Mortare de ciment nanoarmate prin dispersie cu ultrasunete

Sonicarea cu ultrasunete îmbunătățește dispersia, exfolierea și dezaglomerarea grafenului, a CNT și a nanomaterialelor în pastele de ciment și în mortare. Sonicatoarele Hielscher permit formularea de cimenturi de înaltă performanță, de la cercetare-dezvoltare până la producția industrială.

Mortare de ciment nanoarmate – dispersie și dezaglomerare mai bune prin sonicare

Mortarele de ciment și pastele de ciment nanoarmate oferă o cale eficace către materiale de construcții de înaltă performanță. Prin încorporarea unor nanomateriale precum grafenul, oxidul de grafen, nanotuburile de carbon (CNT), nanosilicea, nanoargilele sau alte materiale de umplutură funcționale, materialele cimentoase pot fi concepute pentru o rezistență mecanică îmbunătățită, rezistență la fisurare, durabilitate, conductivitate electrică, permeabilitate redusă și performanță îmbunătățită pe termen lung.
Problema: Întregul potențial al nanomaterialelor în sistemele pe bază de ciment este atins numai atunci când particulele sunt dispersate uniform. Foițele de grafen, mănunchiurile de CNT și alți nanoaditivi tind să formeze aglomerate din cauza forțelor van der Waals puternice, a energiei superficiale ridicate și a încâlcirii. Agitarea convențională, amestecarea cu rotor-stator sau simpla amestecare a pulberilor nu reușesc adesea să spargă suficient aceste aglomerate. Rezultatul este o distribuție slabă, puncte slabe în matricea mortarului, utilizarea ineficientă a nanomaterialelor scumpe și proprietăți neuniforme ale materialului.
Soluția: Ultrasonicatoarele Hielscher cu sondă oferă o soluție eficientă, scalabilă și dovedită industrial pentru dispersia, exfolierea, dezaglomerarea și întrepătrunderea funcțională a nanomaterialelor în paste de ciment, formulări de mortar și suspensii precursoare. Hielscher dezvoltă și produce procesoare cu ultrasunete pentru procesarea lichidelor, de la lucrările de fezabilitate în laborator până la producția industrială continuă, cu un portofoliu conceput pentru scalare, de la sisteme compacte de laborator până la echipamente industriale de mare putere.

De ce contează dispersia nanomaterialelor în mortarele de ciment

Nanomaterialele pot îmbunătăți semnificativ compozitele cimentoase, deoarece interacționează cu matricea de ciment la o scară dimensională foarte mică. Grafenul, CNT și alte nanomateriale de umplutură dispersate corespunzător pot acționa ca centre de nucleație, pot face punte peste microfisuri, pot rafina structura porilor și pot îmbunătăți transferul de sarcină în matricea întărită.
În practică, performanța depinde mai puțin de cantitatea nominală de nanomaterial adăugată și mai mult de calitatea dispersiei. O cantitate mică de grafen sau CNT bine dispersate poate depăși performanța unei cantități mai mari de material slab dispersat. Aglomeratele se comportă mai degrabă ca defecte decât ca armătură. Ele reduc lucrabilitatea, creează concentrări de tensiuni și limitează suprafața efectivă a aditivului.
Dispersia cu ultrasunete răspunde acestei provocări centrale de formulare. Ultrasunetele de mare intensitate introduc, prin cavitație acustică, forțe puternice de forfecare localizate, micro-amestecare, unde de șoc și microjeturi de lichid. Aceste efecte separă nanomaterialele grupate în mănunchiuri, umectează suprafețele particulelor și le distribuie uniform în întreaga fază lichidă înainte ca acestea să fie încorporate în pulberea de ciment, în pastă sau în mortar.

Dezaglomerarea cu ultrasunete a grafenului, a CNT și a nanoaditivilor

Nanoplachetele de grafen, oxidul de grafen, oxidul de grafen redus și nanotuburile de carbon sunt deosebit de atractive pentru materialele cimentoase avansate. Ele pot contribui la rezistența la tracțiune, rezistența la încovoiere, tenacitatea la rupere, conductivitatea electrică, comportamentul termic și durabilitatea materialului. În același timp, se numără printre aditivii cei mai dificil de dispersat.
Cavitația ultrasonică ajută la depășirea forțelor de atracție dintre structurile nanometrice. Într-un lichid sonicat, bulele de cavitație care implodează generează un aport local intens de energie. Acest lucru poate sparge clusterele de particule, poate separa mănunchiurile de CNT, poate exfolia materialele stratificate și poate îmbunătăți distribuția nanomaterialelor de umplutură.

Principalele efecte ale ultrasunetelor în producția mortarelor nanoarmate includ:

• Dezaglomerare: Descompunerea clusterelor de grafen, CNT, nanosilice sau aditivi hibrizi în distribuții de particule mai mici și mai uniforme.
• Dispersie: Distribuirea omogenă a nanomaterialelor în apă, soluții de plastifiant, amestecuri de aditivi sau suspensii cimentoase.
• Exfoliere: Separarea materialelor stratificate, cum ar fi grafitul, nanoplachetele de grafen sau argilele, în foițe mai subțiri, cu suprafață activă mai mare.
• Umectare și activare: Îmbunătățirea contactului lichidului cu suprafețele nanomaterialelor pentru o interacțiune mai bună cu hidrații de ciment și cu aditivii.
• Întrepătrundere și formare de rețele: Susținerea formării de rețele distribuite de CNT sau de grafen, care pot îmbunătăți efectul de punte peste fisuri, conductivitatea și funcționalitatea structurală.
• Reproductibilitate: Crearea unor condiții de proces controlate pentru formulări consecvente, de la încercările de laborator până la scara de producție.

Avantajele dispersiei cu ultrasunete în pastele de ciment și în mortare

Valoarea economică și tehnică a sonicării este deosebit de mare în producția de ciment de înaltă performanță. Nanomaterialele sunt adesea scumpe, iar beneficiul lor depinde de utilizarea lor eficientă. Atunci când sonicarea îmbunătățește calitatea dispersiei, formulatorii pot adesea reduce supradozarea, crește reproductibilitatea și obține o performanță mai mare per kilogram de aditiv.

Pentru producătorii de mortare avansate, materiale de reparații, elemente prefabricate, materiale cimentoase imprimabile 3D sau produse chimice speciale pentru construcții, procesarea cu ultrasunete poate susține:

• Performanțe superioare la compresiune, încovoiere și tracțiune datorită distribuției îmbunătățite a nanomaterialelor de umplutură.
• Rezistență mai bună la fisurare și tenacitate mai mare datorită unei microarmări mai eficiente.
• Permeabilitate redusă și durabilitate îmbunătățită prin rafinarea structurii porilor.
• Calitate mai constantă a materialului de la un lot la altul.
• Utilizare îmbunătățită a grafenului, a CNT și a altor nanoaditivi costisitori.
• Screening mai rapid al formulărilor și optimizare mai rapidă a procesului.
• Producție scalabilă, de la dezvoltarea în laborator până la procesarea industrială continuă.
• Control mai bun al parametrilor de proces, cum ar fi amplitudinea, aportul de energie, debitul, temperatura și timpul de rezidență.

Ultrasonicatoarele Hielscher sunt concepute pentru un transfer de energie măsurabil și reproductibil în lichide, suspensii și paste fluide. Același mecanism de bază al sonicării poate fi utilizat în toate clasele de putere, permițând clienților să dezvolte parametrii de proces la scară mică și apoi să îi transfere în sisteme mai mari de banc, pilot sau industriale.

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

Sonicarea înainte de adăugarea cimentului: calea de proces preferată

Pentru multe formulări de ciment nanoarmat, cea mai eficientă abordare este dispersarea mai întâi a nanomaterialului în faza lichidă. Aceasta poate fi apă, soluție de superplastifiant, dispersant cu conținut de surfactant, aditiv polimeric, sol de silice sau o altă componentă lichidă a formulării mortarului.
O cale tipică de proces cu ultrasunete este:

1. Adăugați grafenul, CNT sau alte nanomateriale în faza lichidă.
2. Preumectați pulberea sau nanomaterialul de umplutură sub amestecare moderată.
3. Aplicați ultrasonicare de mare intensitate pentru a dezaglomera și a dispersa materialul.
4. Controlați temperatura, dacă este necesar.
5. Adăugați nanodispersia sonicată la ciment, nisip și alte componente ale mortarului.
6. Amestecați până la obținerea consistenței finale a pastei sau a mortarului.

Această cale permite un control mai bun decât amestecarea uscată a nanoparticulelor în pulberea de ciment. De asemenea, crește probabilitatea ca nanomaterialele să fie deja separate, umectate și distribuite uniform înainte de începerea hidratării și a prizei.

Beneficii economice pentru producția de ciment de înaltă performanță

Nanoaditivii pot fi costisitori, iar utilizarea lor trebuie justificată prin câștiguri de performanță măsurabile. O dispersie slabă risipește material. Grafenul sau CNT aglomerate cresc costul formulării fără a oferi armarea așteptată. În schimb, dispersia cu ultrasunete îmbunătățește utilizarea efectivă a nanomaterialelor.
Beneficiile economice includ:

• Mai puțină risipă de aditiv: O parte mai mare din nanomaterial contribuie la performanță, în loc să rămână blocată în aglomerate.
• Risc de formulare redus: Dispersia consecventă reduce numărul de loturi ratate și de rezultate instabile ale testelor.
• Cicluri de C&D mai rapide: Formulările pot fi evaluate prin screening cu parametri de sonicare controlați.
• Scalare îmbunătățită: Parametrii de proces pot fi transferați de la testele de fezabilitate la echipamentele industriale.
• Produse cu valoare mai mare: Mortarele mai rezistente, mai durabile și funcționale susțin aplicațiile premium.
• Potențial de producție continuă: Sonicarea în linie permite procesarea cu capacitate mare pentru fabricația comercială.

Pentru producători, valoarea esențială nu constă doar într-o calitate mai bună a dispersiei. Ea constă în capacitatea de a transforma cimentul nanoarmat dintr-un concept de laborator într-un proces de producție controlat și scalabil.

De la formularea de laborator la producția industrială de ciment

Un avantaj major al tehnologiei cu ultrasunete Hielscher este calea practică de scalare. Formulările de ciment nanoarmat pot fi dezvoltate la scară de banc și apoi transferate în sisteme mai mari fără modificarea principiului fundamental de procesare. În loc să reinventeze procesul de dispersie pentru producție, producătorii pot scala puterea ultrasonică, geometria celulei de flux, timpul de rezidență și configurația reactorului.
Acest lucru reduce riscul tehnic. De asemenea, scurtează drumul de la probe de mortar reușite la produse comerciale de ciment de înaltă performanță.

Un flux de lucru tipic de scalare include:

1. Definiți performanța țintă a mortarului și sistemul de nanomateriale.
2. Evaluați prin screening aditivii pe bază de grafen, CNT, nanosilice sau aditivii hibrizi.
3. Determinați intensitatea de sonicare și aportul de energie necesare.
4. Optimizați mediile de dispersie, aditivii și controlul temperaturii.
5. Produceți loturi de test cu sistemele UIP1000hdT sau UIP2000hdT.
6. Validați proprietățile mortarului, cum ar fi rezistența, lucrabilitatea și durabilitatea.
7. Transferați procesul către clustere UIP6000hdT sau UIP16000hdT pentru producție.
8. Integrați sonicarea în linie în fabricația continuă.

Cimentul de înaltă performanță necesită o dispersie de înaltă calitate

Viitorul tehnologiei cimentului nu se bazează doar pe o nouă chimie a lianților. Depinde, de asemenea, de un control mai bun al microstructurii, al aditivilor funcționali și al procesării. Nanomaterialele precum grafenul și CNT pot contribui la producerea unor materiale cimentoase mai rezistente, mai tenace, mai inteligente și mai durabile. Însă acest lucru necesită o dispersie fiabilă.
Ultrasonicatoarele Hielscher oferă producătorilor de ciment, producătorilor de produse chimice pentru construcții și institutelor de cercetare un instrument scalabil pentru procesarea nanoaditivilor. De la formularea în stadiu incipient până la producția în linie cu capacitate mare, sonicarea îmbunătățește dispersia, exfolierea, dezaglomerarea și structurarea funcțională a nanomaterialelor în pastele de ciment și în mortare.
Pentru producția de ciment de înaltă performanță, procesarea cu ultrasunete oferă un avantaj clar: performanță mai bună a materialului, utilizare mai eficientă a nanoaditivilor scumpi și o cale directă de la succesul în laborator la fabricația industrială.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:

Sonicatoare Hielscher pentru cercetare, teste de fezabilitate și producție

Hielscher oferă procesoare cu ultrasunete în clase de putere de laborator, de banc, pilot și industriale. Acest lucru este esențial pentru dezvoltatorii de ciment și mortar, deoarece formulările nanoarmate trebuie adesea să parcurgă mai multe etape: screeningul inițial al materialelor, dezvoltarea parametrilor de dispersie, testarea mortarului, loturile pilot și producția industrială.
Portofoliul Hielscher este construit în jurul procesării scalabile cu ultrasunete, cu sisteme pentru dezvoltarea în laborator, testarea pilot și de banc, operarea industrială în regim greu și producția continuă în linie cu ajutorul celulelor de flux și al reactoarelor.

UIP1000hdT și UIP2000hdT pentru cercetare de banc și teste de fezabilitate

UIP1000hdT și UIP2000hdT sunt procesoare cu ultrasunete de banc puternice pentru dezvoltarea formulărilor, studii de fezabilitate și procesare la scară medie. Sunt foarte potrivite pentru dezvoltarea formulărilor de ciment nanoarmat, în care cercetătorii trebuie să testeze tipul de nanomaterial, concentrația, chimia dispersantului, intensitatea sonicării, durata procesării și controlul temperaturii.

Aceste sisteme sunt ideale pentru:

• Dispersia grafenului și a CNT în apă sau în soluții de aditivi.
• Testarea fezabilității pastelor de ciment nanoarmate.
• Optimizarea aportului de energie de sonicare.
• Prepararea unor loturi de test reproductibile.
• Dezvoltarea formulărilor de mortar de înaltă performanță.
• Procesarea continuă la scară mică cu configurații cu celulă de flux.
• Validarea scalării înainte de producția industrială.

Pentru echipele de C&D, UIP1000hdT și UIP2000hdT oferă intensitatea de proces necesară pentru nanomaterialele dificile, păstrând totodată o configurație practică pentru mediile de laborator, de centru tehnic și pilot.

Exfolierea grafenului cu ultrasunete

Clustere UIP6000hdT și UIP16000hdT pentru producție cu capacitate mare

Pentru producția la scară comercială de aditivi pentru ciment nanoarmat, nanodispersii sau componente de mortar de înaltă performanță, ultrasonicatoarele industriale Hielscher, cum ar fi UIP6000hdT și UIP16000hdT, pot fi configurate în clustere pentru procesare continuă cu capacitate mare.
Clusterele 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 fabricația la scară completă.

Configurațiile industriale susțin:

• Dispersia continuă în linie a grafenului, a CNT și a nanoaditivilor.
• Procesarea cu capacitate mare a dispersiilor-mamă de nanomateriale.
• Integrarea în liniile de producție de aditivi pentru ciment sau de mortare uscate.
• Funcționarea în paralel a reactoarelor cu ultrasunete pentru o capacitate sporită.
• Medii de producție robuste 24/7.
• Controlul și monitorizarea procesului pentru o calitate constantă a produsului.

Sistemele industriale Hielscher sunt destinate funcționării continue solicitante, iar unitățile de mare putere sunt disponibile cu până la 16 kW per dispozitiv.

Literatură / Referințe

• 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.