Цементные растворы с наноармированием и ультразвуковым диспергированием

Обработка ультразвуком улучшает диспергирование, эксфолиацию и деагломерацию графена, CNT и наноматериалов в цементных пастах и растворах. Ультразвуковые аппараты Hielscher позволяют разрабатывать рецептуры высокоэффективных цементных материалов на всех этапах – от исследований и разработок до промышленного производства.

Цементные растворы с наноармированием – улучшенное диспергирование и деагломерация благодаря обработке ультразвуком

Цементные растворы и цементные пасты с наноармированием открывают широкие возможности для создания высокоэффективных строительных материалов. Введение таких наноматериалов, как графен, оксид графена, углеродные нанотрубки (CNT), нанокремнезём, наноглины или другие функциональные наполнители, позволяет создавать материалы на основе цемента с повышенной механической прочностью, трещиностойкостью, долговечностью и электропроводностью, пониженной проницаемостью и улучшенными эксплуатационными характеристиками в долгосрочной перспективе.
Проблема: Полный потенциал наноматериалов в цементных системах реализуется только при равномерном диспергировании частиц. Графеновые листы, пучки CNT и другие нанодобавки склонны образовывать агломераты из-за сильных сил Ван-дер-Ваальса, высокой поверхностной энергии и перепутывания. Обычное перемешивание, роторно-статорное смешивание или простое смешивание порошков часто не обеспечивают достаточного разрушения этих агломератов. Результат – неравномерное распределение, слабые участки в матрице раствора, неэффективное использование дорогостоящих наноматериалов и нестабильные свойства материала.
Решение: Ультразвуковые аппараты Hielscher зондового типа обеспечивают эффективное, масштабируемое и проверенное в промышленности решение для диспергирования, эксфолиации, деагломерации и функционального переплетения наноматериалов в цементных пастах, рецептурах растворов и суспензиях прекурсоров. Hielscher разрабатывает и производит ультразвуковые процессоры для обработки жидкостей – от лабораторных исследований технологической осуществимости до непрерывного промышленного производства. Ассортимент оборудования рассчитан на масштабирование от компактных лабораторных систем до промышленных установок высокой мощности.

Почему диспергирование наноматериалов важно для цементных растворов

Наноматериалы могут значительно улучшать свойства композитов на основе цемента, поскольку взаимодействуют с цементной матрицей на очень малом пространственном масштабе. Правильно диспергированные графен, CNT и другие нанонаполнители могут служить центрами зародышеобразования, перекрывать микротрещины, улучшать структуру пор и передачу нагрузки внутри затвердевшей матрицы.
На практике эксплуатационные характеристики в меньшей степени зависят от номинального количества добавленного наноматериала и в большей – от качества диспергирования. Небольшое количество хорошо диспергированного графена или CNT может обеспечивать лучшие характеристики, чем большее количество плохо диспергированного материала. Агломераты действуют как дефекты, а не как армирующие элементы. Они снижают удобоукладываемость, создают концентрации напряжений и ограничивают эффективную площадь поверхности добавки.
Ультразвуковое диспергирование решает эту ключевую задачу разработки рецептур. Высокоинтенсивный ультразвук посредством акустической кавитации создаёт сильные локальные сдвиговые усилия, микроперемешивание, ударные волны и микроструи жидкости. Эти воздействия разделяют наноматериалы, собранные в пучки, смачивают поверхности частиц и равномерно распределяют их по всей жидкой фазе до введения в цементный порошок, пасту или раствор.

Ультразвуковая деагломерация графена, CNT и нанодобавок

Графеновые нанопластинки, оксид графена, восстановленный оксид графена и углеродные нанотрубки особенно привлекательны для современных материалов на основе цемента. Они могут способствовать повышению прочности при растяжении и изгибе, трещиностойкости и электропроводности, а также улучшению тепловых характеристик и долговечности. При этом они относятся к числу наиболее трудно диспергируемых добавок.
Ультразвуковая кавитация помогает преодолеть силы притяжения между наноразмерными структурами. В жидкости, обрабатываемой ультразвуком, схлопывающиеся кавитационные пузырьки обеспечивают интенсивный локальный подвод энергии. Это может разрушать скопления частиц, разделять пучки CNT, расслаивать слоистые материалы и улучшать распределение нанонаполнителей.

К основным эффектам ультразвука при производстве растворов с наноармированием относятся:

• Деагломерация: Разрушение скоплений графена, CNT, нанокремнезёма или гибридных добавок с получением более мелких частиц и более однородного распределения их размеров.
• Диспергирование: Однородное распределение наноматериалов в воде, растворах пластификаторов, смесях добавок или суспензиях на основе цемента.
• Эксфолиация: Разделение слоистых материалов, таких как графит, графеновые нанопластинки или глины, на более тонкие листы с большей активной площадью поверхности.
• Смачивание и активация: Улучшение контакта жидкости с поверхностями наноматериалов для более эффективного взаимодействия с гидратами цемента и добавками.
• Переплетение и формирование сетей: Содействие формированию распределённых сетей CNT или графена, которые могут улучшать перекрытие трещин, проводимость и структурную функциональность.
• Воспроизводимость: Создание контролируемых условий процесса для получения стабильных рецептур – от лабораторных испытаний до производственного масштаба.

Преимущества ультразвукового диспергирования в цементных пастах и растворах

Экономическая и техническая ценность обработки ультразвуком особенно велика при производстве высокоэффективных цементных материалов. Наноматериалы часто стоят дорого, а польза от них зависит от эффективности их использования. Когда обработка ультразвуком улучшает качество диспергирования, разработчики рецептур часто могут уменьшить избыточное дозирование, повысить воспроизводимость и получить более высокие эксплуатационные характеристики в расчёте на килограмм добавки.

Для производителей современных растворов, ремонтных материалов, сборных элементов, материалов на основе цемента для 3D-печати или специальной строительной химии обработка ультразвуком может способствовать:

• Повышению прочности при сжатии, изгибе и растяжении благодаря улучшенному распределению нанонаполнителей.
• Повышению трещиностойкости и вязкости разрушения благодаря более эффективному микроармированию.
• Снижению проницаемости и повышению долговечности за счёт улучшения структуры пор.
• Повышению стабильности качества материала от партии к партии.
• Более эффективному использованию дорогостоящего графена, CNT и других нанодобавок.
• Ускорению отбора рецептур и оптимизации процесса.
• Масштабируемому производству – от лабораторной разработки до непрерывной промышленной обработки.
• Улучшению контроля параметров процесса, таких как амплитуда, подвод энергии, расход, температура и время пребывания.

Ультразвуковые аппараты Hielscher предназначены для измеримой и воспроизводимой передачи энергии в жидкости, суспензии и шламы. Один и тот же основной механизм обработки ультразвуком может использоваться в разных классах мощности, позволяя заказчикам разрабатывать параметры процесса в малом масштабе, а затем переносить их на более крупные настольные, пилотные или промышленные системы.

Инфракрасные термограммы наномодифицированной цементной пасты, армированной (a) CNT и (b) GNP. CNT и графен диспергировали с помощью ультразвукового аппарата UP400S.
Исследование и графики: ©Farmaki et al., 2025

Обработка ультразвуком перед добавлением цемента: предпочтительная технологическая схема

Для многих рецептур цементных материалов с наноармированием наиболее эффективный подход заключается в предварительном диспергировании наноматериала в жидкой фазе. Это может быть вода, раствор суперпластификатора, диспергирующая среда с поверхностно-активными веществами, полимерная добавка, золь кремнезёма или другой жидкий компонент рецептуры раствора.
Типичная технологическая схема с применением ультразвука:

1. Добавьте графен, CNT или другие наноматериалы в жидкую фазу.
2. Предварительно смочите порошок или нанонаполнитель при умеренном перемешивании.
3. Примените высокоинтенсивную обработку ультразвуком для деагломерации и диспергирования материала.
4. При необходимости контролируйте температуру.
5. Добавьте обработанную ультразвуком нанодисперсию к цементу, песку и другим компонентам раствора.
6. Перемешайте до получения окончательной консистенции пасты или раствора.

Эта схема обеспечивает более точный контроль, чем сухое смешивание наночастиц с цементным порошком. Она также повышает вероятность того, что наноматериалы будут уже разделены, смочены и равномерно распределены до начала гидратации и схватывания.

Экономические преимущества для производства высокоэффективных цементных материалов

Нанодобавки могут стоить дорого, и их применение должно быть обосновано измеримым улучшением эксплуатационных характеристик. Плохое диспергирование приводит к нерациональному расходованию материала. Агломерированные графен или CNT увеличивают стоимость рецептуры, не обеспечивая ожидаемого армирования. Ультразвуковое диспергирование, напротив, повышает эффективность использования наноматериалов.
Экономические преимущества включают:

• Снижение потерь добавок: Большая доля наноматериала способствует улучшению эксплуатационных характеристик, вместо того чтобы оставаться связанной в агломератах.
• Снижение рисков при разработке рецептур: Стабильное диспергирование уменьшает количество неудачных партий и нестабильных результатов испытаний.
• Ускорение циклов исследований и разработок: Отбор рецептур можно проводить при контролируемых параметрах обработки ультразвуком.
• Улучшенное масштабирование: Параметры процесса можно переносить с испытаний технологической осуществимости на промышленное оборудование.
• Продукция с более высокой ценностью: Более прочные, долговечные и функциональные растворы подходят для применения в премиальном сегменте.
• Возможность непрерывного производства: Обработка ультразвуком в потоке обеспечивает высокую производительность обработки при коммерческом производстве.

Для производителей ключевая ценность заключается не только в улучшении качества диспергирования. Она состоит в возможности превратить цемент с наноармированием из лабораторной концепции в контролируемый, масштабируемый производственный процесс.

От лабораторной разработки рецептур до промышленного производства цементных материалов

Одно из главных преимуществ ультразвуковой технологии Hielscher – практический путь масштабирования. Рецептуры цементных материалов с наноармированием можно разрабатывать на настольных установках, а затем переносить на более крупные системы без изменения основного принципа обработки. Вместо того чтобы заново разрабатывать процесс диспергирования для производства, изготовители могут масштабировать ультразвуковую мощность, геометрию проточной ячейки, время пребывания и конфигурацию реактора.
Это снижает технические риски. Это также сокращает путь от успешных образцов раствора до коммерческих высокоэффективных цементных материалов.

Типичная последовательность масштабирования включает:

1. Определите целевые эксплуатационные характеристики раствора и систему наноматериалов.
2. Проведите отбор графена, CNT, нанокремнезёма или гибридных добавок.
3. Определите необходимую интенсивность обработки ультразвуком и подвод энергии.
4. Оптимизируйте дисперсионные среды, добавки и контроль температуры.
5. Изготовьте испытательные партии с помощью систем UIP1000hdT или UIP2000hdT.
6. Проверьте свойства раствора, такие как прочность, удобоукладываемость и долговечность.
7. Перенесите процесс на кластеры UIP6000hdT или UIP16000hdT для производства.
8. Интегрируйте обработку ультразвуком в потоке в непрерывное производство.

Высокоэффективным цементным материалам необходимо высококачественное диспергирование

Будущее цементных технологий основано не только на новых химических составах вяжущих. Оно также зависит от улучшенного контроля микроструктуры, функциональных добавок и обработки. Такие наноматериалы, как графен и CNT, могут помогать создавать более прочные, трещиностойкие, интеллектуальные и долговечные материалы на основе цемента. Но для этого необходимо надёжное диспергирование.
Ультразвуковые аппараты Hielscher предоставляют производителям цемента, изготовителям строительной химии и исследовательским институтам масштабируемый инструмент для обработки нанодобавок. От начальной разработки рецептуры до высокопроизводительного производства в потоке обработка ультразвуком улучшает диспергирование, эксфолиацию, деагломерацию и функциональное структурирование наноматериалов в цементных пастах и растворах.
Для производства высокоэффективных цементных материалов обработка ультразвуком даёт явное преимущество: улучшенные эксплуатационные характеристики материала, более эффективное использование дорогостоящих нанодобавок и прямой путь от лабораторного успеха к промышленному производству.

В таблице ниже приведена ориентировочная производительность наших ультразвуковых аппаратов:

Ультразвуковые аппараты Hielscher для исследований, испытаний технологической осуществимости и производства

Hielscher предлагает ультразвуковые процессоры лабораторного, настольного, пилотного и промышленного классов мощности. Это имеет принципиальное значение для разработчиков цементных материалов и растворов, поскольку рецептуры с наноармированием часто должны пройти несколько этапов: первоначальный отбор материалов, разработку параметров диспергирования, испытания раствора, изготовление пилотных партий и промышленное производство.
Ассортимент Hielscher построен вокруг масштабируемой обработки ультразвуком и включает системы для лабораторных разработок, пилотных испытаний и испытаний на настольных установках, работы в тяжёлых промышленных условиях и непрерывного производства в потоке с использованием проточных ячеек и реакторов.

UIP1000hdT и UIP2000hdT для исследований на настольных установках и испытаний технологической осуществимости

UIP1000hdT и UIP2000hdT – мощные настольные ультразвуковые процессоры для разработки рецептур, исследований технологической осуществимости и обработки в среднем масштабе. Они хорошо подходят для разработки рецептур цементных материалов с наноармированием, когда исследователям необходимо проверять тип наноматериала, его концентрацию, химический состав диспергирующей среды, интенсивность обработки ультразвуком, время обработки и контроль температуры.

Эти системы идеально подходят для:

• Диспергирования графена и CNT в воде или растворах добавок.
• Испытаний технологической осуществимости получения цементных паст с наноармированием.
• Оптимизации подвода энергии при обработке ультразвуком.
• Приготовления воспроизводимых испытательных партий.
• Разработки рецептур высокоэффективных растворов.
• Непрерывной обработки в малом масштабе с помощью установок с проточными ячейками.
• Проверки масштабирования перед промышленным производством.

Для исследовательских коллективов UIP1000hdT и UIP2000hdT обеспечивают интенсивность процесса, необходимую для сложных в обработке наноматериалов, при этом установка остаётся удобной для использования в лабораториях, технических центрах и на пилотных площадках.

Ультразвуковая эксфолиация графена

Кластеры UIP6000hdT и UIP16000hdT для высокопроизводительного производства

Для производства в коммерческом масштабе цементных добавок с наноармированием, нанодисперсий или компонентов высокоэффективных растворов промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher, такие как UIP6000hdT и UIP16000hdT, могут быть объединены в кластеры для высокопроизводительной непрерывной обработки.
Кластеры из устройств UIP6000hdT или UIP16000hdT позволяют производителям увеличивать производительность обработки, сохраняя контролируемый подвод ультразвуковой энергии. Такой модульный подход особенно полезен при увеличении объёмов производства от пилотного до полномасштабного.

Промышленные конфигурации обеспечивают:

• Непрерывное диспергирование графена, CNT и нанодобавок в потоке.
• Высокопроизводительную обработку концентрированных исходных дисперсий наноматериалов.
• Интеграцию в линии производства цементных добавок или сухих растворных смесей.
• Параллельную работу ультразвуковых реакторов для повышения производительности.
• Надёжную работу в производственных условиях 24/7.
• Управление процессом и его мониторинг для обеспечения стабильного качества продукции.

Промышленные системы Hielscher предназначены для непрерывной работы в сложных условиях; доступны высокомощные установки мощностью до 16 kW на устройство.

Литература / Источники

• 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.