Mortare de ciment nano-armate cu dispersie ultrasonică

Tratamentul cu ultrasunete îmbunătățește dispersia, exfolierea și dezaglomerarea grafenului, a nanotuburilor de carbon (CNT) și a nanomaterialelor în pastele de ciment și mortare. Aparatele de sonicare Hielscher permit obținerea unor formulări de ciment de înaltă performanță, de la R&D la producția industrială.

Mortare de ciment nano-armate – O mai bună dispersie și deaglomerare prin sonicare

Mortarele și pastele de ciment nano-armate reprezintă o cale promițătoare către obținerea unor materiale de construcție de înaltă performanță. Prin incorporarea nanomaterialelor precum grafenul, oxidul de grafen, nanotuburile de carbon (CNT), nanosilica, nanoargilele sau alți umplutori funcționali, materialele cimentoase pot fi proiectate pentru a obține o rezistență mecanică îmbunătățită, rezistență la fisurare, durabilitate, conductivitate electrică, permeabilitate redusă și performanțe îmbunătățite pe termen lung.
Problema: Potențialul maxim al nanomaterialelor în sistemele de ciment este atins doar atunci când particulele sunt dispersate uniform. Foile de grafen, mănunchiurile de CNT și alți nano-aditivi au tendința de a forma aglomerate din cauza forțelor puternice de van der Waals, a energiei superficiale ridicate și a încurcării. Agitarea convențională, amestecarea cu rotor-stator sau simpla omogenizare a pulberilor nu reușesc adesea să destrame suficient aceste aglomerate. Rezultatul este o distribuție deficitară, puncte slabe în matricea mortarului, utilizarea ineficientă a nanomaterialelor scumpe și proprietăți inconsistente ale materialului.
Soluția: Aparatele cu ultrasunete de tip sondă Hielscher oferă o soluție eficientă, scalabilă și verificată la scară industrială pentru dispersarea, exfolierea, deaglomerarea și împletirea funcțională a nanomaterialelor în pastele de ciment, formulele de mortar și suspensiile de precursori. Hielscher dezvoltă și produce procesoare cu ultrasunete pentru prelucrarea lichidelor, de la studiile de fezabilitate de laborator până la producția industrială continuă, cu un portofoliu conceput pentru extinderea la scară de la sisteme compacte de laborator la echipamente industriale de mare putere.

De ce este importantă dispersia nanomaterialelor în mortarele de ciment

Nanomaterialele pot îmbunătăți semnificativ compozitele pe bază de ciment, deoarece interacționează cu matricea de ciment la o scară de lungime foarte mică. Grafenul, tuburile de carbon nanometrice (CNT) și alte nano-umpluturi, dispersate corespunzător, pot acționa ca puncte de nucleație, pot acoperi microfisurile, pot rafina structurile poroase și pot îmbunătăți transferul de sarcină în cadrul matricei întărite.
În practică, performanța depinde mai puțin de cantitatea nominală de nanomaterial adăugat și mai mult de calitatea dispersiei. O cantitate mică de grafen sau de nanotuburi de carbon (CNT) bine dispersate poate avea performanțe superioare unei cantități mai mari de material slab dispersat. Aglomeratele se comportă mai degrabă ca defecte decât ca elemente de armare. Acestea reduc lucrabilitatea, creează concentrări de tensiuni și limitează suprafața efectivă a aditivului.
Dispersia cu ultrasunete oferă o soluție la această provocare esențială a procesului de formulare. Ultrasunetele de intensitate ridicată generează forțe de forfecare puternice și localizate, microamestecare, unde de șoc și microjeturi de lichid prin cavitație acustică. Aceste efecte separă nanomaterialele aglomerate, umezesc suprafețele particulelor și le distribuie uniform în faza lichidă înainte ca acestea să fie încorporate în pulberea de ciment, pastă sau mortar.

Deaglomerarea cu ultrasunete a grafenului, a nanotuburilor de carbon (CNT) și a nano-aditivilor

Nanoplachetele de grafen, oxidul de grafen, oxidul de grafen redus și nanotuburile de carbon prezintă un interes deosebit pentru materialele cimentoase avansate. Acestea pot contribui la rezistența la tracțiune, rezistența la încovoiere, rezistența la rupere, conductivitatea electrică, comportamentul termic și durabilitatea. În același timp, se numără printre cei mai dificil de dispersat aditivi.
Cavitația ultrasonică ajută la depășirea forțelor de atracție dintre structurile la scară nanometrică. Într-un lichid supus acțiunii ultrasunetelor, colapsul bulelor de cavitație generează un aport local intens de energie. Acest fenomen poate destrăma aglomerările de particule, separa mănunchiurile de CNT, exfolia materialele stratificate și îmbunătăți distribuția nano-umpluturilor.

Printre efectele cheie ale ultrasunetelor în producția mortarului nano-armat se numără:

• Dezaglomerare: Descompunerea aglomerărilor de grafen, nanotuburi de carbon (CNT), nanosilice sau aditivi hibrizi în distribuții de particule mai mici și mai uniforme.
• Dispersie: Distribuirea omogenă a nanomaterialelor în apă, soluții de plastifianți, amestecuri de aditivi sau suspensii cimentoase.
• Exfoliere: Separarea materialelor stratificate, precum grafitul, nanoplachetele de grafen sau argilele, în foi mai subțiri cu o suprafață activă mai mare.
• Umezirea și activarea: Îmbunătățirea contactului lichidului cu suprafețele nanomaterialelor pentru o interacțiune mai bună cu hidrații de ciment și aditivii.
• Împletirea și formarea rețelelor: Contribuie la formarea rețelelor distribuite de nanotuburi de carbon (CNT) sau grafen, care pot îmbunătăți capacitatea de acoperire a fisurilor, conductivitatea și funcționalitatea structurală.
• Reproductibilitate: Crearea unor condiții de proces controlate pentru obținerea unor formulări uniforme, de la testele de laborator până la scara de producție.

Avantajele dispersiei cu ultrasunete în pastele de ciment și mortarele

Valoarea economică și tehnică a sonicației este deosebit de importantă în producția de ciment de înaltă performanță. Nanomaterialele sunt adesea costisitoare, iar beneficiile lor depind de utilizarea eficientă a acestora. Atunci când sonicația îmbunătățește calitatea dispersiei, formulatorii pot adesea reduce supradozarea, spori reproductibilitatea și obține performanțe mai bune pe kilogram de aditiv.

Pentru producătorii de mortare performante, materiale de reparații, elemente prefabricate, materiale cimentoase imprimabile 3D sau produse chimice speciale pentru construcții, prelucrarea cu ultrasunete poate contribui la:

• Performanțe superioare la compresiune, încovoiere și tracțiune, datorită distribuției îmbunătățite a nano-umpluturii.
• O rezistență mai bună la fisurare și o duritate sporită datorită unei microarmări mai eficiente.
• Permeabilitate redusă și durabilitate îmbunătățită prin rafinarea structurii porilor.
• O calitate mai uniformă a materialului de la un lot la altul.
• Utilizarea mai eficientă a grafenului, a nanotuburilor de carbon (CNT) și a altor nano-aditivi, care sunt costisitori.
• Screening mai rapid al formulărilor și optimizarea proceselor.
• Producție scalabilă, de la etapa de dezvoltare în laborator până la procesarea industrială continuă.
• Un control mai bun al parametrilor de proces, precum amplitudinea, energia de intrare, debitul, temperatura și timpul de staționare.

Aparatele cu ultrasunete Hielscher sunt concepute pentru transferul măsurabil și reproductibil de energie în lichide, suspensii și paste. Același mecanism de bază al sonicației poate fi utilizat în toate clasele de putere, permițând clienților să elaboreze parametrii de proces la scară mică și apoi să îi transfere în sisteme mai mari de laborator, pilot sau industriale.

Termografii în infraroșu ale pastei de ciment nanomodificate, armate cu (a) CNT și (b) GNP. CNT-urile și grafenul au fost dispersate cu ajutorul sonicatorului UP400S.
Studiu și grafice: ©Farmaki et al., 2025

Tratarea cu ultrasunete înainte de adăugarea cimentului: metoda preferată

Pentru multe compoziții de ciment ranforsate cu nanomateriale, cea mai eficientă abordare constă în dispersarea prealabilă a nanomaterialului în faza lichidă. Aceasta poate fi apă, o soluție de superplastifiant, un dispersant care conține surfactant, un aditiv polimeric, un sol de silice sau o altă componentă lichidă a compoziției mortarului.
Un proces tipic de prelucrare cu ultrasunete se desfășoară după cum urmează:

1. Se adaugă grafen, nanotuburi de carbon (CNT) sau alte nanomateriale în faza lichidă.
2. Umeziți în prealabil pulberea sau nano-umplutura, amestecând moderat.
3. Aplicați ultrasunete de intensitate ridicată pentru a dezaglomera și dispersa materialul.
4. Reglați temperatura, dacă este necesar.
5. Se adaugă nanodispersia tratată cu ultrasunete la ciment, nisip și alte componente ale mortarului.
6. Se amestecă până se obține consistența finală de pastă sau mortar.

Această metodă permite un control mai bun decât amestecarea în stare uscată a nanoparticulelor în pulberea de ciment. De asemenea, sporește probabilitatea ca nanomaterialele să fie deja separate, umezite și distribuite uniform înainte de începerea hidratării și a prizelor.

Beneficii economice pentru producția de ciment de înaltă performanță

Nano-aditivii pot fi costisitori, iar utilizarea lor trebuie justificată prin îmbunătățiri măsurabile ale performanței. O dispersie necorespunzătoare duce la risipă de material. Grafenul aglomerat sau nanotuburile de carbon (CNT) cresc costul formulării fără a oferi efectul de întărire așteptat. În schimb, dispersia cu ultrasunete îmbunătățește utilizarea eficientă a nanomaterialelor.
Printre beneficiile economice se numără:

• Reducerea deșeurilor provenite din aditivi: O cantitate mai mare din nanomaterial contribuie la performanță, în loc să rămână blocată în aglomerate.
• Risc redus asociat formulării: O dispersie uniformă reduce numărul loturilor defecte și rezultatele instabile ale testelor.
• R mai rapid&D cicluri: Formulele pot fi testate cu parametri de sonicare controlați.
• Scalare îmbunătățită: Parametrii procesului pot fi transferați de la testele de fezabilitate la echipamentele industriale.
• Produse cu valoare mai mare: Mortarele mai rezistente, mai durabile și mai funcționale sunt potrivite pentru aplicații de înaltă calitate.
• Potențialul de producție continuă: Sonicarea în linie permite o prelucrare cu randament ridicat pentru producția comercială.

Pentru producători, valoarea esențială nu constă doar într-o calitate superioară a dispersiei. Ci în capacitatea de a transforma cimentul nano-armat dintr-un concept de laborator într-un proces de producție controlat și scalabil.

De la formularea în laborator la producția industrială de ciment

Un avantaj major al tehnologiei ultrasonice Hielscher îl reprezintă calea practică de scalare. Formulele de ciment nano-armat pot fi dezvoltate la scară de laborator și apoi transferate către sisteme mai mari, fără a modifica principiul fundamental de procesare. În loc să reinventeze procesul de dispersie pentru producție, producătorii pot scala puterea ultrasonică, geometria celulei de curgere, timpul de rezidență și configurația reactorului.
Acest lucru reduce riscul tehnic. De asemenea, scurtează parcursul de la obținerea unor probe de mortar de succes până la lansarea pe piață a unor produse din ciment de înaltă performanță.

Un flux de lucru tipic de scalare include:

1. Se vor defini performanțele țintă ale mortarului și sistemul de nanomateriale.
2. Grafen, CNT, nanosilice sau aditivi hibrizi.
3. Determinați intensitatea de sonicare necesară și energia consumată.
4. Optimizați mediile de dispersie, aditivii și controlul temperaturii.
5. Realizați loturi de testare cu sistemele UIP1000hdT sau UIP2000hdT.
6. Verificați proprietățile mortarului, precum rezistența, lucrabilitatea și durabilitatea.
7. Transferați procesul pe clusterele UIP6000hdT sau UIP16000hdT pentru producție.
8. Integrarea sonicației în linie în procesul de fabricație continuă.

Cimentul de înaltă performanță necesită o dispersie de înaltă calitate

Viitorul tehnologiei cimentului nu se bazează doar pe noi compuși chimici pentru lianți. Acesta depinde, de asemenea, de un control mai bun al microstructurii, de aditivi funcționali și de procesarea materialelor. Nanomaterialele, precum grafenul și tuburile de carbon (CNT), pot contribui la obținerea unor materiale cimentoase mai rezistente, mai durabile, mai inteligente și mai durabile. Totuși, acest lucru necesită o dispersie fiabilă.
Aparatele cu ultrasunete Hielscher oferă producătorilor de ciment, producătorilor de produse chimice pentru construcții și institutelor de cercetare un instrument adaptabil pentru prelucrarea nano-aditivilor. De la etapa inițială de formulare până la producția în linie cu randament ridicat, sonicația îmbunătățește dispersia, exfolierea, deaglomerarea și structurarea funcțională a nanomaterialelor în pastele de ciment și mortare.
În cazul producției de ciment de înaltă performanță, prelucrarea cu ultrasunete oferă un avantaj evident: performanțe îmbunătățite ale materialului, utilizarea mai eficientă a nano-aditivilor costisitori și o cale directă de la succesul în laborator la producția industrială.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:

Sonicatoare Hielscher pentru cercetare, teste de fezabilitate și producție

Hielscher oferă procesoare cu ultrasunete din diverse clase de putere: de laborator, de banc, pilot și industriale. Acest lucru este esențial pentru dezvoltatorii de ciment și mortar, deoarece formulele nano-armate trebuie adesea să treacă prin mai multe etape: selecția inițială a materialelor, dezvoltarea parametrilor de dispersie, testarea mortarului, loturile pilot și producția industrială.
Portofoliul Hielscher se axează pe procesarea cu ultrasunete scalabilă, cu sisteme destinate dezvoltării în laborator, testării la scară pilot și pe banc de lucru, exploatării industriale de mare capacitate și producției continue în linie, folosind celule de curgere și reactoare.

UIP1000hdT și UIP2000hdT pentru cercetare de laborator și teste de fezabilitate

Modelele UIP1000hdT și UIP2000hdT sunt procesoare ultrasonice de laborator performante, destinate dezvoltării de formulări, studiilor de fezabilitate și procesării la scară medie. Acestea sunt ideale pentru dezvoltarea formulelor de ciment nano-armat, în cazul cărora cercetătorii trebuie să testeze tipul de nanomaterial, concentrația, compoziția chimică a dispersantului, intensitatea sonicației, timpul de procesare și controlul temperaturii.

Aceste sisteme sunt ideale pentru:

• Dispersia grafenului și a nanotuburilor de carbon (CNT) în apă sau în soluții mixte.
• Testarea fezabilității pastelor de ciment nano-armate.
• Optimizarea consumului de energie în procesul de sonicare.
• Pregătirea loturilor de testare reproductibile.
• Dezvoltarea unor formule de mortar de înaltă performanță.
• Prelucrare continuă la scară mică cu ajutorul unor sisteme cu celule de curgere.
• Validarea la scară mărită înainte de producția industrială.

pentru R&Din seria D, modelele UIP1000hdT și UIP2000hdT asigură intensitatea procesului necesară pentru nanomateriale cu cerințe ridicate, menținând în același timp o configurație practică pentru laboratoare, centre tehnice și medii pilot.

Exfolierea cu ultrasunete a grafenului

Clustere UIP6000hdT și UIP16000hdT pentru producție de mare capacitate

Pentru producția la scară comercială de aditivi pentru ciment nano-armat, nanodispersii sau componente pentru mortar de înaltă performanță, ultrasonicatoarele industriale Hielscher, precum modelele UIP6000hdT și UIP16000hdT, pot fi configurate în grupuri pentru o prelucrare continuă cu randament ridicat.
Grupurile de unități UIP6000hdT sau UIP16000hdT permit producătorilor să crească capacitatea de procesare, menținând în același timp un aport controlat de energie ultrasonică. Această abordare modulară este deosebit de utilă atunci când volumele de producție cresc de la scara pilot la producția la scară largă.

Suport pentru configurații industriale:

• Dispersia continuă în linie a grafenului, a nanotuburilor de carbon (CNT) și a nano-aditivilor.
• Prelucrarea cu randament ridicat a dispersiei-mamă de nanomateriale.
• Integrarea în liniile de producție a aditivilor pentru ciment sau a mortarului gata preparat.
• Funcționarea în paralel a reactoarelor cu ultrasunete pentru o capacitate sporită.
• Mediile de producție robuste, care funcționează non-stop.
• Controlul și monitorizarea proceselor pentru asigurarea unei calități constante a produselor.

Sistemele industriale Hielscher sunt concepute pentru o funcționare continuă în condiții exigente, fiind disponibile unități de mare putere de până la 16 kW pe dispozitiv.

Literatură / Referințe