Cementne malte, ojačane z nanomateriali, z ultrazvočnim dispergiranjem

Ultrazvočna sonikacija izboljšuje dispergiranje, eksfoliacijo in deaglomeracijo grafena, CNT in nanomaterialov v cementnih pastah in maltah. Sonikatorji Hielscher omogočajo razvoj formulacij visokozmogljivega cementa od raziskav in razvoja do industrijske proizvodnje.

Cementne malte, ojačane z nanomateriali – boljše dispergiranje in deaglomeracija s sonikacijo

Cementne malte in cementne paste, ojačane z nanomateriali, ponujajo učinkovito pot do visokozmogljivih gradbenih materialov. Z vključevanjem nanomaterialov, kot so grafen, grafenov oksid, ogljikove nanocevke (CNT), nanosilicijev dioksid, nanogline ali druga funkcionalna polnila, je mogoče zasnovati materiale na osnovi cementa z izboljšano mehansko trdnostjo, odpornostjo proti razpokam, trajnostjo in električno prevodnostjo, zmanjšano prepustnostjo ter izboljšanimi dolgoročnimi lastnostmi.
Težava: Celoten potencial nanomaterialov v cementnih sistemih je dosežen le, če so delci enakomerno dispergirani. Grafenske plasti, snopi CNT in drugi nanododatki zaradi močnih van der Waalsovih sil, visoke površinske energije in prepletanja pogosto tvorijo aglomerate. Običajno mešanje, mešanje z rotorjem in statorjem ali preprosto mešanje praškov teh aglomeratov pogosto ne razbije dovolj. Posledica so slaba porazdelitev, šibka mesta v matrici malte, neučinkovita uporaba dragih nanomaterialov in neenotne lastnosti materiala.
Rešitev: Ultrazvočne naprave Hielscher s sondo zagotavljajo učinkovito, prilagodljivo in v industriji dokazano rešitev za dispergiranje, eksfoliacijo, deaglomeracijo in funkcionalno prepletanje nanomaterialov v cementnih pastah, formulacijah malt in suspenzijah prekurzorjev. Hielscher razvija in izdeluje ultrazvočne procesorje za obdelavo tekočin od laboratorijskih preizkusov izvedljivosti do industrijske kontinuirne proizvodnje, s ponudbo, zasnovano za povečanje obsega od kompaktnih laboratorijskih sistemov do industrijske opreme velike moči.

Zakaj je dispergiranje nanomaterialov pomembno v cementnih maltah

Nanomateriali lahko bistveno izboljšajo kompozite na osnovi cementa, saj s cementno matrico medsebojno delujejo na zelo majhni dolžinski skali. Pravilno dispergirani grafen, CNT in druga nanopolnila lahko delujejo kot nukleacijska mesta, premoščajo mikrorazpoke, izboljšajo strukturo por in izboljšajo prenos obremenitev znotraj strjene matrice.
V praksi so lastnosti manj odvisne od nominalne količine dodanega nanomateriala in bolj od kakovosti dispergiranja. Majhna količina dobro dispergiranega grafena ali CNT lahko zagotovi boljše lastnosti kot večja količina slabo dispergiranega materiala. Aglomerati delujejo kot napake in ne kot ojačitev. Zmanjšujejo obdelovalnost, ustvarjajo koncentracije napetosti in omejujejo učinkovito površino dodatka.
Ultrazvočno dispergiranje rešuje ta osrednji izziv pri oblikovanju formulacij. Visokointenzivni ultrazvok z akustično kavitacijo povzroča močne lokalizirane strižne sile, mikromešanje, udarne valove in tekočinske mikrocureke. Ti učinki ločujejo nanomateriale v snopih, omočijo površine delcev in jih enakomerno porazdelijo po tekoči fazi, preden se vključijo v cementni prah, pasto ali malto.

Ultrazvočna deaglomeracija grafena, CNT in nanododatkov

Grafenske nanoploščice, grafenov oksid, reducirani grafenov oksid in ogljikove nanocevke so posebej zanimivi za napredne materiale na osnovi cementa. Prispevajo lahko k natezni trdnosti, upogibni trdnosti, lomni žilavosti, električni prevodnosti, toplotnemu obnašanju in trajnosti. Hkrati sodijo med dodatke, ki jih je najtežje dispergirati.
Ultrazvočna kavitacija pomaga premagati privlačne sile med strukturami nanometrskih velikosti. V sonificirani tekočini sesedanje kavitacijskih mehurčkov povzroča intenziven lokalni vnos energije. To lahko razbije skupke delcev, loči snope CNT, eksfolira plastovite materiale in izboljša porazdelitev nanopolnil.

Ključni ultrazvočni učinki pri proizvodnji malte, ojačane z nanomateriali, vključujejo:

• Deaglomeracija: Razbijanje skupkov grafena, CNT, nanosilicijevega dioksida ali hibridnih dodatkov v manjše delce z enakomernejšo porazdelitvijo.
• Dispergiranje: Homogeno porazdeljevanje nanomaterialov v vodi, raztopinah plastifikatorjev, mešanicah dodatkov ali cementnih suspenzijah.
• Eksfoliacija: Ločevanje plastovitih materialov, kot so grafit, grafenske nanoploščice ali gline, v tanjše plasti z večjo aktivno površino.
• Omočenje in aktivacija: Izboljšanje stika tekočine s površinami nanomaterialov za boljše medsebojno delovanje s cementnimi hidrati in dodatki.
• Prepletanje in tvorba mrež: Spodbujanje tvorbe porazdeljenih mrež CNT ali grafena, ki lahko izboljšajo premoščanje razpok, prevodnost in strukturno funkcionalnost.
• Ponovljivost: Ustvarjanje nadzorovanih procesnih pogojev za enotne formulacije od laboratorijskih preizkusov do proizvodnega obsega.

Prednosti ultrazvočnega dispergiranja v cementnih pastah in maltah

Ekonomska in tehnična vrednost sonikacije je posebej velika pri proizvodnji visokozmogljivega cementa. Nanomateriali so pogosto dragi, njihova korist pa je odvisna od učinkovite uporabe. Ko sonikacija izboljša kakovost dispergiranja, lahko razvijalci formulacij pogosto zmanjšajo prekomerno odmerjanje, povečajo ponovljivost in dosežejo boljše lastnosti na kilogram dodatka.

Pri proizvajalcih naprednih malt, materialov za sanacijo, montažnih elementov, materialov na osnovi cementa za 3D-tiskanje ali specialnih gradbenih kemikalij lahko ultrazvočna obdelava pripomore k:

• Večji tlačni, upogibni in natezni zmogljivosti z izboljšano porazdelitvijo nanopolnil.
• Boljši odpornosti proti razpokam in večji žilavosti zaradi učinkovitejše mikroojačitve.
• Zmanjšani prepustnosti in izboljšani trajnosti z izboljšanjem strukture por.
• Enotnejši kakovosti materiala med šaržami.
• Izboljšanemu izkoristku dragega grafena, CNT in drugih nanododatkov.
• Hitrejšemu preverjanju formulacij in optimizaciji procesov.
• Proizvodnji s prilagodljivim obsegom od laboratorijskega razvoja do kontinuirne industrijske obdelave.
• Boljšemu nadzoru procesnih parametrov, kot so amplituda, vnos energije, pretok, temperatura in zadrževalni čas.

Ultrazvočne naprave Hielscher so zasnovane za merljiv in ponovljiv prenos energije v tekočine, suspenzije in gošče. Isti osnovni mehanizem sonikacije je mogoče uporabljati v različnih razredih moči, kar strankam omogoča razvoj procesnih parametrov v majhnem obsegu in njihov prenos v večje namizne, pilotne ali industrijske sisteme.

Infrardeči termogrami cementne paste, modificirane z nanomateriali in ojačane z (a) CNT in (b) GNP. CNT in grafen so dispergirali s sonikatorjem UP400S.
Študija in grafi: ©Farmaki et al., 2025

Sonikacija pred dodajanjem cementa: prednostni potek procesa

Pri številnih formulacijah cementa, ojačanega z nanomateriali, je najučinkovitejši pristop najprej dispergirati nanomaterial v tekoči fazi. To je lahko voda, raztopina superplastifikatorja, dispergator s površinsko aktivnimi snovmi, polimerni dodatek, sol silicijevega dioksida ali druga tekoča sestavina formulacije malte.
Značilen potek ultrazvočnega procesa je:

1. Dodajte grafen, CNT ali druge nanomateriale v tekočo fazo.
2. Prah ali nanopolnilo predhodno omočite ob zmernem mešanju.
3. Uporabite visokointenzivno ultrazvočno obdelavo za deaglomeracijo in dispergiranje materiala.
4. Po potrebi nadzorujte temperaturo.
5. Sonificirano nanodisperzijo dodajte cementu, pesku in drugim sestavinam malte.
6. Mešajte do končne konsistence paste ali malte.

Ta potek omogoča boljši nadzor kot suho vmešavanje nanodelcev v cementni prah. Poveča tudi verjetnost, da so nanomateriali že ločeni, omočeni in enakomerno porazdeljeni, preden se začneta hidratacija in vezanje.

Ekonomske koristi pri proizvodnji visokozmogljivega cementa

Nanododatki so lahko dragi, njihovo uporabo pa morajo upravičiti merljive izboljšave lastnosti. Slabo dispergiranje povzroča izgube materiala. Aglomerirani grafen ali CNT povečujejo stroške formulacije, ne da bi zagotovili pričakovano ojačitev. Nasprotno pa ultrazvočno dispergiranje izboljša učinkovit izkoristek nanomaterialov.
Ekonomske koristi vključujejo:

• Manjše izgube dodatkov: Večji delež nanomateriala prispeva k lastnostim, namesto da bi ostal ujet v aglomeratih.
• Zmanjšano tveganje pri formulacijah: Enakomerno dispergiranje zmanjšuje število neuspešnih šarž in nestabilne rezultate preizkusov.
• Hitrejši cikli raziskav in razvoja: Formulacije je mogoče preverjati z nadzorovanimi parametri sonikacije.
• Izboljšano povečanje obsega: Procesne parametre je mogoče prenesti s preizkusov izvedljivosti na industrijsko opremo.
• Izdelki z višjo vrednostjo: Trdnejše, trajnejše in funkcionalne malte omogočajo uporabo v najzahtevnejših aplikacijah.
• Možnost kontinuirne proizvodnje: Sonikacija v proizvodni liniji omogoča obdelavo z veliko zmogljivostjo za komercialno proizvodnjo.

Za proizvajalce ključna vrednost ni le boljša kakovost dispergiranja. To je zmožnost pretvoriti cement, ojačan z nanomateriali, iz laboratorijskega koncepta v nadzorovan proizvodni proces s prilagodljivim obsegom.

Od laboratorijske formulacije do industrijske proizvodnje cementa

Pomembna prednost ultrazvočne tehnologije Hielscher je praktična pot povečanja obsega. Formulacije cementa, ojačanega z nanomateriali, je mogoče razviti v namiznem obsegu in jih nato prenesti v večje sisteme, ne da bi spremenili osnovno načelo obdelave. Namesto da bi proces dispergiranja za proizvodnjo razvijali znova, lahko proizvajalci prilagodijo ultrazvočno moč, geometrijo pretočne celice, zadrževalni čas in konfiguracijo reaktorja.
To zmanjšuje tehnično tveganje. Prav tako skrajša pot od uspešnih vzorcev malte do komercialnih visokozmogljivih cementnih izdelkov.

Značilen potek povečanja obsega vključuje:

1. Opredelite ciljne lastnosti malte in sistem nanomaterialov.
2. Preverite dodatke iz grafena, CNT, nanosilicijevega dioksida ali hibridne dodatke.
3. Določite potrebno intenzivnost sonikacije in vnos energije.
4. Optimizirajte disperzijske medije, dodatke in nadzor temperature.
5. Izdelajte preizkusne šarže s sistemoma UIP1000hdT ali UIP2000hdT.
6. Potrdite lastnosti malte, kot so trdnost, obdelovalnost in trajnost.
7. Prenesite proces na skupine naprav UIP6000hdT ali UIP16000hdT za proizvodnjo.
8. Vključite sonikacijo v proizvodni liniji v kontinuirno proizvodnjo.

Visokozmogljiv cement potrebuje visokokakovostno dispergiranje

Prihodnost cementne tehnologije ne temelji le na novi kemiji veziv. Odvisna je tudi od boljšega nadzora mikrostrukture, funkcionalnih dodatkov in obdelave. Nanomateriali, kot so grafen in CNT, lahko pomagajo pri proizvodnji trdnejših, žilavejših, pametnejših in trajnejših materialov na osnovi cementa. Vendar je za to potrebno zanesljivo dispergiranje.
Ultrazvočne naprave Hielscher proizvajalcem cementa, proizvajalcem gradbenih kemikalij in raziskovalnim ustanovam zagotavljajo orodje za obdelavo nanododatkov s prilagodljivim obsegom. Od zgodnjega razvoja formulacij do proizvodnje v liniji z veliko zmogljivostjo sonikacija izboljšuje dispergiranje, eksfoliacijo, deaglomeracijo in funkcionalno strukturiranje nanomaterialov v cementnih pastah in maltah.
Pri proizvodnji visokozmogljivega cementa ultrazvočna obdelava ponuja jasno prednost: boljše lastnosti materiala, učinkovitejšo uporabo dragih nanododatkov in neposredno pot od laboratorijskega uspeha do industrijske proizvodnje.

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:

Sonikatorji Hielscher za raziskave, preizkuse izvedljivosti in proizvodnjo

Hielscher ponuja ultrazvočne procesorje v laboratorijskih, namiznih, pilotnih in industrijskih razredih moči. To je bistveno za razvijalce cementa in malt, saj morajo formulacije, ojačane z nanomateriali, pogosto prestati več stopenj: začetno preverjanje materialov, razvoj parametrov dispergiranja, preizkušanje malte, pilotne šarže in industrijsko proizvodnjo.
Ponudba Hielscher temelji na ultrazvočni obdelavi s prilagodljivim obsegom, s sistemi za laboratorijski razvoj, pilotne in namizne preizkuse, zahtevno industrijsko obratovanje in kontinuirno proizvodnjo v liniji s pretočnimi celicami in reaktorji.

UIP1000hdT in UIP2000hdT za raziskave z namiznimi sistemi in preizkuse izvedljivosti

UIP1000hdT in UIP2000hdT sta zmogljiva namizna ultrazvočna procesorja za razvoj formulacij, študije izvedljivosti in obdelavo v srednjem obsegu. Zelo primerna sta za razvoj formulacij cementa, ojačanega z nanomateriali, pri katerih morajo raziskovalci preizkusiti vrsto nanomateriala, koncentracijo, kemijo dispergatorja, intenzivnost sonikacije, čas obdelave in nadzor temperature.

Ta sistema sta idealna za:

• Dispergiranje grafena in CNT v vodi ali raztopinah dodatkov.
• Preizkuse izvedljivosti cementnih past, ojačanih z nanomateriali.
• Optimizacijo vnosa energije pri sonikaciji.
• Pripravo ponovljivih preizkusnih šarž.
• Razvoj formulacij visokozmogljivih malt.
• Kontinuirno obdelavo v majhnem obsegu s sistemi s pretočnimi celicami.
• Potrditev povečanja obsega pred industrijsko proizvodnjo.

Raziskovalno-razvojnim ekipam UIP1000hdT in UIP2000hdT zagotavljata intenzivnost procesa, potrebno za zahtevne nanomateriale, pri čemer ostaja postavitev praktična za laboratorijska okolja, tehnične centre in pilotna okolja.

Ultrazvočna eksfoliacija grafena

Skupine naprav UIP6000hdT in UIP16000hdT za proizvodnjo z veliko zmogljivostjo

Za proizvodnjo cementnih dodatkov, ojačanih z nanomateriali, nanodisperzij ali sestavin visokozmogljivih malt v komercialnem obsegu je mogoče industrijske ultrazvočne naprave Hielscher, kot sta UIP6000hdT in UIP16000hdT, povezati v skupine za kontinuirno obdelavo z veliko zmogljivostjo.
Skupine enot UIP6000hdT ali UIP16000hdT proizvajalcem omogočajo povečanje zmogljivosti obdelave ob ohranjanju nadzorovanega vnosa ultrazvočne energije. Ta modularni pristop je posebej uporaben, ko se obseg proizvodnje povečuje od pilotnega do polnega proizvodnega obsega.

Industrijske konfiguracije omogočajo:

• Kontinuirno dispergiranje grafena, CNT in nanododatkov v proizvodni liniji.
• Obdelavo koncentriranih osnovnih disperzij nanomaterialov z veliko zmogljivostjo.
• Vključitev v proizvodne linije za cementne dodatke ali suhe mešanice malt.
• Vzporedno delovanje ultrazvočnih reaktorjev za večjo zmogljivost.
• Robustna proizvodna okolja z obratovanjem 24/7.
• Nadzor in spremljanje procesa za enotno kakovost izdelkov.

Industrijski sistemi Hielscher so namenjeni zahtevnemu kontinuirnemu obratovanju, enote velike moči pa so na voljo z močjo do 16 kW na napravo.

Literatura / Viri

• 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.