Наноармированные цементные растворы с ультразвуковой дисперсией

Ультразвуковая обработка способствует улучшению дисперсии, эксфолиации и деагломерации графена, углеродных нанотрубок и наноматериалов в цементных пастах и растворах. Ультразвуковые аппараты Hielscher позволяют создавать высокоэффективные цементные составы от R&D — промышленное производство.

Наноармированные цементные растворы – Улучшение диспергирования и деагломерации с помощью ультразвуковой обработки

Наноармированные цементные растворы и цементные пасты открывают широкие возможности для создания высокоэффективных строительных материалов. Благодаря добавке таких наноматериалов, как графен, оксид графена, углеродные нанотрубки (CNT), нанокремнезем, наноглины или другие функциональные наполнители, цементные материалы можно модифицировать с целью повышения механической прочности, трещиностойкости, долговечности, электропроводности, снижения водопроницаемости и улучшения эксплуатационных характеристик в долгосрочной перспективе.
Проблема: Полный потенциал наноматериалов в цементных системах раскрывается лишь при равномерной дисперсии частиц. Листы графена, пучки углеродных нанотрубок (CNT) и другие нанодобавки имеют склонность к образованию агломератов из-за сильных сил Ван-дер-Ваальса, высокой поверхностной энергии и переплетения. Обычное перемешивание, смешивание с помощью ротор-статорной системы или простое смешивание порошков зачастую не позволяют достаточно эффективно разрушить эти агломераты. Результатом этого являются неравномерное распределение, слабые места в матрице раствора, неэффективное использование дорогостоящих наноматериалов и нестабильные свойства материала.
Решение: Ультразвуковые аппараты Hielscher с зондовым типом насадки представляют собой эффективное, масштабируемое и проверенное на промышленном уровне решение для диспергирования, эксфолиации, деагломерации и функционального переплетения наноматериалов в цементных пастах, растворных смесях и суспензиях прекурсоров. Компания Hielscher разрабатывает и производит ультразвуковые процессоры для обработки жидкостей — от лабораторных исследований до промышленного серийного производства. Ассортимент продукции рассчитан на масштабирование от компактных лабораторных систем до мощного промышленного оборудования.

Почему дисперсия наноматериалов имеет значение в цементных растворах

Наноматериалы способны значительно улучшить свойства цементных композитов, поскольку они взаимодействуют с цементной матрицей на очень мелком масштабе. Правильно диспергированный графен, углеродные нанотрубки и другие нанонаполнители могут выступать в качестве центров зародышеобразования, перекрывать микротрещины, уплотнять пористую структуру и улучшать распределение нагрузки в затвердевшей матрице.
На практике эксплуатационные характеристики в меньшей степени зависят от номинального количества добавленного наноматериала, а в большей степени — от качества дисперсии. Небольшое количество хорошо диспергированного графена или углеродных нанотрубок может обеспечить лучшие характеристики, чем большее количество плохо диспергированного материала. Агломераты действуют скорее как дефекты, а не как армирующий элемент. Они ухудшают технологичность, создают зоны концентрации напряжений и ограничивают эффективную площадь поверхности добавки.
Ультразвуковая дисперсия позволяет решить эту ключевую проблему при приготовлении смесей. Высокоинтенсивный ультразвук за счет акустической кавитации создает сильные локальные сдвиговые силы, микроперемешивание, ударные волны и микроструи жидкости. Эти эффекты способствуют расслоению скоплений наноматериалов, смачиванию поверхностей частиц и их равномерному распределению по всей жидкой фазе перед добавлением в цементный порошок, пасту или раствор.

Ультразвуковая деагломерация графена, углеродных нанотрубок и нанодобавок

Нанопластинки графена, оксид графена, восстановленный оксид графена и углеродные нанотрубки представляют особый интерес для создания современных цементных материалов. Они способны улучшить такие характеристики, как прочность на растяжение, прочность на изгиб, вязкость разрушения, электропроводность, тепловые свойства и долговечность. В то же время они относятся к числу самых сложных для диспергирования добавок.
Ультразвуковая кавитация помогает преодолеть силы притяжения между наноразмерными структурами. В жидкости, подвергаемой ультразвуковому воздействию, разрушающиеся кавитационные пузырьки создают интенсивный локальный приток энергии. Это позволяет разбивать скопления частиц, разделять пучки углеродных нанотрубок, расслаивать слоистые материалы и улучшать распределение нанонаполнителей.

К основным ультразвуковым эффектам при производстве наноармированных растворов относятся:

• Деагломерация: Разбиение скоплений графена, углеродных нанотрубок, нанокремнезема или гибридных добавок на более мелкие частицы с более однородным распределением.
• Дисперсия: Равномерное распределение наноматериалов в воде, растворах пластификаторов, смесях добавок или цементных суспензиях.
• Пилинг: Разделение слоистых материалов, таких как графит, нанопластинки графена или глины, на более тонкие слои с большей активной поверхностью.
• Смачивание и активация: Улучшение контакта жидкости с поверхностями наноматериалов для более эффективного взаимодействия с гидратами цемента и добавками.
• Взаимосвязь и формирование сетей: Способствует формированию распределенных сетей из углеродных нанотрубок или графена, которые могут улучшить способность перекрывать трещины, проводимость и структурную функциональность.
• Воспроизводимость: Создание контролируемых технологических условий для обеспечения стабильности рецептур на всех этапах — от лабораторных испытаний до промышленного производства.

Преимущества ультразвуковой дисперсии в цементных пастах и растворах

Экономическая и техническая ценность ультразвуковой обработки особенно заметна при производстве высококачественного цемента. Наноматериалы зачастую стоят дорого, и их эффективность зависит от рационального использования. Когда ультразвуковая обработка улучшает качество дисперсии, разработчики рецептур часто могут сократить передозировку, повысить воспроизводимость результатов и добиться более высоких эксплуатационных характеристик на килограмм добавки.

Для производителей высокотехнологичных строительных растворов, ремонтных материалов, сборных элементов, цементных материалов для 3D-печати или специальных строительных химикатов ультразвуковая обработка может обеспечить:

• Повышенные характеристики по сжатию, изгибу и растяжению за счет более равномерного распределения нанонаполнителя.
• Повышенная трещиностойкость и прочность за счет более эффективного микроармирования.
• Снижение проницаемости и повышение прочности за счет усовершенствования структуры пор.
• Более стабильное качество материала от партии к партии.
• Более эффективное использование дорогостоящего графена, углеродных нанотрубок и других нанодобавок.
• Более быстрый скрининг рецептур и оптимизация технологических процессов.
• Масштабируемое производство — от лабораторных разработок до непрерывной промышленной переработки.
• Более точный контроль таких параметров технологического процесса, как амплитуда, подаваемая энергия, расход, температура и время пребывания.

Ультразвуковые устройства Hielscher предназначены для обеспечения контролируемой и воспроизводимой передачи энергии в жидкости, суспензии и шламы. Один и тот же основной механизм ультразвуковой обработки может применяться в устройствах различных мощностных классов, что позволяет заказчикам разрабатывать технологические параметры в малых масштабах, а затем переносить их на более крупные настольные, пилотные или промышленные установки.

Инфракрасные термограммы наномодифицированного цементного раствора, армированного (а) углеродными нанотрубками (CNT) и (б) графеновыми наночастицами (GNP). Углеродные нанотрубки и графен были диспергированы с помощью ультразвукового диспергатора UP400S.
Исследование и графики: ©Farmaki и др., 2025

Ультразвуковая обработка перед добавлением цемента: предпочтительный технологический маршрут

Для многих рецептур цемента, армированного наноматериалами, наиболее эффективным подходом является предварительная диспергировка наноматериала в жидкой фазе. Это может быть вода, раствор суперпластификатора, диспергатор, содержащий поверхностно-активные вещества, полимерная добавка, золь кремнезема или другой жидкий компонент рецептуры строительного раствора.
Типичная технологическая схема ультразвуковой обработки выглядит следующим образом:

1. Добавьте графен, углеродные нанотрубки или другие наноматериалы в жидкую фазу.
2. Слегка смочите порошок или нанонаполнитель, периодически перемешивая.
3. Примените высокоинтенсивную ультразвуковую обработку для деагломерации и диспергирования материала.
4. При необходимости регулируйте температуру.
5. Добавьте нанодисперсию, обработанную ультразвуком, в цемент, песок и другие компоненты строительного раствора.
6. Перемешайте до получения консистенции пасты или раствора.

Этот метод обеспечивает более эффективный контроль по сравнению с сухим смешиванием наночастиц с цементной пудрой. Кроме того, он повышает вероятность того, что наноматериалы будут предварительно разбиты на части, смачиваться и равномерно распределяться до начала гидратации и затвердевания.

Экономические преимущества производства высококачественного цемента

Нанодобавки могут быть дорогостоящими, и их использование должно оправдываться ощутимым повышением эксплуатационных характеристик. Плохая дисперсия приводит к растрате материала. Агломерированный графен или углеродные нанотрубки увеличивают стоимость рецептуры, не обеспечивая при этом ожидаемого упрочняющего эффекта. Напротив, ультразвуковая дисперсия способствует более эффективному использованию наноматериалов.
К экономическим преимуществам относятся:

• Снижение объема отходов от добавок: Большая часть наноматериала способствует повышению эффективности, а не остается в виде агломератов.
• Снижение рисков, связанных с рецептурой: Стабильная дисперсия позволяет сократить количество бракованных партий и количество нестабильных результатов испытаний.
• Более быстрый R&D циклов: Составы можно подвергать скринингу при контролируемых параметрах ультразвуковой обработки.
• Улучшенное масштабирование: Параметры технологического процесса могут быть перенесены из экспериментальных испытаний на промышленное оборудование.
• Продукты более высокой стоимости: Более прочные, долговечные и функциональные растворы подходят для работ высшего качества.
• Потенциал непрерывного производства: Поточная ультразвуковая обработка обеспечивает высокопроизводительную переработку в условиях промышленного производства.

Для производителей главная ценность заключается не только в более высоком качестве дисперсии. Это возможность превратить наноармированный цемент из лабораторной концепции в контролируемый и масштабируемый производственный процесс.

От лабораторной разработки рецептуры до промышленного производства цемента

Одним из основных преимуществ ультразвуковой технологии Hielscher является возможность практического масштабирования. Рецептуры наноармированного цемента можно разрабатывать в лабораторных условиях, а затем переносить в более крупные системы без изменения основного принципа обработки. Вместо того чтобы заново разрабатывать процесс диспергирования для промышленного производства, производители могут масштабировать мощность ультразвука, геометрию проточной ячейки, время пребывания и конфигурацию реактора.
Это снижает технические риски. Кроме того, это сокращает путь от успешных образцов раствора до коммерческих высококачественных цементных продуктов.

Типичный рабочий процесс масштабирования включает в себя:

1. Определить требуемые эксплуатационные характеристики раствора и систему наноматериалов.
2. Графен, углеродные нанотрубки, нанодиоксид кремния или гибридные добавки.
3. Определите необходимую интенсивность ультразвуковой обработки и потребляемую энергию.
4. Оптимизируйте диспергирующие среды, добавки и контроль температуры.
5. Проведите пробные партии с помощью систем UIP1000hdT или UIP2000hdT.
6. Проверить такие характеристики раствора, как прочность, обрабатываемость и долговечность.
7. Перенесите процесс на кластеры UIP6000hdT или UIP16000hdT для запуска в производственную эксплуатацию.
8. Внедрение поточного ультразвукового обработки в непрерывный производственный процесс.

Для производства высококачественного цемента требуется высококачественная дисперсия

Будущее цементных технологий зависит не только от новых химических составов вяжущих. Оно также зависит от более точного контроля микроструктуры, функциональных добавок и технологического процесса. Наноматериалы, такие как графен и углеродные нанотрубки, могут способствовать созданию более прочных, вязких, «умных» и долговечных цементных материалов. Однако для этого необходима надежная дисперсия.
Ультразвуковые аппараты Hielscher предоставляют производителям цемента, производителям строительной химии и научно-исследовательским институтам универсальный инструмент для обработки нанодобавок. Начиная с разработки рецептур на ранних этапах и заканчивая высокопроизводительным поточным производством, ультразвуковая обработка способствует улучшению дисперсии, расслоению, деагломерации и формированию функциональной структуры наноматериалов в цементных пастах и растворах.
В сфере производства высококачественного цемента ультразвуковая обработка дает очевидное преимущество: улучшение эксплуатационных характеристик материала, более эффективное использование дорогостоящих нанодобавок и прямой путь от лабораторных разработок к промышленному производству.

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:

Ультразвуковые аппараты Hielscher для научных исследований, проверочных испытаний и промышленного производства

Компания Hielscher предлагает ультразвуковые процессоры различных классов мощности: лабораторные, настольные, пилотные и промышленные. Это имеет решающее значение для разработчиков цемента и строительных растворов, поскольку наноармированные составы зачастую проходят несколько этапов: первоначальный отбор материалов, определение параметров диспергирования, испытания растворов, изготовление пилотных партий и промышленное производство.
Ассортимент продукции компании Hielscher основан на масштабируемых ультразвуковых технологиях и включает системы для лабораторных разработок, пилотных и настольных испытаний, а также для высокопроизводительных промышленных процессов и непрерывного поточного производства с использованием проточных камер и реакторов.

UIP1000hdT и UIP2000hdT для лабораторных исследований и проверочных испытаний

UIP1000hdT и UIP2000hdT — это мощные настольные ультразвуковые процессоры, предназначенные для разработки рецептур, технико-экономических обоснований и производства в средних масштабах. Они отлично подходят для разработки рецептур цемента с нанонаполнителями, когда исследователям необходимо проверить различные типы наноматериалов, их концентрацию, химический состав диспергаторов, интенсивность ультразвуковой обработки, время обработки и контроль температуры.

Эти системы идеально подходят для:

• Дисперсии графена и углеродных нанотрубок в воде или смешанных растворах.
• Испытания на практическую применимость наноармированных цементных паст.
• Оптимизация затрат энергии при ультразвуковой обработке.
• Подготовка типовых пробных партий.
• Разработка рецептур высокоэффективных строительных растворов.
• Небольшие серии непрерывной переработки с использованием проточных ячеек.
• Валидация масштабирования перед запуском в промышленное производство.

для R&Модели серии D — UIP1000hdT и UIP2000hdT — обеспечивают интенсивность процесса, необходимую для работы с сложными наноматериалами, при этом оставаясь удобными в использовании в лабораторных условиях, технических центрах и на пилотных установках.

Ультразвуковое отшелушивание графена

Кластеры UIP6000hdT и UIP16000hdT для высокопроизводительного производства

Для промышленного производства наноармированных цементных добавок, нанодисперсий или высокоэффективных компонентов строительных растворов промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher, такие как UIP6000hdT и UIP16000hdT, можно объединять в кластеры для обеспечения высокопроизводительной непрерывной обработки.
Использование кластеров из устройств UIP6000hdT или UIP16000hdT позволяет производителям увеличить производственную мощность при сохранении контролируемого уровня подачи ультразвуковой энергии. Такой модульный подход особенно целесообразен при переходе от пилотного производства к полномасштабному.

Поддержка промышленных конфигураций:

• Непрерывная поточная диспергировка графена, углеродных нанотрубок и нанодобавок.
• Высокопроизводительная обработка исходных дисперсий наноматериалов.
• Интеграция в линии по производству добавок к цементу или сухих строительных смесей.
• Параллельная работа ультразвуковых реакторов для увеличения производительности.
• Надежные производственные среды, работающие круглосуточно и без перерывов.
• Управление и мониторинг технологических процессов для обеспечения стабильного качества продукции.

Промышленные системы Hielscher рассчитаны на интенсивную непрерывную эксплуатацию; в ассортименте представлены мощные агрегаты мощностью до 16 кВт на одно устройство.

Литература / Литература