Argamassas de cimento reforçadas com nanomateriais através de dispersão por ultrassons

A sonicação ultrassónica melhora a dispersão, a esfoliação e a desaglomeração do grafeno, dos CNTs e dos nanomateriais em pastas de cimento e argamassas. Os sonificadores da Hielscher permitem a formulação de cimentos de alto desempenho a partir de R&D à produção industrial.

Argamassas de cimento reforçadas com nanomateriais – Melhor dispersão e desaglomeração com sonicação

As argamassas e pastas de cimento reforçadas com nanomateriais representam uma via promissora para o desenvolvimento de materiais de construção de alto desempenho. Através da incorporação de nanomateriais, tais como grafeno, óxido de grafeno, nanotubos de carbono (CNTs), nanosílica, nanoargilas ou outros enchimentos funcionais, os materiais cimentícios podem ser concebidos para apresentar maior resistência mecânica, resistência à fissuração, durabilidade, condutividade elétrica, menor permeabilidade e melhor desempenho a longo prazo.
O problema: O pleno potencial dos nanomateriais nos sistemas de cimento só é alcançado quando as partículas estão dispersas de forma uniforme. As folhas de grafeno, os feixes de CNT e outros nanoaditivos tendem a formar aglomerados devido às fortes forças de van der Waals, à elevada energia superficial e ao emaranhamento. A agitação convencional, a mistura rotor-estator ou a simples mistura de pós muitas vezes não conseguem quebrar estes aglomerados de forma suficiente. O resultado é uma má distribuição, pontos fracos na matriz da argamassa, utilização ineficiente de nanomateriais dispendiosos e propriedades inconsistentes do material.
A solução: Os ultrassonificadores do tipo sonda da Hielscher proporcionam uma solução eficiente, escalável e comprovada industrialmente para a dispersão, esfoliação, desaglomeração e entrelaçamento funcional de nanomateriais em pastas de cimento, formulações de argamassa e suspensões de precursores. A Hielscher desenvolve e fabrica processadores ultrassónicos para o tratamento de líquidos, desde estudos de viabilidade em laboratório até à produção industrial contínua, com um portfólio concebido para o aumento de escala, desde sistemas laboratoriais compactos até equipamento industrial de alta potência.

Por que razão a dispersão dos nanomateriais é importante nas argamassas de cimento

Os nanomateriais podem melhorar significativamente os compósitos cimentícios, uma vez que interagem com a matriz de cimento numa escala de comprimento muito pequena. O grafeno, os CNTs e outros nanocomplementos, quando devidamente dispersos, podem atuar como pontos de nucleação, colmatar microfissuras, refinar as estruturas porosas e melhorar a transferência de carga no interior da matriz endurecida.
Na prática, o desempenho depende menos da quantidade nominal de nanomaterial adicionado e mais da qualidade da dispersão. Uma pequena quantidade de grafeno ou de CNTs bem dispersos pode apresentar um desempenho superior ao de uma quantidade maior de material mal disperso. Os aglomerados comportam-se como defeitos, em vez de reforço. Reduzem a trabalhabilidade, criam concentrações de tensão e limitam a área superficial efetiva do aditivo.
A dispersão por ultrassons dá resposta a este desafio central da formulação. O ultrassom de alta intensidade gera fortes forças de cisalhamento localizadas, micromistura, ondas de choque e microjatos de líquido através da cavitação acústica. Estes efeitos separam os nanomateriais aglomerados, humedecem as superfícies das partículas e distribuem-nas uniformemente por toda a fase líquida antes de serem incorporadas no cimento em pó, na pasta ou na argamassa.

Desaglomeração por ultrassons de grafeno, nanotubos de carbono e nano-aditivos

As nanoplacas de grafeno, o óxido de grafeno, o óxido de grafeno reduzido e os nanotubos de carbono são especialmente interessantes para materiais cimentícios avançados. Podem contribuir para a resistência à tração, a resistência à flexão, a tenacidade à fratura, a condutividade elétrica, o comportamento térmico e a durabilidade. Ao mesmo tempo, estão entre os aditivos mais difíceis de dispersar.
A cavitação ultrassónica ajuda a superar as forças de atração entre estruturas à escala nanométrica. Num líquido submetido a sonicação, o colapso das bolhas de cavitação gera um intenso aporte de energia local. Isto permite desagregar aglomerados de partículas, separar feixes de CNT, esfoliar materiais em camadas e melhorar a distribuição dos nanocomponentes de enchimento.

Os principais efeitos ultrassónicos na produção de argamassa nano-reforçada incluem:

• Desaglomeração: Decompor aglomerados de grafeno, nanotubos de carbono (CNTs), nanosílica ou aditivos híbridos em distribuições de partículas mais pequenas e mais uniformes.
• Dispersão: Distribuição homogénea de nanomateriais em água, soluções de plastificantes, misturas de aditivos ou pastas cimentícias.
• Esfoliação: Separar materiais em camadas, tais como grafite, nanoplacas de grafeno ou argilas, em folhas mais finas com maior área de superfície ativa.
• Humedecimento e ativação: Melhorar o contacto do líquido com as superfícies dos nanomateriais, para uma melhor interação com os hidratos de cimento e os aditivos.
• Entrelaciamento e formação de redes: Apoiar a formação de redes distribuídas de CNT ou grafeno, capazes de melhorar a capacidade de ponteamento de fissuras, a condutividade e a funcionalidade estrutural.
• Reprodutibilidade: Criação de condições de processo controladas para formulações consistentes, desde os ensaios laboratoriais até à escala de produção.

Vantagens da dispersão ultrassónica em pastas de cimento e argamassas

O valor económico e técnico da sonicação é particularmente significativo na produção de cimento de alto desempenho. Os nanomateriais são frequentemente dispendiosos e os seus benefícios dependem da sua utilização eficiente. Quando a sonicação melhora a qualidade da dispersão, os formuladores conseguem, muitas vezes, reduzir a sobredosagem, aumentar a reprodutibilidade e obter um melhor desempenho por quilograma de aditivo.

Para os fabricantes de argamassas avançadas, materiais de reparação, componentes pré-fabricados, materiais cimentícios imprimíveis em 3D ou produtos químicos especializados para a construção, o processamento por ultrassons pode contribuir para:

• Melhor desempenho em termos de resistência à compressão, à flexão e à tração, graças a uma melhor distribuição dos nanocomponentes.
• Maior resistência à fissuração e tenacidade, graças a um micro-reforço mais eficaz.
• Permeabilidade reduzida e maior durabilidade, graças ao aperfeiçoamento da estrutura dos poros.
• Qualidade do material mais consistente de lote para lote.
• Melhor utilização do grafeno, dos CNTs e de outros nano-aditivos, que são materiais dispendiosos.
• Triagem mais rápida de formulações e otimização de processos.
• Produção escalável, desde o desenvolvimento em laboratório até ao processamento industrial contínuo.
• Melhor controlo dos parâmetros do processo, tais como amplitude, energia aplicada, caudal, temperatura e tempo de permanência.

Os ultrassonificadores da Hielscher foram concebidos para uma transferência de energia mensurável e reprodutível para líquidos, suspensões e pastas. O mesmo mecanismo central de sonicação pode ser utilizado em todas as classes de potência, permitindo aos clientes desenvolver parâmetros de processo em pequena escala e, posteriormente, transferi-los para sistemas de bancada, piloto ou industriais de maior dimensão.

Termografias de infravermelhos de pasta de cimento nanomodificada reforçada com (a) CNTs e (b) GNPs. Os CNTs e o grafeno foram dispersos com o sonicador UP400S.
Estudo e gráficos: ©Farmaki et al., 2025

Sonicação antes da adição de cimento: o processo preferido

Para muitas formulações de cimento reforçado com nanomateriais, a abordagem mais eficaz consiste em dispersar primeiro o nanomaterial na fase líquida. Esta pode ser água, uma solução de superplastificante, um dispersante contendo surfactante, um aditivo polimérico, um sol de sílica ou outro componente líquido da formulação da argamassa.
Um fluxo de processo ultrassónico típico é o seguinte:

1. Adicione grafeno, CNTs ou outros nanomateriais à fase líquida.
2. Humedeça previamente o pó ou o nanoenchimento, agitando moderadamente.
3. Aplique ultrassons de alta intensidade para desaglomerar e dispersar o material.
4. Regule a temperatura, se necessário.
5. Adicione a nanodispersão sonicada ao cimento, à areia e a outros componentes da argamassa.
6. Misture até obter uma pasta ou argamassa com a consistência final.

Este método permite um melhor controlo do que a mistura a seco de nanopartículas no cimento em pó. Além disso, aumenta a probabilidade de os nanomateriais já se encontrarem separados, humedecidos e distribuídos uniformemente antes do início da hidratação e da presa.

Benefícios económicos para a produção de cimento de alto desempenho

Os nano-aditivos podem ser dispendiosos, e a sua utilização deve ser justificada por ganhos de desempenho mensuráveis. Uma dispersão deficiente desperdiça material. O grafeno ou os CNTs aglomerados aumentam o custo da formulação sem proporcionar o reforço esperado. Em contrapartida, a dispersão ultrassónica melhora a utilização eficaz dos nanomateriais.
Os benefícios económicos incluem:

• Menos resíduos de aditivos: Uma maior quantidade do nanomaterial contribui para o desempenho, em vez de ficar retida em aglomerados.
• Risco reduzido associado à formulação: Uma dispersão consistente reduz o número de lotes com falhas e os resultados de ensaio instáveis.
• R mais rápido&D ciclos: As formulações podem ser analisadas com parâmetros de sonicação controlados.
• Melhoria na ampliação da produção: Os parâmetros do processo podem ser transferidos dos ensaios de viabilidade para o equipamento industrial.
• Produtos de maior valor: As argamassas mais resistentes, duradouras e funcionais são ideais para aplicações de alta qualidade.
• Potencial de produção contínua: A sonicação em linha permite um processamento de alto rendimento para a produção comercial.

Para os fabricantes, o principal valor não reside apenas numa melhor qualidade de dispersão. Trata-se da capacidade de transformar o cimento reforçado com nanopartículas de um conceito laboratorial num processo de produção controlado e escalável.

Da formulação em laboratório à produção industrial de cimento

Uma das principais vantagens da tecnologia ultrassónica da Hielscher é o percurso prático de aumento de escala. As formulações de cimento reforçado com nanomateriais podem ser desenvolvidas à escala de laboratório e, posteriormente, transferidas para sistemas de maior dimensão sem alterar o princípio fundamental do processo. Em vez de reinventarem o processo de dispersão para a produção, os fabricantes podem ajustar a potência ultrassónica, a geometria da célula de fluxo, o tempo de residência e a configuração do reator.
Isto reduz o risco técnico. Além disso, encurta o caminho entre as amostras de argamassa bem-sucedidas e os produtos de cimento de alto desempenho destinados ao mercado.

Um fluxo de trabalho típico de aumento de escala inclui:

1. Definir o desempenho pretendido para a argamassa e o sistema de nanomateriais.
2. Peneire grafeno, CNT, nanosílica ou aditivos híbridos.
3. Determinar a intensidade de sonicação e a energia necessárias.
4. Otimizar os meios de dispersão, os aditivos e o controlo da temperatura.
5. Produza lotes de teste com os sistemas UIP1000hdT ou UIP2000hdT.
6. Verificar as propriedades da argamassa, tais como resistência, trabalhabilidade e durabilidade.
7. Transfira o processo para os clusters UIP6000hdT ou UIP16000hdT para produção.
8. Integrar a sonicação em linha no processo de fabrico contínuo.

O cimento de alto desempenho requer uma dispersão de alta qualidade

O futuro da tecnologia do cimento não assenta apenas na química de novos ligantes. Depende também de um melhor controlo da microestrutura, dos aditivos funcionais e do processo de fabrico. Os nanomateriais, como o grafeno e os CNTs, podem ajudar a produzir materiais cimentícios mais resistentes, mais tenazes, mais inteligentes e mais duradouros. Mas isso requer uma dispersão fiável.
Os ultrassonificadores da Hielscher proporcionam aos produtores de cimento, aos fabricantes de produtos químicos para a construção e aos institutos de investigação uma ferramenta escalável para o processamento de nano-aditivos. Desde a fase inicial de formulação até à produção em linha de elevado rendimento, a sonicação melhora a dispersão, a esfoliação, a desaglomeração e a estruturação funcional dos nanomateriais em pastas de cimento e argamassas.
Para a produção de cimento de alto desempenho, o processamento por ultrassons oferece uma vantagem clara: melhor desempenho do material, utilização mais eficiente de nano-aditivos dispendiosos e um caminho direto do sucesso em laboratório para a produção industrial.

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons:

Sonicadores Hielscher para investigação, testes de viabilidade e produção

A Hielscher disponibiliza processadores ultrassónicos em várias classes de potência: laboratorial, de bancada, piloto e industrial. Isto é essencial para os desenvolvedores de cimento e argamassa, uma vez que as formulações nano-reforçadas têm frequentemente de passar por várias etapas: triagem inicial dos materiais, desenvolvimento dos parâmetros de dispersão, ensaios de argamassa, lotes-piloto e produção industrial.
A gama de produtos da Hielscher assenta no processamento ultrassónico escalável, com sistemas destinados ao desenvolvimento laboratorial, a ensaios-piloto e de bancada, à operação industrial de alta capacidade e à produção contínua em linha, utilizando células de fluxo e reatores.

UIP1000hdT e UIP2000hdT para investigação em bancada e testes de viabilidade

O UIP1000hdT e o UIP2000hdT são potentes processadores ultrassónicos de bancada destinados ao desenvolvimento de formulações, estudos de viabilidade e processamento em média escala. São ideais para o desenvolvimento de formulações de cimento nano-reforçado, nas quais os investigadores precisam de testar o tipo de nanomaterial, a concentração, a composição química do dispersante, a intensidade da sonicação, o tempo de processamento e o controlo da temperatura.

Estes sistemas são ideais para:

• Dispersão de grafeno e CNT em água ou em soluções de mistura.
• Testes de viabilidade de pastas de cimento reforçadas com nanopartículas.
• Otimização do consumo de energia na sonicação.
• Preparação de lotes de ensaio reprodutíveis.
• Desenvolvimento de formulações de argamassa de alto desempenho.
• Processamento contínuo em pequena escala com configurações de células de fluxo.
• Validação da ampliação de escala antes da produção industrial.

para R&As equipas D, o UIP1000hdT e o UIP2000hdT, proporcionam a intensidade de processo necessária para nanomateriais exigentes, mantendo ao mesmo tempo uma configuração prática para ambientes laboratoriais, centros técnicos e instalações-piloto.

Esfoliação de grafeno por ultra-sons

Clusters UIP6000hdT e UIP16000hdT para produção de alto rendimento

Para a produção em escala comercial de aditivos de cimento nano-reforçados, nanodispersões ou componentes de argamassa de alto desempenho, os ultrassonificadores industriais da Hielscher, tais como o UIP6000hdT e o UIP16000hdT, podem ser configurados em conjuntos para um processamento contínuo de elevado rendimento.
Os conjuntos de unidades UIP6000hdT ou UIP16000hdT permitem aos fabricantes aumentar a capacidade de processamento, mantendo ao mesmo tempo um controlo sobre a entrada de energia ultrassónica. Esta abordagem modular é particularmente útil quando os volumes de produção passam da escala-piloto para a produção em grande escala.

Suporte a configurações industriais:

• Dispersão contínua em linha de grafeno, nanotubos de carbono (CNTs) e nano-aditivos.
• Processamento de alto rendimento de dispersões-mãe de nanomateriais.
• Integração em linhas de produção de aditivos para cimento ou de argamassa pré-misturada.
• Funcionamento em paralelo de reatores ultrassónicos para aumentar a capacidade.
• Ambientes de produção robustos, em funcionamento 24 horas por dia, 7 dias por semana.
• Controlo e monitorização do processo para garantir uma qualidade consistente do produto.

Os sistemas industriais da Hielscher estão concebidos para um funcionamento contínuo em condições exigentes, estando disponíveis unidades de alta potência até 16 kW por aparelho.

Literatura / Referências