoek in het laboratorium tot industriële continue productie, met een portfolio dat is ontworpen voor opschaling van compacte laboratoriumsystemen naar industriële apparatuur met hoog vermogen.

Waarom dispersie van nanomaterialen belangrijk is in cementmortels

Nanomaterialen kunnen cementgebonden composieten aanzienlijk verbeteren doordat ze op een zeer kleine lengteschaal met de cementmatrix interageren. Goed gedispergeerd grafeen, CNT’s en andere nanovulstoffen kunnen als kiemvormingsplaatsen fungeren, microscheuren overbruggen, poriestructuren verfijnen en de belastingsoverdracht binnen de verharde matrix verbeteren.
In de praktijk hangen de prestaties minder af van de nominale hoeveelheid toegevoegd nanomateriaal en meer van de dispersiekwaliteit. Een kleine hoeveelheid goed gedispergeerd grafeen of goed gedispergeerde CNT’s kan beter presteren dan een grotere hoeveelheid slecht gedispergeerd materiaal. Agglomeraten gedragen zich als defecten in plaats van als versterking. Ze verminderen de verwerkbaarheid, veroorzaken spanningsconcentraties en beperken het effectieve oppervlak van het additief.
Ultrasone dispersie pakt deze centrale uitdaging bij het formuleren aan. Ultrasoon geluid met hoge intensiteit veroorzaakt door akoestische cavitatie sterke lokale afschuifkrachten, micromenging, schokgolven en vloeistofmicrojets. Deze effecten scheiden gebundelde nanomaterialen, bevochtigen deeltjesoppervlakken en verdelen ze gelijkmatig over de vloeistoffase voordat ze aan cementpoeder, pasta of mortel worden toegevoegd.

Ultrasone deagglomeratie van grafeen, CNT’s en nanoadditieven

Grafeennanoplaatjes, grafeenoxide, gereduceerd grafeenoxide en koolstofnanobuizen zijn bijzonder aantrekkelijk voor geavanceerde cementgebonden materialen. Ze kunnen bijdragen aan treksterkte, buigsterkte, breuktaaiheid, elektrische geleidbaarheid, thermisch gedrag en duurzaamheid. Tegelijkertijd behoren ze tot de moeilijkst te dispergeren additieven.
Ultrasone cavitatie helpt de aantrekkingskrachten tussen structuren op nanoschaal te overwinnen. In een vloeistof die sonicatie ondergaat, zorgen imploderende cavitatiebellen voor een intense lokale energietoevoer. Dit kan deeltjesclusters uiteenbreken, CNT-bundels scheiden, gelaagde materialen exfoliëren en de verdeling van nanovulstoffen verbeteren.

Belangrijke ultrasone effecten bij de productie van nanoversterkte mortel zijn:

• Deagglomeratie: Het afbreken van clusters van grafeen, CNT’s, nanosilica of hybride additieven tot kleinere, uniformere deeltjesverdelingen.
• Dispersie: Het homogeen verdelen van nanomaterialen in water, oplossingen van plastificeerders, mengsels van hulpstoffen of cementgebonden slurries.
• Exfoliatie: Het scheiden van gelaagde materialen zoals grafiet, grafeennanoplaatjes of klei in dunnere vellen 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 hulpstoffen.
• Verstrengeling en netwerkvorming: Het ondersteunen van de vorming van verdeelde netwerken van CNT’s of grafeen die scheuroverbrugging, geleidbaarheid en 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 mortels

De economische en technische waarde van sonicatie is bijzonder groot bij de productie van cement met hoge prestaties. Nanomaterialen zijn vaak duur en hun voordelen hangen af van efficiënt gebruik. Wanneer sonicatie de dispersiekwaliteit verbetert, kunnen ontwikkelaars van formuleringen vaak overdosering verminderen, de reproduceerbaarheid vergroten en betere prestaties per kilogram additief bereiken.

Voor producenten van geavanceerde mortels, reparatiematerialen, prefabonderdelen, 3D-printbare cementgebonden materialen of gespecialiseerde bouwchemicaliën kan ultrasone verwerking bijdragen aan:

• Hogere druk-, buig- en trekprestaties door een verbeterde verdeling van nanovulstoffen.
• Betere scheurweerstand en taaiheid door effectievere microversterking.
• Verminderde permeabiliteit en verbeterde duurzaamheid door verfijning van de poriestructuur.
• Consistentere materiaalkwaliteit van batch tot batch.
• Betere benutting van kostbaar grafeen, CNT’s en andere nanoadditieven.
• Snellere screening van formuleringen en procesoptimalisatie.
• Schaalbare productie, van ontwikkeling in het laboratorium tot continue industriële verwerking.
• Betere beheersing van procesparameters zoals amplitude, energietoevoer, debiet, temperatuur en verblijftijd.

Sonicatoren van Hielscher zijn ontworpen voor meetbare en reproduceerbare energieoverdracht naar vloeistoffen, suspensies en slurries. Hetzelfde fundamentele sonicatiemechanisme kan in verschillende vermogensklassen worden gebruikt, waardoor klanten procesparameters op kleine schaal kunnen ontwikkelen en deze vervolgens kunnen overdragen naar grotere tafelmodellen, pilotsystemen of industriële systemen.

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

Sonicatie vóór toevoeging van cement: de voorkeursroute voor het proces

Voor veel formuleringen van nanoversterkt cement is de effectiefste aanpak om het nanomateriaal eerst in de vloeistoffase te dispergeren. Dit kan water, een oplossing van een superplastificeerder, een dispergeermiddel met oppervlakteactieve stoffen, een polymeerhulpstof, silicasol of een andere vloeibare component van de mortelformulering zijn.
Een typische ultrasone procesroute is:

1. Voeg grafeen, CNT’s of andere nanomaterialen toe aan de vloeistoffase.
2. Bevochtig het poeder of de nanovulstof vooraf onder matig mengen.
3. Pas ultrasone sonicatie met hoge intensiteit toe om het materiaal te deagglomereren en te dispergeren.
4. Regel de temperatuur indien nodig.
5. Voeg de met sonicatie behandelde nanodispersie toe aan cement, zand en andere mortelcomponenten.
6. Meng tot de uiteindelijke consistentie van de pasta of mortel.

Deze route maakt een betere beheersing mogelijk dan het droog mengen van nanodeeltjes met cementpoeder. Ook vergroot deze route de kans dat de nanomaterialen al gescheiden, bevochtigd en gelijkmatig verdeeld zijn voordat hydratatie en binding beginnen.

Economische voordelen voor de productie van cement met hoge prestaties

Nanoadditieven kunnen kostbaar zijn en het gebruik ervan moet worden gerechtvaardigd door meetbare prestatieverbeteringen. Slechte dispersie verspilt materiaal. Geagglomereerd grafeen of geagglomereerde CNT’s verhogen de kosten van de formulering zonder de verwachte versterking te leveren. Ultrasone dispersie verbetert daarentegen de effectieve benutting van nanomaterialen.
De economische voordelen zijn onder meer:

• Minder verspilling van additieven: Een groter deel van het nanomateriaal draagt bij aan de prestaties in plaats van opgesloten te blijven in agglomeraten.
• Minder risico bij formuleringen: Consistente dispersie vermindert het aantal mislukte batches en instabiele testresultaten.
• Snellere R&D-cycli: Formuleringen kunnen worden gescreend met gecontroleerde sonicatieparameters.
• Verbeterde opschaling: Procesparameters kunnen van haalbaarheidstests worden overgedragen naar industriële apparatuur.
• Producten met een hogere waarde: Sterkere, duurzamere en functionele mortels ondersteunen hoogwaardige toepassingen.
• Potentieel voor continue productie: Inline sonicatie maakt verwerking met hoge capaciteit mogelijk voor commerciële productie.

Voor fabrikanten ligt de belangrijkste waarde niet alleen in een betere dispersiekwaliteit. Het gaat om de mogelijkheid om nanoversterkt cement van een laboratoriumconcept om te zetten in een gecontroleerd, schaalbaar productieproces.

Van formulering in het laboratorium tot industriële cementproductie

Een groot voordeel van de ultrasone technologie van Hielscher is de praktische route voor opschaling. Formuleringen van nanoversterkt cement kunnen met tafelmodellen worden ontwikkeld en vervolgens naar grotere systemen worden overgedragen zonder het fundamentele verwerkingsprincipe te veranderen. In plaats van het dispersieproces voor de productie opnieuw te ontwikkelen, kunnen fabrikanten het ultrasone vermogen, de geometrie van de doorstroomcel, de verblijftijd en de reactorconfiguratie opschalen.
Dit vermindert technische risico’s. Het verkort ook de route van succesvolle mortelmonsters naar commerciële cementproducten met hoge prestaties.

Een typische werkwijze voor opschaling omvat:

1. Definieer de beoogde mortelprestaties en het nanomateriaalsysteem.
2. Screen grafeen, CNT’s, nanosilica of hybride additieven.
3. Bepaal de vereiste sonicatie-intensiteit en energietoevoer.
4. Optimaliseer dispersiemedia, hulpstoffen en temperatuurregeling.
5. Produceer testbatches met systemen van het type UIP1000hdT of UIP2000hdT.
6. Valideer morteleigenschappen zoals sterkte, verwerkbaarheid en duurzaamheid.
7. Draag het proces voor productie over naar clusters van UIP6000hdT of UIP16000hdT.
8. Integreer inline sonicatie in continue productie.

Cement met hoge prestaties vereist hoogwaardige dispersie

De toekomst van cementtechnologie is niet alleen gebaseerd op nieuwe bindmiddelchemie. Ze hangt ook af van een betere beheersing van de microstructuur, functionele additieven en verwerking. Nanomaterialen zoals grafeen en CNT’s kunnen helpen om sterkere, taaiere, slimmere en duurzamere cementgebonden materialen te produceren. Daarvoor is echter betrouwbare dispersie vereist.
Sonicatoren van Hielscher bieden cementproducenten, fabrikanten van bouwchemicaliën en onderzoeksinstituten een schaalbaar hulpmiddel voor de verwerking van nanoadditieven. Van de eerste formulering tot inline productie met hoge verwerkingscapaciteit verbetert sonicatie de dispersie, exfoliatie, deagglomeratie en functionele structurering van nanomaterialen in cementpasta’s en mortels.
Voor de productie van cement met hoge prestaties biedt ultrasone verwerking een duidelijk voordeel: betere materiaalprestaties, efficiënter gebruik van dure nanoadditieven en een directe route van succes in het laboratorium naar industriële productie.

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de verwerkingscapaciteit bij benadering van onze sonicatoren:

Sonicatoren van Hielscher voor onderzoek, haalbaarheidstests en productie

Hielscher biedt ultrasone processoren in vermogensklassen voor laboratoria, tafelmodellen, pilotinstallaties en industriële toepassingen. Dit is essentieel voor ontwikkelaars van cement en mortel, omdat nanoversterkte formuleringen vaak verschillende fasen moeten doorlopen: initiële materiaalscreening, ontwikkeling van dispersieparameters, morteltests, pilotbatches en industriële productie.
Het portfolio van Hielscher is opgebouwd rond schaalbare ultrasone verwerking, met systemen voor ontwikkeling in het laboratorium, tests op pilotschaal en met tafelmodellen, zware industriële bedrijfsomstandigheden en continue inline productie met doorstroomcellen en reactoren.

UIP1000hdT en UIP2000hdT voor onderzoek met tafelmodellen en haalbaarheidstests

De UIP1000hdT en UIP2000hdT zijn krachtige ultrasone tafelprocessoren voor de ontwikkeling van formuleringen, haalbaarheidsstudies en verwerking op middelgrote schaal. Ze zijn zeer geschikt voor de ontwikkeling van formuleringen van nanoversterkt cement waarbij onderzoekers het type nanomateriaal, de concentratie, de chemie van het dispergeermiddel, de sonicatie-intensiteit, de verwerkingstijd en de temperatuurregeling moeten testen.

Deze systemen zijn ideaal voor:

• Dispersie van grafeen en CNT’s in water of oplossingen van hulpstoffen.
• Haalbaarheidstests van nanoversterkte cementpasta’s.
• Optimalisatie van de energietoevoer bij sonicatie.
• Bereiding van reproduceerbare testbatches.
• Ontwikkeling van mortelformuleringen met hoge prestaties.
• Kleinschalige continue verwerking met opstellingen met doorstroomcellen.
• Validatie van opschaling vóór industriële productie.

Voor R&D-teams bieden de UIP1000hdT en UIP2000hdT de procesintensiteit die nodig is voor veeleisende nanomaterialen, terwijl de opstelling praktisch blijft voor laboratoria, technische centra en pilotomgevingen.

Ultrasone exfoliatie van grafeen

Clusters van UIP6000hdT en UIP16000hdT voor productie met hoge verwerkingscapaciteit

Voor productie op commerciële schaal van nanoversterkte cementadditieven, nanodispersies of mortelcomponenten met hoge prestaties kunnen industriële sonicatoren van Hielscher zoals de UIP6000hdT en UIP16000hdT in clusters worden geconfigureerd voor continue verwerking met hoge capaciteit.
Clusters van eenheden van het type UIP6000hdT of UIP16000hdT stellen fabrikanten in staat de verwerkingscapaciteit te vergroten terwijl de ultrasone energietoevoer gecontroleerd blijft. Deze modulaire aanpak is bijzonder nuttig wanneer productievolumes toenemen van pilotschaal naar volledige productieschaal.

Industriële configuraties ondersteunen:

• Continue inline dispersie van grafeen, CNT’s en nanoadditieven.
• Verwerking van geconcentreerde basisdispersies van nanomaterialen met hoge capaciteit.
• Integratie in productielijnen voor cementhulpstoffen of droge mortelmengsels.
• Parallelle werking van ultrasone reactoren voor een hogere capaciteit.
• Robuuste productieomgevingen voor 24/7-bedrijf.
• Procesregeling en bewaking voor een consistente productkwaliteit.

De industriële systemen van Hielscher zijn bedoeld voor veeleisend continu bedrijf en eenheden met hoog vermogen zijn beschikbaar tot 16 kW per apparaat.

Literatuur / Referenties

• 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.