Nano-vyztužené cementové malty s ultrazvukovou disperziou

Ultrazvuková sonikácia zlepšuje disperziu, exfoliáciu a deaglomeráciu grafénu, uhlíkových nanorúrok (CNT) a nanomateriálov v cementových pastách a maltách. Sonikátory spoločnosti Hielscher umožňujú prípravu vysoko výkonných cementových zmesí od R&D v priemyselnej výrobe.

Cementové malty vystužené nanomateriálmi – Lepšia disperzia a deaglomerácia pomocou ultrazvuku

Cementové malty a cementové pasty vyztužené nanomateriálmi predstavujú sľubnú cestu k vysokovýkonným stavebným materiálom. Vďaka pridaniu nanomateriálov, ako sú grafen, oxid grafenu, uhlíkové nanorúrky (CNT), nano-kremík, nano-íly alebo iné funkčné plnivá, je možné cementové materiály upraviť tak, aby mali vyššiu mechanickú pevnosť, odolnosť proti praskaniu, trvanlivosť, elektrickú vodivosť, zníženú priepustnosť a lepšie dlhodobé vlastnosti.
Problém: Plný potenciál nanomateriálov v cementových systémoch sa dosiahne len vtedy, ak sú častice rovnomerne rozptýlené. Grafenové vrstvy, zväzky uhlíkových nanorúrok (CNT) a iné nanoaditíva majú tendenciu vytvárať aglomeráty v dôsledku silných van der Waalsových síl, vysokej povrchovej energie a vzájomného prepletenia. Bežné miešanie, miešanie pomocou rotora a statora alebo jednoduché zmiešavanie práškov často nedokážu tieto aglomeráty dostatočne rozbiť. Výsledkom je zlá distribúcia, slabé miesta v matrici malty, neefektívne využitie drahých nanomateriálov a nejednotné vlastnosti materiálu.
Riešenie: Ultrazvukové zariadenia typu sondy od spoločnosti Hielscher ponúkajú efektívne, škálovateľné a v priemysle osvedčené riešenie na disperziu, exfoliáciu, deaglomeráciu a funkčné prepletenie nanomateriálov v cementových pastách, maltových zmesiach a suspenziách prekurzorov. Spoločnosť Hielscher vyvíja a vyrába ultrazvukové zariadenia na spracovanie kvapalín, od laboratórnych štúdií realizovateľnosti až po priemyselnú nepretržitú výrobu, s portfóliom navrhnutým pre škálovanie od kompaktných laboratórnych systémov až po vysokovýkonné priemyselné zariadenia.

Prečo je disperzia nanomateriálov dôležitá v cementových maltách

Nanomateriály môžu výrazne zlepšiť vlastnosti cementových kompozitov, pretože na veľmi malej dĺžkovej škále interagujú s cementovou matricou. Správne dispergovaný grafen, uhlíkové nanorúrky (CNT) a iné nanoplnivá môžu pôsobiť ako miesta nukleácie, preklenúť mikrotrhliny, zjemniť pórovú štruktúru a zlepšiť prenos zaťaženia v rámci vytvrdenej matrice.
V praxi závisí výkonnosť menej od nominálneho množstva pridaného nanomateriálu a viac od kvality disperzie. Malé množstvo dobre dispergovaného grafénu alebo uhlíkových nanorúrok môže dosiahnuť lepšie výsledky ako väčšie množstvo zle dispergovaného materiálu. Aglomeráty sa správajú skôr ako defekty než ako výstuž. Znižujú spracovateľnosť, vytvárajú koncentrácie napätia a obmedzujú efektívnu povrchovú plochu prísady.
Ultrazvuková disperzia rieši tento kľúčový problém pri príprave zmesí. Vysokointenzívny ultrazvuk prostredníctvom akustickej kavitácie vyvoláva silné lokalizované šmykové sily, mikromiešanie, rázové vlny a mikroprúdy kvapaliny. Tieto účinky oddeľujú zhluknuté nanomateriály, zvlhčujú povrchy častíc a rovnomerne ich rozptyľujú v kvapalnej fáze ešte predtým, ako sa začlenia do cementového prášku, pasty alebo malty.

Ultrazvuková deaglomerácia grafenu, uhlíkových nanorúrok a nanoaditív

Grafénové nanoplatničky, oxid grafénu, redukovaný oxid grafénu a uhlíkové nanorúrky sú obzvlášť zaujímavé pre pokročilé cementové materiály. Môžu prispievať k pevnosti v ťahu, pevnosti v ohybe, lomovej húževnatosti, elektrickej vodivosti, tepelným vlastnostiam a trvanlivosti. Zároveň však patria medzi prísady, ktorých dispergovanie je najnáročnejšie.
Ultrazvuková kavitácia pomáha prekonať príťažlivé sily medzi štruktúrami v nanoměřítku. V kvapaline vystavenej ultrazvuku kolabujúce kavitačné bubliny generujú intenzívny lokálny prísun energie. To môže rozbiť zhluky častíc, oddeliť zväzky uhlíkových nanorúrok (CNT), exfoliovať vrstevnaté materiály a zlepšiť distribúciu nanoplnív.

Medzi kľúčové ultrazvukové efekty pri výrobe nano-vyztuženej malty patria:

• Deaglomerácia: Rozdrobňovanie zhlukov grafénu, uhlíkových nanorúrok (CNT), nano-oxidov kremičitých alebo hybridných prísad na menšie, rovnomernejšie rozloženie častíc.
• Rozptyl: Rovnomerné rozptýlenie nanomateriálov vo vode, roztokoch zmäkčovadiel, zmesiach prísad alebo cementových kašiach.
• Peeling: Rozdelenie vrstevnatých materiálov, ako sú grafit, grafenové nanoplatničky alebo íly, na tenšie vrstvy s väčším aktívnym povrchom.
• Navlhčenie a aktivácia: Zlepšenie kontaktu kvapaliny s povrchmi nanomateriálov s cieľom dosiahnuť lepšiu interakciu s cementovými hydrátmi a prísadami.
• Prepletenie a tvorba sietí: Podporuje tvorbu rozptýlených sietí z uhlíkových nanorúrok (CNT) alebo grafenu, ktoré môžu zlepšiť preklenutie trhlín, vodivosť a konštrukčnú funkčnosť.
• Reprodukovateľnosť: Vytváranie kontrolovaných procesných podmienok pre konzistentné zloženie výrobkov od laboratórnych pokusov až po výrobný rozsah.

Výhody ultrazvukovej disperzie v cementových pastách a maltách

Ekonomická a technická hodnota ultrazvukovej úpravy je obzvlášť výrazná pri výrobe vysokovýkonných cementov. Nanomateriály sú často drahé a ich prínos závisí od ich efektívneho využitia. Keď ultrazvuková úprava zlepší kvalitu disperzie, vývojári receptúr môžu často znížiť predávkovanie, zvýšiť reprodukovateľnosť a dosiahnuť vyšší výkon na kilogram prísady.

Pre výrobcov moderných malt, opravných materiálov, prefabrikovaných prvkov, cementových materiálov vhodných na 3D tlač alebo špeciálnych stavebných chemikálií môže ultrazvukové spracovanie prispieť k:

• Vyššia pevnosť v tlaku, ohybe a ťahu vďaka lepšiemu rozloženiu nanoplniva.
• Lepšia odolnosť proti praskaniu a vyššia húževnatosť vďaka účinnejšej mikrovýstuži.
• Znížená priepustnosť a zvýšená odolnosť vďaka zdokonaleniu štruktúry pórov.
• Konzistentnejšia kvalita materiálu v jednotlivých šaržách.
• Lepšie využitie nákladného grafénu, uhlíkových nanorúrok a ďalších nano-prísad.
• Rýchlejšie testovanie zloženia a optimalizácia procesov.
• Škálovateľná výroba od laboratórneho vývoja až po nepretržité priemyselné spracovanie.
• Lepšia kontrola parametrov procesu, ako sú amplitúda, dodávaná energia, prietok, teplota a doba zdržania.

Ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher sú navrhnuté na merateľný a reprodukovateľný prenos energie do kvapalín, suspenzií a kalov. Ten istý základný mechanizmus sonikácie je možné použiť vo všetkých výkonových triedach, čo zákazníkom umožňuje vyvinúť parametre procesu v malom meradle a následne ich preniesť do väčších stolných, pilotných alebo priemyselných systémov.

Infračervené termogramy nanomodifikovanej cementovej pasty vystuženej (a) uhlíkovými nanorúrkami (CNT) a (b) grafenovými nanočasticami (GNP). Uhlíkové nanorúrky a grafen boli dispergované pomocou ultrazvukového dispergátora UP400S.
Štúdia a grafy: ©Farmaki a kol., 2025

Ultrazvuková úprava pred pridaním cementu: preferovaný postup

Pri mnohých receptúrach cementových zmesí vyztužených nanomateriálmi je najefektívnejším postupom najprv dispergovať nanomateriál v kvapalnej fáze. Môže to byť voda, roztok superplastifikátora, dispergačný prostriedok obsahujúci povrchovo aktívnu látku, polymérna prísada, sol kremičitanu alebo iná kvapalná zložka receptúry malty.
Typický postup pri ultrazvukovej spracovaní je nasledovný:

1. Do kvapalnej fázy pridajte grafen, uhlíkové nanorúrky (CNT) alebo iné nanomateriály.
2. Prášok alebo nanoplnivo najprv navlhčite pri miernom miešaní.
3. Na rozbitie zhlukov a disperziu materiálu použite ultrazvuk s vysokou intenzitou.
4. V prípade potreby regulujte teplotu.
5. Nanodisperziu upravenú ultrazvukom pridajte do cementu, piesku a ďalších zložiek malty.
6. Zmiešajte do konečnej konzistencie pasty alebo malty.

Tento postup umožňuje lepšiu kontrolu než suché zmiešavanie nanočastíc do cementového prášku. Zároveň zvyšuje pravdepodobnosť, že nanomateriály budú už pred začiatkom hydratácie a tuhnutia oddelené, navlhčené a rovnomerne rozptýlené.

Ekonomické prínosy pre výrobu vysokovýkonného cementu

Nano-prísady môžu byť nákladné a ich použitie musí byť odôvodnené merateľným zvýšením výkonu. Nedostatočná disperzia vedie k plytvaniu materiálom. Zhluknutý grafen alebo uhlíkové nanorúrky zvyšujú náklady na receptúru, pričom neprinášajú očakávané zosilnenie. Naopak, ultrazvuková disperzia zlepšuje efektívne využitie nanomateriálov.
Medzi ekonomické prínosy patria:

• Menej odpadu z prísad: Väčšia časť nanomateriálu prispieva k výkonu, namiesto toho, aby zostala uzavretá v aglomerátoch.
• Znížené riziko spojené so zložením: Konzistentná disperzia znižuje počet chybných šarží a nestabilných výsledkov testov.
• Rýchlejšie R&D cyklov: Zloženia je možné testovať pri kontrolovaných parametroch ultrazvukového ožiarenia.
• Vylepšené škálovanie: Parametre procesu je možné preniesť z testovania realizovateľnosti do priemyselných zariadení.
• Produkty vyššej hodnoty: Silnejšie, odolnejšie a funkčnejšie malty sú vhodné pre použitie v najnáročnejších aplikáciách.
• Potenciál nepretržitej výroby: Inline sonikácia umožňuje spracovanie s vysokou priepustnosťou pre komerčnú výrobu.

Pre výrobcov nie je kľúčovou hodnotou len vyššia kvalita disperzie. Je to schopnosť premeniť nano-vyztužený cement z laboratórneho konceptu na kontrolovaný a škálovateľný výrobný proces.

Od laboratórneho vývoja receptúry po priemyselnú výrobu cementu

Hlavnou výhodou ultrazvukovej technológie spoločnosti Hielscher je praktický postup pri zvyšovaní výrobného rozsahu. Zloženia cementu s nano-výstužou je možné vyvíjať v laboratórnom meradle a následne preniesť do väčších systémov bez zmeny základného princípu spracovania. Namiesto toho, aby výrobcovia pre výrobné účely znovu vymýšľali proces disperzie, môžu prispôsobovať výkon ultrazvuku, geometriu prietokovej komory, dobu zdržania a konfiguráciu reaktora.
Tým sa znižuje technické riziko. Zároveň sa tým skracuje cesta od úspešných vzoriek malty až po komerčné vysokovýkonné cementové výrobky.

Typický pracovný postup pri škálovaní zahŕňa:

1. Určite požadované vlastnosti malty a systém nanomateriálov.
2. Sitotlač s grafenom, uhlíkovými nanorúrkami (CNT), nano-oxidom kremičitým alebo hybridnými prísadami.
3. Určite požadovanú intenzitu ultrazvukového ožiarenia a prísun energie.
4. Optimalizujte disperzné médiá, prísady a reguláciu teploty.
5. Vyrobte skúšobné šarže pomocou systémov UIP1000hdT alebo UIP2000hdT.
6. Overiť vlastnosti malty, ako sú pevnosť, spracovateľnosť a trvanlivosť.
7. Preveďte tento proces na klastre UIP6000hdT alebo UIP16000hdT na účely prevádzky.
8. Začleňte inline sonikáciu do nepretržitej výroby.

Vysoko výkonný cement si vyžaduje vysokokvalitnú disperziu

Budúcnosť cementárskej technológie nespočíva len v novej chémii spojív. Závisí aj od lepšej kontroly mikrostruktúry, funkčných prísad a spracovania. Nanomateriály, ako sú grafen a uhlíkové nanorúrky (CNT), môžu pomôcť pri výrobe pevnejších, odolnejších, inteligentnejších a trvácnejších cementových materiálov. To však vyžaduje spoľahlivú disperziu.
Ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher poskytujú výrobcom cementu, výrobcom stavebnej chémie a výskumným ústavom škálovateľný nástroj na spracovanie nanoaditív. Od počiatočnej fázy vývoja receptúry až po vysokokapacitnú inline výrobu zlepšuje ultrazvuková úprava disperziu, exfoliáciu, deaglomeráciu a funkčné štruktúrovanie nanomateriálov v cementových pastách a maltách.
Pri výrobe vysokovýkonného cementu ponúka ultrazvukové spracovanie jasnú výhodu: lepšie vlastnosti materiálu, efektívnejšie využitie drahých nano-prísad a priamy prechod od úspechu v laboratóriu k priemyselnej výrobe.

Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:

Ultrazvukové zariadenia Hielscher pre výskum, testovanie realizovateľnosti a výrobu

Spoločnosť Hielscher ponúka ultrazvukové zariadenia v rôznych výkonových triedach – od laboratórnych a stolných modelov až po pilotné a priemyselné zariadenia. To je pre vývojárov cementov a malty kľúčové, pretože nano-vyztužené zmesi musia často prejsť viacerými fázami: počiatočným výberom surovín, vývojom parametrov disperzie, testovaním malty, pilotnými sériami a priemyselnou výrobou.
Portfólio spoločnosti Hielscher je zamerané na škálovateľné ultrazvukové spracovanie a zahŕňa systémy určené na laboratórny vývoj, pilotné a stolové testovanie, náročnú priemyselnú prevádzku a nepretržitú inline výrobu s využitím prietokových komôr a reaktorov.

UIP1000hdT a UIP2000hdT pre laboratórny výskum a testovanie realizovateľnosti

Modely UIP1000hdT a UIP2000hdT sú výkonné stolové ultrazvukové zariadenia určené na vývoj receptúr, štúdie uskutočniteľnosti a spracovanie v strednom meradle. Sú vhodné na vývoj receptúr cementu s nano-výstužou, pri ktorých výskumníci potrebujú testovať typ nanomateriálu, koncentráciu, chemické zloženie dispergačného prostriedku, intenzitu sonikácie, dobu spracovania a reguláciu teploty.

Tieto systémy sú ideálne pre:

• Disperzia grafénu a uhlíkových nanorúrok vo vode alebo v zmesových roztokoch.
• Testovanie realizovateľnosti nano-vyztužených cementových past.
• Optimalizácia príkonných parametrov ultrazvukového ožiarenia.
• Príprava reprodukovateľných skúšobných šarží.
• Vývoj receptúr vysokovýkonných malty.
• Kontinuálne spracovanie v malom meradle s využitím prietokových komôr.
• Validácia pri zväčšovaní výroby pred spustením priemyselnej výroby.

pre R&Zariadenia radu D, modely UIP1000hdT a UIP2000hdT, poskytujú intenzitu spracovania potrebnú pre náročné nanomateriály a zároveň sú praktické pre použitie v laboratóriách, technických centrách a pilotných prevádzkach.

Ultrazvuková exfoliácia grafénu

Clustery UIP6000hdT a UIP16000hdT pre vysokokapacitnú výrobu

Na komerčnú výrobu nano-vyztužených cementových prísad, nanodisperzií alebo zložiek vysokovýkonných mált je možné priemyselné ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher, ako napríklad modely UIP6000hdT a UIP16000hdT, konfigurovať do klastrov na účely nepretržitého spracovania s vysokou priepustnosťou.
Zoskupenia jednotiek UIP6000hdT alebo UIP16000hdT umožňujú výrobcom zvýšiť spracovaciu kapacitu pri zachovaní kontrolovaného prívodu ultrazvukovej energie. Tento modulárny prístup je obzvlášť užitočný v prípade, keď sa objem výroby rozširuje z pilotného meradla na výrobu v plnom meradle.

Podpora priemyselných konfigurácií:

• Kontinuálna inline disperzia grafénu, uhlíkových nanorúrok a nanoaditív.
• Vysokokapacitné spracovanie materských disperzií nanomateriálov.
• Integrácia do výrobných liniek na výrobu prísad do cementu alebo suchých maltových zmesí.
• Paralelná prevádzka ultrazvukových reaktorov na zvýšenie kapacity.
• Spoľahlivé výrobné prostredia s nepretržitou prevádzkou.
• Riadenie a monitorovanie procesov s cieľom zabezpečiť stálu kvalitu výrobkov.

Priemyselné systémy spoločnosti Hielscher sú určené pre náročnú nepretržitú prevádzku a k dispozícii sú vysokovýkonné jednotky s výkonom až 16 kW na jedno zariadenie.

Literatúra / Referencie