Zaprawy cementowe wzmacniane nanomateriałami dzięki dyspersji ultradźwiękowej

Sonikacja ultradźwiękowa poprawia dyspersję, eksfoliację i deaglomerację grafenu, CNT i nanomateriałów w zaczynach i zaprawach cementowych. Sonikatory Hielscher umożliwiają opracowywanie receptur cementu o wysokich parametrach użytkowych – od prac badawczo-rozwojowych po produkcję przemysłową.

Zaprawy cementowe wzmacniane nanomateriałami – lepsza dyspersja i deaglomeracja dzięki sonikacji

Zaprawy i zaczyny cementowe wzmacniane nanomateriałami stanowią skuteczną drogę do uzyskania materiałów budowlanych o wysokich parametrach użytkowych. Wprowadzając nanomateriały, takie jak grafen, tlenek grafenu, nanorurki węglowe (CNT), nanokrzemionka, nanoglinki lub inne wypełniacze funkcjonalne, można projektować materiały na bazie cementu o zwiększonej wytrzymałości mechanicznej, odporności na pękanie, trwałości i przewodności elektrycznej, zmniejszonej przepuszczalności oraz lepszych długoterminowych parametrach użytkowych.
Problem: Pełny potencjał nanomateriałów w układach cementowych można wykorzystać tylko wtedy, gdy cząstki są równomiernie zdyspergowane. Arkusze grafenu, wiązki CNT i inne nanododatki mają tendencję do tworzenia aglomeratów wskutek silnych oddziaływań van der Waalsa, wysokiej energii powierzchniowej i splątania. Konwencjonalne mieszanie, mieszanie w układzie rotor–stator lub zwykłe mieszanie proszków często nie rozbija tych aglomeratów w wystarczającym stopniu. Skutkiem jest nierównomierne rozmieszczenie, osłabione miejsca w matrycy zaprawy, nieefektywne wykorzystanie drogich nanomateriałów i niejednorodne właściwości materiału.
Rozwiązanie: Sonikatory Hielscher z sonotrodą zapewniają wydajne, skalowalne i sprawdzone przemysłowo rozwiązanie do dyspersji, eksfoliacji, deaglomeracji i funkcjonalnego splatania nanomateriałów w zaczynach cementowych, recepturach zapraw i zawiesinach prekursorów. Hielscher opracowuje i produkuje procesory ultradźwiękowe do obróbki cieczy – od laboratoryjnych badań wykonalności po ciągłą produkcję przemysłową – oferując gamę urządzeń zaprojektowanych do zwiększania skali od kompaktowych układów laboratoryjnych do urządzeń przemysłowych dużej mocy.

Dlaczego dyspersja nanomateriałów ma znaczenie w zaprawach cementowych

Nanomateriały mogą znacząco poprawić właściwości kompozytów na bazie cementu, ponieważ oddziałują z matrycą cementową w bardzo małej skali długości. Odpowiednio zdyspergowany grafen, CNT i inne nanowypełniacze mogą pełnić funkcję miejsc zarodkowania, mostkować mikropęknięcia, uszlachetniać strukturę porów i poprawiać przenoszenie obciążeń w stwardniałej matrycy.
W praktyce parametry użytkowe zależą w mniejszym stopniu od nominalnej ilości dodanego nanomateriału, a w większym od jakości dyspersji. Niewielka ilość dobrze zdyspergowanego grafenu lub CNT może zapewnić lepsze parametry niż większa ilość słabo zdyspergowanego materiału. Aglomeraty działają jak defekty zamiast wzmocnienia. Pogarszają urabialność, powodują koncentrację naprężeń i ograniczają efektywną powierzchnię dodatku.
Dyspersja ultradźwiękowa odpowiada na to kluczowe wyzwanie związane z opracowywaniem receptur. Ultradźwięki o wysokiej intensywności wywołują silne, lokalne siły ścinające, mikromieszanie, fale uderzeniowe i mikrostrugi cieczy poprzez kawitację akustyczną. Efekty te rozdzielają nanomateriały skupione w wiązki, zwilżają powierzchnie cząstek i rozprowadzają je równomiernie w całej fazie ciekłej przed wprowadzeniem do cementu w proszku, zaczynu lub zaprawy.

Ultradźwiękowa deaglomeracja grafenu, CNT i nanododatków

Nanopłytki grafenu, tlenek grafenu, zredukowany tlenek grafenu i nanorurki węglowe są szczególnie atrakcyjne dla zaawansowanych materiałów na bazie cementu. Mogą poprawiać wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość na zginanie, odporność na pękanie, przewodność elektryczną, właściwości cieplne i trwałość. Jednocześnie należą do dodatków najtrudniejszych do zdyspergowania.
Kawitacja ultradźwiękowa pomaga pokonać siły przyciągania między strukturami w nanoskali. W cieczy poddawanej sonikacji zapadające się pęcherzyki kawitacyjne generują intensywny lokalny dopływ energii. Może to rozbijać skupiska cząstek, rozdzielać wiązki CNT, powodować eksfoliację materiałów warstwowych i poprawiać rozmieszczenie nanowypełniaczy.

Do kluczowych efektów działania ultradźwięków w produkcji zapraw wzmacnianych nanomateriałami należą:

• Deaglomeracja: Rozbijanie skupisk grafenu, CNT, nanokrzemionki lub dodatków hybrydowych w celu uzyskania mniejszych cząstek o bardziej jednorodnym rozkładzie wielkości.
• Dyspersja: Jednorodne rozprowadzanie nanomateriałów w wodzie, roztworach plastyfikatorów, mieszaninach domieszek lub zawiesinach na bazie cementu.
• Eksfoliacja: Rozdzielanie materiałów warstwowych, takich jak grafit, nanopłytki grafenu lub glinki, na cieńsze arkusze o większej powierzchni aktywnej.
• Zwilżanie i aktywacja: Poprawa kontaktu cieczy z powierzchniami nanomateriałów w celu lepszego oddziaływania z hydratami cementu i domieszkami.
• Splatanie i tworzenie sieci: Wspomaganie tworzenia rozprowadzonych sieci CNT lub grafenu, które mogą poprawiać mostkowanie pęknięć, przewodność i funkcjonalność strukturalną.
• Odtwarzalność: Tworzenie kontrolowanych warunków procesu zapewniających powtarzalność receptur od prób laboratoryjnych po skalę produkcyjną.

Zalety dyspersji ultradźwiękowej w zaczynach i zaprawach cementowych

Wartość ekonomiczna i techniczna sonikacji jest szczególnie duża w produkcji cementu o wysokich parametrach użytkowych. Nanomateriały są często drogie, a korzyści z ich stosowania zależą od efektywnego wykorzystania. Gdy sonikacja poprawia jakość dyspersji, osoby opracowujące receptury mogą często ograniczyć nadmierne dozowanie, zwiększyć odtwarzalność i uzyskać lepsze parametry w przeliczeniu na kilogram dodatku.

W przypadku producentów zaawansowanych zapraw, materiałów naprawczych, elementów prefabrykowanych, materiałów na bazie cementu przeznaczonych do druku 3D lub specjalistycznej chemii budowlanej obróbka ultradźwiękowa może wspierać:

• Wyższą wytrzymałość na ściskanie, zginanie i rozciąganie dzięki lepszemu rozmieszczeniu nanowypełniaczy.
• Lepszą odporność na pękanie i większą zdolność pochłaniania energii przed zniszczeniem dzięki skuteczniejszemu mikrozbrojeniu.
• Zmniejszoną przepuszczalność i większą trwałość dzięki uszlachetnieniu struktury porów.
• Bardziej powtarzalną jakość materiału między partiami.
• Lepsze wykorzystanie kosztownego grafenu, CNT i innych nanododatków.
• Szybszą wstępną ocenę receptur i optymalizację procesu.
• Skalowalną produkcję od prac rozwojowych w laboratorium po ciągłą obróbkę przemysłową.
• Lepszą kontrolę parametrów procesu, takich jak amplituda, dopływ energii, natężenie przepływu, temperatura i czas przebywania.

Sonikatory Hielscher są zaprojektowane do mierzalnego i odtwarzalnego przekazywania energii do cieczy, zawiesin i szlamów. Ten sam podstawowy mechanizm sonikacji może być stosowany w różnych klasach mocy, umożliwiając klientom opracowanie parametrów procesu w małej skali, a następnie przeniesienie ich do większych układów stołowych, pilotażowych lub przemysłowych.

Termogramy w podczerwieni zaczynu cementowego modyfikowanego nanomateriałami, wzmocnionego (a) CNT i (b) GNP. CNT i grafen zdyspergowano za pomocą sonikatora UP400S.
Badanie i wykresy: ©Farmaki et al., 2025

Sonikacja przed dodaniem cementu: preferowany przebieg procesu

W przypadku wielu receptur cementu wzmacnianego nanomateriałami najskuteczniejszym podejściem jest najpierw zdyspergowanie nanomateriału w fazie ciekłej. Może to być woda, roztwór superplastyfikatora, środek dyspergujący zawierający substancję powierzchniowo czynną, domieszka polimerowa, zol krzemionkowy lub inny ciekły składnik receptury zaprawy.
Typowy przebieg procesu ultradźwiękowego jest następujący:

1. Dodaj grafen, CNT lub inne nanomateriały do fazy ciekłej.
2. Wstępnie zwilż proszek lub nanowypełniacz, stosując umiarkowane mieszanie.
3. Zastosuj sonikację ultradźwiękową o wysokiej intensywności w celu deaglomeracji i zdyspergowania materiału.
4. Kontroluj temperaturę, jeśli jest to wymagane.
5. Dodaj nanodyspersję poddaną sonikacji do cementu, piasku i pozostałych składników zaprawy.
6. Mieszaj do uzyskania końcowej konsystencji zaczynu lub zaprawy.

Ten przebieg procesu umożliwia lepszą kontrolę niż mieszanie nanocząstek na sucho z cementem w proszku. Zwiększa również prawdopodobieństwo, że nanomateriały są już rozdzielone, zwilżone i równomiernie rozmieszczone przed rozpoczęciem hydratacji i wiązania.

Korzyści ekonomiczne w produkcji cementu o wysokich parametrach użytkowych

Nanododatki mogą być kosztowne, a ich stosowanie musi być uzasadnione mierzalną poprawą parametrów użytkowych. Słaba dyspersja prowadzi do marnowania materiału. Zaglomerowany grafen lub CNT zwiększają koszt receptury bez zapewnienia oczekiwanego wzmocnienia. Natomiast dyspersja ultradźwiękowa poprawia efektywne wykorzystanie nanomateriałów.
Korzyści ekonomiczne obejmują:

• Mniejsze straty dodatków: Większa część nanomateriału przyczynia się do poprawy parametrów użytkowych, zamiast pozostawać uwięziona w aglomeratach.
• Mniejsze ryzyko związane z recepturą: Powtarzalna dyspersja ogranicza liczbę nieudanych partii i niestabilność wyników badań.
• Szybsze cykle badawczo-rozwojowe: Receptury można poddawać wstępnej ocenie przy kontrolowanych parametrach sonikacji.
• Lepsze zwiększanie skali: Parametry procesu można przenosić z badań wykonalności na urządzenia przemysłowe.
• Produkty o wyższej wartości: Zaprawy o większej wytrzymałości, trwałości i funkcjonalności umożliwiają zastosowania klasy premium.
• Możliwość produkcji ciągłej: Sonikacja w linii umożliwia obróbkę z wysoką wydajnością na potrzeby produkcji komercyjnej.

Dla producentów kluczową wartością jest nie tylko lepsza jakość dyspersji. Jest nią możliwość przekształcenia cementu wzmacnianego nanomateriałami z koncepcji laboratoryjnej w kontrolowany, skalowalny proces produkcyjny.

Od opracowywania receptur w laboratorium do przemysłowej produkcji cementu

Istotną zaletą technologii ultradźwiękowej Hielscher jest praktyczna droga zwiększania skali. Receptury cementu wzmacnianego nanomateriałami można opracowywać w skali urządzeń stołowych, a następnie przenosić do większych układów bez zmiany podstawowej zasady obróbki. Zamiast opracowywać proces dyspersji na nowo na potrzeby produkcji, producenci mogą skalować moc ultradźwięków, geometrię komory przepływowej, czas przebywania i konfigurację reaktora.
Ogranicza to ryzyko techniczne. Skraca również drogę od udanych próbek zaprawy do komercyjnych produktów cementowych o wysokich parametrach użytkowych.

Typowy przebieg zwiększania skali obejmuje:

1. Określ docelowe parametry użytkowe zaprawy i układ nanomateriałów.
2. Przeprowadź wstępną ocenę dodatków grafenowych, CNT, nanokrzemionki lub dodatków hybrydowych.
3. Określ wymaganą intensywność sonikacji i dopływ energii.
4. Zoptymalizuj media dyspersyjne, domieszki i kontrolę temperatury.
5. Wyprodukuj partie testowe za pomocą układów UIP1000hdT lub UIP2000hdT.
6. Zweryfikuj właściwości zaprawy, takie jak wytrzymałość, urabialność i trwałość.
7. Przenieś proces na zespoły urządzeń UIP6000hdT lub UIP16000hdT na potrzeby produkcji.
8. Zintegruj sonikację w linii z produkcją ciągłą.

Cement o wysokich parametrach użytkowych wymaga wysokiej jakości dyspersji

Przyszłość technologii cementu nie opiera się wyłącznie na nowej chemii spoiw. Zależy również od lepszej kontroli mikrostruktury, dodatków funkcjonalnych i obróbki. Nanomateriały, takie jak grafen i CNT, mogą pomóc w wytwarzaniu materiałów na bazie cementu o większej wytrzymałości, większej zdolności pochłaniania energii przed zniszczeniem, inteligentniejszych funkcjach i większej trwałości. Wymaga to jednak niezawodnej dyspersji.
Sonikatory Hielscher zapewniają producentom cementu, producentom chemii budowlanej i instytutom badawczym skalowalne narzędzie do obróbki nanododatków. Od wczesnych etapów opracowywania receptur po produkcję w linii z wysoką wydajnością sonikacja poprawia dyspersję, eksfoliację, deaglomerację i funkcjonalne kształtowanie struktury nanomateriałów w zaczynach i zaprawach cementowych.
W produkcji cementu o wysokich parametrach użytkowych obróbka ultradźwiękowa zapewnia wyraźną korzyść: lepsze parametry użytkowe materiału, efektywniejsze wykorzystanie drogich nanododatków i bezpośrednią drogę od sukcesu laboratoryjnego do produkcji przemysłowej.

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Sonikatory Hielscher do badań, testów wykonalności i produkcji

Hielscher oferuje procesory ultradźwiękowe w klasach mocy odpowiadających urządzeniom laboratoryjnym, stołowym, pilotażowym i przemysłowym. Ma to zasadnicze znaczenie dla osób opracowujących cementy i zaprawy, ponieważ receptury wzmacniane nanomateriałami często muszą przejść kilka etapów: wstępną ocenę materiałów, opracowanie parametrów dyspersji, badania zapraw, partie pilotażowe i produkcję przemysłową.
Oferta Hielscher opiera się na skalowalnej obróbce ultradźwiękowej i obejmuje układy do prac rozwojowych w laboratorium, testów pilotażowych i stołowych, intensywnej eksploatacji przemysłowej oraz ciągłej produkcji w linii z użyciem komór przepływowych i reaktorów.

UIP1000hdT i UIP2000hdT do badań z użyciem urządzeń stołowych i testów wykonalności

UIP1000hdT i UIP2000hdT to wydajne stołowe procesory ultradźwiękowe do opracowywania receptur, badań wykonalności i obróbki w średniej skali. Dobrze nadają się do opracowywania receptur cementu wzmacnianego nanomateriałami, w których badacze muszą testować rodzaj nanomateriału, stężenie, skład chemiczny środka dyspergującego, intensywność sonikacji, czas obróbki i kontrolę temperatury.

Układy te idealnie nadają się do:

• Dyspersji grafenu i CNT w wodzie lub roztworach domieszek.
• Badań wykonalności dotyczących zaczynów cementowych wzmacnianych nanomateriałami.
• Optymalizacji dopływu energii sonikacji.
• Przygotowywania odtwarzalnych partii testowych.
• Opracowywania receptur zapraw o wysokich parametrach użytkowych.
• Ciągłej obróbki w małej skali z użyciem układów z komorami przepływowymi.
• Walidacji zwiększania skali przed produkcją przemysłową.

Zespołom badawczo-rozwojowym UIP1000hdT i UIP2000hdT zapewniają intensywność procesu wymaganą dla nanomateriałów trudnych w obróbce, przy zachowaniu praktycznej konfiguracji do pracy w laboratoriach, centrach technicznych i instalacjach pilotażowych.

Ultradźwiękowa eksfoliacja grafenu

Zespoły urządzeń UIP6000hdT i UIP16000hdT do produkcji z wysoką wydajnością

Na potrzeby produkcji w skali komercyjnej dodatków do cementu wzmacnianego nanomateriałami, nanodyspersji lub składników zapraw o wysokich parametrach użytkowych przemysłowe sonikatory Hielscher, takie jak UIP6000hdT i UIP16000hdT, można konfigurować w zespoły do ciągłej obróbki z wysoką wydajnością.
Zespoły urządzeń UIP6000hdT lub UIP16000hdT umożliwiają producentom zwiększanie wydajności przetwarzania przy zachowaniu kontrolowanego dopływu energii ultradźwiękowej. To podejście modułowe jest szczególnie przydatne, gdy wielkość produkcji wzrasta od skali pilotażowej do produkcji w pełnej skali.

Konfiguracje przemysłowe wspierają:

• Ciągłą dyspersję grafenu, CNT i nanododatków w linii.
• Przetwarzanie koncentratów dyspersyjnych nanomateriałów z wysoką wydajnością.
• Integrację z liniami produkcyjnymi domieszek do cementu lub suchych mieszanek zapraw.
• Równoległą pracę reaktorów ultradźwiękowych w celu zwiększenia wydajności.
• Niezawodną pracę w środowiskach produkcyjnych 24/7.
• Kontrolę i monitorowanie procesu zapewniające powtarzalną jakość produktu.

Układy przemysłowe Hielscher są przeznaczone do wymagającej pracy ciągłej, a urządzenia dużej mocy są dostępne z mocą do 16 kW na urządzenie.

Literatura / źródła

• 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.