Cementové malty vystužené nanomateriálmi s využitím ultrazvukovej dispergácie

Sonikácia zlepšuje dispergáciu, exfoliáciu a deaglomeráciu grafénu, CNT a nanomateriálov v cementových pastách a maltách. Sonikátory Hielscher umožňujú vývoj receptúr vysokovýkonných cementových materiálov od výskumu a vývoja až po priemyselnú výrobu.

Cementové malty vystužené nanomateriálmi – lepšia dispergácia a deaglomerácia pomocou sonikácie

Cementové malty a cementové pasty vystužené nanomateriálmi ponúkajú účinnú cestu k vysokovýkonným stavebným materiálom. Začlenením nanomateriálov, ako sú grafén, oxid grafénu, uhlíkové nanorúrky (CNT), nanooxid kremičitý, nanoíly alebo iné funkčné plnivá, možno navrhovať materiály na báze cementu so zlepšenou mechanickou pevnosťou, odolnosťou proti vzniku trhlín, trvanlivosťou, elektrickou vodivosťou, zníženou priepustnosťou a zlepšenými dlhodobými úžitkovými vlastnosťami.
Problém: Plný potenciál nanomateriálov v cementových systémoch sa dosiahne iba vtedy, keď sú častice rovnomerne dispergované. Grafénové vrstvy, zväzky CNT a ďalšie nanoprísady majú tendenciu vytvárať aglomeráty v dôsledku silných van der Waalsových síl, vysokej povrchovej energie a vzájomného zapletenia. Bežné miešanie, miešanie rotorovo-statorovým zariadením alebo jednoduché miešanie práškov často nedokážu tieto aglomeráty dostatočne rozrušiť. Výsledkom je nerovnomerné rozloženie, slabé miesta v matrici malty, neefektívne využitie drahých nanomateriálov a nevyrovnané vlastnosti materiálu.
Riešenie: Sondové ultrazvukové zariadenia Hielscher poskytujú efektívne, škálovateľné a priemyselne overené riešenie na dispergáciu, exfoliáciu, deaglomeráciu a funkčné zapletanie nanomateriálov v cementových pastách, maltových zmesiach a suspenziách prekurzorov. Hielscher vyvíja a vyrába ultrazvukové procesory na spracovanie kvapalín od laboratórnych skúšok realizovateľnosti až po priemyselnú kontinuálnu výrobu, pričom jeho portfólio je navrhnuté na zväčšovanie mierky od kompaktných laboratórnych systémov až po priemyselné zariadenia s vysokým výkonom.

Prečo je dispergácia nanomateriálov v cementových maltách dôležitá

Nanomateriály môžu výrazne zlepšiť kompozity na báze cementu, pretože interagujú s cementovou matricou vo veľmi malej dĺžkovej mierke. Správne dispergovaný grafén, CNT a ďalšie nanoplnivá môžu pôsobiť ako nukleačné miesta, premosťovať mikrotrhliny, zjemňovať pórovú štruktúru a zlepšovať prenos zaťaženia v stvrdnutej matrici.
V praxi závisia úžitkové vlastnosti menej od nominálneho množstva pridaného nanomateriálu a viac od kvality dispergácie. Malé množstvo dobre dispergovaného grafénu alebo CNT môže priniesť lepšie výsledky než väčšie množstvo nedostatočne dispergovaného materiálu. Aglomeráty sa správajú skôr ako defekty než ako výstuž. Znižujú spracovateľnosť, vytvárajú koncentrácie napätia a obmedzujú účinnú povrchovú plochu prísady.
Ultrazvuková dispergácia rieši tento zásadný problém pri tvorbe receptúr. Ultrazvuk s vysokou intenzitou vytvára prostredníctvom akustickej kavitácie silné lokálne šmykové sily, mikromiešanie, rázové vlny a kvapalinové mikroprúdy. Tieto účinky oddeľujú nanomateriály zoskupené do zväzkov, zmáčajú povrchy častíc a rovnomerne ich rozptyľujú v celej kvapalnej fáze pred ich začlenením do cementového prášku, pasty alebo malty.

Ultrazvuková deaglomerácia grafénu, CNT a nanoprísad

Grafénové nanoplatelety, oxid grafénu, redukovaný oxid grafénu a uhlíkové nanorúrky sú obzvlášť zaujímavé pre pokročilé materiály na báze cementu. Môžu prispievať k pevnosti v ťahu, pevnosti v ohybe, lomovej húževnatosti, elektrickej vodivosti, tepelnému správaniu a trvanlivosti. Zároveň patria medzi prísady, ktoré sa dispergujú najťažšie.
Ultrazvuková kavitácia pomáha prekonávať príťažlivé sily medzi štruktúrami v nanometrovej mierke. V sonikovanej kvapaline vytvárajú kolabujúce kavitačné bubliny intenzívny lokálny prívod energie. To môže rozrušovať zhluky častíc, oddeľovať zväzky CNT, exfoliovať vrstevnaté materiály a zlepšovať rozloženie nanoplnív.

Medzi kľúčové účinky ultrazvuku pri výrobe malty vystuženej nanomateriálmi patria:

• Deaglomerácia: Rozrušovanie zhlukov grafénu, CNT, nanooxidu kremičitého alebo hybridných prísad na menšie častice s rovnomernejšou distribúciou.
• Dispergovanie: Homogénne rozptýlenie nanomateriálov vo vode, roztokoch plastifikátorov, zmesiach prísad alebo cementových suspenziách.
• Exfoliácia: Oddeľovanie vrstevnatých materiálov, ako sú grafit, grafénové nanodoštičky alebo íly, na tenšie vrstvy s väčším aktívnym povrchom.
• Zmáčanie a aktivácia: Zlepšenie kontaktu kvapaliny s povrchmi nanomateriálov na dosiahnutie lepšej interakcie s hydrátmi cementu a prísadami.
• Prepletanie a tvorba sietí: Podpora tvorby rozptýlených sietí CNT alebo grafénu, ktoré môžu zlepšiť premosťovanie trhlín, vodivosť a štruktúrnu funkčnosť.
• Reprodukovateľnosť: Vytváranie riadených procesných podmienok na dosiahnutie konzistentných zložení od laboratórnych skúšok až po výrobný rozsah.

Výhody ultrazvukového dispergovania v cementových pastách a maltách

Ekonomický a technický prínos sonikácie je obzvlášť výrazný pri výrobe vysokovýkonného cementu. Nanomateriály sú často drahé a ich prínos závisí od efektívneho využitia. Keď sonikácia zlepšuje kvalitu dispergovania, vývojári receptúr môžu často znížiť nadmerné dávkovanie, zvýšiť reprodukovateľnosť a dosiahnuť lepšie úžitkové vlastnosti na kilogram prísady.

Výrobcom pokročilých mált, opravných materiálov, prefabrikovaných dielcov, cementových materiálov na 3D tlač alebo špeciálnej stavebnej chémie môže ultrazvukové spracovanie pomôcť dosiahnuť:

• Vyššiu pevnosť v tlaku, ohybe a ťahu vďaka lepšiemu rozloženiu nanoplnív.
• Lepšiu odolnosť proti tvorbe trhlín a húževnatosť vďaka účinnejšiemu mikrovystuženiu.
• Nižšiu priepustnosť a lepšiu trvanlivosť vďaka zjemneniu pórovej štruktúry.
• Konzistentnejšiu kvalitu materiálu medzi jednotlivými šaržami.
• Lepšie využitie drahého grafénu, CNT a ďalších nanoprísad.
• Rýchlejšie preverovanie receptúr a optimalizáciu procesu.
• Škálovateľnú výrobu od laboratórneho vývoja až po kontinuálne priemyselné spracovanie.
• Lepšie riadenie procesných parametrov, ako sú amplitúda, prívod energie, prietok, teplota a čas zdržania.

Ultrazvukové zariadenia Hielscher sú navrhnuté na merateľný a reprodukovateľný prenos energie do kvapalín, suspenzií a kalov. Rovnaký základný mechanizmus sonikácie možno využívať v rôznych výkonových triedach, čo zákazníkom umožňuje vyvíjať procesné parametre v malom rozsahu a následne ich preniesť do väčších stolových, poloprevádzkových alebo priemyselných systémov.

Infračervené termogramy nanomodifikovanej cementovej pasty vystuženej (a) CNT a (b) GNP. CNT a grafén boli dispergované sonikátorom UP400S.
Štúdia a grafy: ©Farmaki et al., 2025

Sonikácia pred pridaním cementu: preferovaný technologický postup

Pri mnohých receptúrach cementu vystuženého nanomateriálmi je najúčinnejším prístupom najprv dispergovať nanomateriál v kvapalnej fáze. Tou môže byť voda, roztok superplastifikátora, dispergačné činidlo obsahujúce povrchovo aktívnu látku, polymérna prísada, kremičitý sól alebo iná kvapalná zložka maltovej zmesi.
Typický ultrazvukový technologický postup je:

1. Pridajte grafén, CNT alebo iné nanomateriály do kvapalnej fázy.
2. Prášok alebo nanoplnivo vopred zmáčajte za mierneho miešania.
3. Použite ultrazvuk vysokej intenzity na deaglomeráciu a dispergovanie materiálu.
4. V prípade potreby regulujte teplotu.
5. Pridajte sonikovanú nanodisperziu k cementu, piesku a ostatným zložkám malty.
6. Miešajte až do dosiahnutia konečnej konzistencie pasty alebo malty.

Tento postup umožňuje lepšie riadenie než suché primiešavanie nanočastíc do cementového prášku. Zvyšuje aj pravdepodobnosť, že nanomateriály budú už oddelené, zmáčané a rovnomerne rozptýlené pred začiatkom hydratácie a tuhnutia.

Ekonomické výhody pri výrobe vysokovýkonného cementu

Nanoprísady môžu byť nákladné a ich použitie musí byť odôvodnené merateľným zlepšením úžitkových vlastností. Nedostatočná dispergácia vedie k plytvaniu materiálom. Aglomerovaný grafén alebo CNT zvyšujú náklady na zloženie bez toho, aby poskytovali očakávané vystuženie. Naproti tomu ultrazvuková dispergácia zlepšuje efektívne využitie nanomateriálov.
Ekonomické výhody zahŕňajú:

• Menšie plytvanie prísadami: Väčší podiel nanomateriálu prispieva k úžitkovým vlastnostiam namiesto toho, aby zostával viazaný v aglomerátoch.
• Nižšie riziko pri návrhu zloženia: Rovnomerná dispergácia znižuje počet nevyhovujúcich šarží a nestabilitu výsledkov skúšok.
• Rýchlejšie cykly výskumu a vývoja: Zloženia možno predbežne vyhodnocovať pri riadených parametroch sonikácie.
• Lepší prechod na väčšiu výrobnú mierku: Procesné parametre možno preniesť zo skúšok realizovateľnosti na priemyselné zariadenia.
• Výrobky s vyššou hodnotou: Pevnejšie, trvanlivejšie a funkčné malty umožňujú použitie v prémiových aplikáciách.
• Potenciál kontinuálnej výroby: Sonikácia priamo vo výrobnej linke umožňuje spracovanie s vysokou kapacitou v komerčnej výrobe.

Pre výrobcov nie je kľúčovou hodnotou len lepšia kvalita dispergácie. Je ňou schopnosť premeniť cement vystužený nanomateriálmi z laboratórneho konceptu na riadený výrobný proces, ktorého mierku možno zväčšovať.

Od laboratórneho vývoja zloženia po priemyselnú výrobu cementu

Významnou výhodou ultrazvukovej technológie Hielscher je praktická cesta k zväčšovaniu výrobnej mierky. Zloženia cementu vystuženého nanomateriálmi možno vyvíjať v mierke stolových zariadení a potom ich preniesť do väčších systémov bez zmeny základného princípu spracovania. Namiesto navrhovania dispergačného procesu pre výrobu odznova môžu výrobcovia prispôsobovať ultrazvukový výkon, geometriu prietokovej komory, čas zdržania a konfiguráciu reaktora požadovanej mierke.
Tým sa znižuje technické riziko. Zároveň sa skracuje cesta od úspešných vzoriek malty ku komerčným vysokovýkonným cementovým výrobkom.

Typický pracovný postup pri zväčšovaní výrobnej mierky zahŕňa:

1. Definujte cieľové úžitkové vlastnosti malty a systém nanomateriálov.
2. Predbežne vyhodnoťte grafénové prísady, CNT, nanokremičité alebo hybridné prísady.
3. Určite požadovanú intenzitu sonikácie a prívod energie.
4. Optimalizujte dispergačné médiá, prísady a reguláciu teploty.
5. Vyrobte skúšobné šarže pomocou systémov UIP1000hdT alebo UIP2000hdT.
6. Overte vlastnosti malty, ako sú pevnosť, spracovateľnosť a trvanlivosť.
7. Na účely výroby preneste proces na zostavy jednotiek UIP6000hdT alebo UIP16000hdT.
8. Integrujte sonikáciu priamo vo výrobnej linke do kontinuálnej výroby.

Vysokovýkonný cement potrebuje kvalitnú dispergáciu

Budúcnosť cementovej technológie nie je založená len na novom chemickom zložení spojív. Závisí aj od lepšieho riadenia mikroštruktúry, funkčných prísad a spracovania. Nanomateriály, ako sú grafén a CNT, môžu pomôcť vyrábať pevnejšie, húževnatejšie, inteligentnejšie a trvanlivejšie cementové materiály. To si však vyžaduje spoľahlivú dispergáciu.
Ultrazvukové procesory Hielscher poskytujú výrobcom cementu, výrobcom stavebnej chémie a výskumným ústavom nástroj na spracovanie nanoprísad s možnosťou zväčšovania výrobnej mierky. Od počiatočného vývoja zloženia až po výrobu s vysokou kapacitou priamo vo výrobnej linke sonikácia zlepšuje dispergáciu, exfoliáciu, deaglomeráciu a funkčné štruktúrovanie nanomateriálov v cementových pastách a maltách.
Pri výrobe vysokovýkonného cementu ponúka ultrazvukové spracovanie jasnú výhodu: lepšie úžitkové vlastnosti materiálu, efektívnejšie využitie drahých nanoprísad a priamu cestu od laboratórneho úspechu k priemyselnej výrobe.

Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej kapacite spracovania našich ultrazvukových procesorov:

Sonikátory Hielscher na výskum, skúšky realizovateľnosti a výrobu

Hielscher ponúka ultrazvukové procesory vo výkonových triedach pre laboratórne, stolové, poloprevádzkové a priemyselné systémy. To je zásadné pre vývojárov cementov a mált, pretože formulácie vystužené nanomateriálmi musia často prejsť viacerými fázami: počiatočným skríningom materiálov, vývojom parametrov dispergácie, skúšaním mált, prípravou poloprevádzkových šarží a priemyselnou výrobou.
Portfólio spoločnosti Hielscher je založené na ultrazvukovom spracovaní s možnosťou zväčšovania výrobného meradla a zahŕňa systémy na laboratórny vývoj, poloprevádzkové skúšky a skúšky na stolových zariadeniach, náročnú priemyselnú prevádzku a kontinuálnu výrobu priamo v linke s využitím prietokových komôr a reaktorov.

UIP1000hdT a UIP2000hdT na výskum so stolovými zariadeniami a skúšky uskutočniteľnosti

UIP1000hdT a UIP2000hdT sú výkonné stolové ultrazvukové procesory na vývoj formulácií, štúdie uskutočniteľnosti a spracovanie v strednom meradle. Sú veľmi vhodné na vývoj cementových formulácií vystužených nanomateriálmi, pri ktorom výskumníci potrebujú skúšať typ nanomateriálu, koncentráciu, chemické zloženie dispergačného činidla, intenzitu sonikácie, čas spracovania a reguláciu teploty.

Tieto systémy sú ideálne na:

• Dispergáciu grafénu a CNT vo vode alebo v roztokoch prísad.
• Skúšky uskutočniteľnosti cementových pást vystužených nanomateriálmi.
• Optimalizáciu prívodu energie pri sonikácii.
• Prípravu reprodukovateľných skúšobných šarží.
• Vývoj formulácií vysokovýkonných mált.
• Kontinuálne spracovanie v malom meradle so zostavami s prietokovými komorami.
• Validáciu zväčšenia výrobného meradla pred priemyselnou výrobou.

Tímom výskumu a vývoja poskytujú UIP1000hdT a UIP2000hdT intenzitu procesu potrebnú na spracovanie náročných nanomateriálov, pričom zostava zostáva praktická pre laboratóriá, technické centrá a poloprevádzky.

Ultrazvuková exfoliácia grafénu

Zostavy jednotiek UIP6000hdT a UIP16000hdT na výrobu s vysokou kapacitou

Na výrobu cementových prísad vystužených nanomateriálmi, nanodisperzií alebo zložiek vysokovýkonných mált v komerčnom meradle možno priemyselné ultrazvukové zariadenia Hielscher, ako sú UIP6000hdT a UIP16000hdT, nakonfigurovať do zostáv na kontinuálne spracovanie s vysokou kapacitou.
Zostavy jednotiek UIP6000hdT alebo UIP16000hdT umožňujú výrobcom zvýšiť kapacitu spracovania pri zachovaní riadeného prívodu ultrazvukovej energie. Tento modulárny prístup je obzvlášť užitočný, keď objemy výroby rastú z poloprevádzkového meradla na plnú výrobnú prevádzku.

Priemyselné konfigurácie podporujú:

• Kontinuálnu dispergáciu grafénu, CNT a nanoprísad priamo v linke.
• Spracovanie zásobných disperzií nanomateriálov s vysokou kapacitou.
• Integráciu do výrobných liniek na cementové prísady alebo suché maltové zmesi.
• Paralelnú prevádzku ultrazvukových reaktorov na zvýšenie kapacity.
• Robustnú výrobnú prevádzku v režime 24/7.
• Riadenie a monitorovanie procesu na zabezpečenie stálej kvality výrobku.

Priemyselné systémy Hielscher sú určené na náročnú nepretržitú prevádzku a vysokovýkonné jednotky sú dostupné s výkonom až 16 kW na zariadenie.

Literatúra / Referencie

• 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.