Z ultrazvokom dispergirane cementne malte, ojačene z nanomateriali

Ultrazvočna obdelava izboljša disperzijo, eksfoliacijo in deaglomeracijo grafena, ogljikovih nanotub (CNT) in nanomaterialov v cementnih pastah in maltih. Ultrazvočni aparati Hielscher omogočajo pripravo visoko zmogljivih cementnih formulacij od R&D v industrijsko proizvodnjo.

Cementne malte, ojačene z nanomateriali – Boljša disperzija in deaglomeracija z ultrazvokom

Z nanomateriali ojačane cementne malte in cementne paste predstavljajo obetavno pot k visokozmogljivim gradbenim materialom. Z vključitvijo nanomaterialov, kot so grafen, grafenov oksid, ogljikove nanotrubice (CNT), nanosilikat, nanoglina ali druga funkcionalna polnila, je mogoče cementne materiale prilagoditi tako, da imajo izboljšano mehansko trdnost, odpornost proti razpokam, trajnost, električno prevodnost, zmanjšano prepustnost in izboljšano dolgoročno zmogljivost.
Težava: Polni potencial nanomaterialov v cementnih sistemih se doseže šele takrat, ko so delci enakomerno razpršeni. Grafenovi lističi, svežnji ogljikovih nanocevk (CNT) in drugi nanoaditivi imajo zaradi močnih van der Waalsovih sil, visoke površinske energije in medsebojnega prepletenja težnjo k tvorjenju aglomeratov. Z običajnim mešanjem, mešanjem z rotorjem in statorjem ali preprostim mešanjem prahu teh aglomeratov pogosto ni mogoče zadostno razbiti. Posledica tega je slaba porazdelitev, šibke točke v matrici malte, neučinkovita raba dragih nanomaterialov in neenakomerne lastnosti materiala.
Rešitev: Ultrazvočni aparati tipa sonda podjetja Hielscher ponujajo učinkovito, prilagodljivo in v industriji preizkušeno rešitev za disperzijo, eksfoliacijo, deaglomeracijo in funkcionalno prepletenje nanomaterialov v cementnih pastah, maltih in suspenzijah predhodnih spojin. Podjetje Hielscher razvija in proizvaja ultrazvočne procesorje za obdelavo tekočin, od laboratorijskih študij izvedljivosti do industrijske neprekinjene proizvodnje, s ponudbo, zasnovano za povečanje obsega od kompaktnih laboratorijskih sistemov do visokozmogljive industrijske opreme.

Zakaj je disperzija nanomaterialov pomembna v cementnih maltih

Nanomateriali lahko znatno izboljšajo cementne kompozite, saj na zelo majhni dolžinski ravni vplivajo na cementno matriko. Ustrezno dispergirani grafen, ogljikova nanocevka (CNT) in druga nano polnila lahko delujejo kot mesta nukleacije, premostijo mikrotrzine, izboljšajo strukturo por in izboljšajo prenos obremenitve znotraj strjene matrike.
V praksi je učinkovitost manj odvisna od nominalne količine dodanega nanomateriala kot od kakovosti disperzije. Majhna količina dobro dispergiranega grafena ali ogljikovih nanotub (CNT) lahko po učinkovitosti preseže večjo količino slabo dispergiranega materiala. Aglomerati delujejo bolj kot napake kot pa kot ojačitev. Zmanjšujejo obdelovalnost, ustvarjajo koncentracije napetosti in omejujejo efektivno površino dodatka.
Ultrazvočna disperzija rešuje ta ključni izziv pri pripravi formulacije. Visokointenzivni ultrazvok prek akustične kavitacije povzroča močne lokalizirane strižne sile, mikromešanje, udarne valove in mikrostriske tekočine. Ti učinki ločijo združene nanomateriale, navlažijo površine delcev in jih enakomerno porazdelijo po tekoči fazi, preden se vmešajo v cementni prah, pasto ali malto.

Ultrazvočna deaglomeracija grafena, ogljikovih nanotub in nano-aditivov

Grafenove nanoplastičke, grafenov oksid, reducirani grafenov oksid in ogljikove nanotrubice so še posebej zanimivi za napredne cementne materiale. Lahko prispevajo k natezni trdnosti, upogibni trdnosti, odpornosti proti lomu, električni prevodnosti, toplotnim lastnostim in trajnosti. Hkrati pa sodijo med dodatke, ki jih je najtežje dispergirati.
Ultrazvočna kavitacija pomaga premagati privlačne sile med strukturami v nanometrskem obsegu. V tekočini, ki je izpostavljena ultrazvoku, propadajoči kavitacijski mehurčki ustvarjajo intenziven lokalni vnos energije. To lahko razbije skupke delcev, loči svežnje ogljikovih nanotub (CNT), eksfolira slojene materiale in izboljša porazdelitev nano-polnil.

Med ključne ultrazvočne učinke pri proizvodnji nano-armirane malte spadajo:

• Deaglomeracija: Razbijanje skupkov grafena, ogljikovih nanotub (CNT), nanosilice ali hibridnih dodatkov na manjše, bolj enotne porazdelitve delcev.
• Disperzija: Enakomerno razporeditev nanomaterialov v vodi, raztopinah mehčalcev, mešanicah dodatkov ali cementnih kašah.
• Piling: Ločevanje slojnih materialov, kot so grafit, grafenove nanoplastičke ali gline, v tanjše plasti z večjo aktivno površino.
• Navlaževanje in aktiviranje: Izboljšanje stika tekočine s površinami nanomaterialov za boljšo interakcijo s cementnimi hidrati in dodatki.
• Prepletanje in nastajanje mrež: Podpira nastajanje razpršenih omrežij iz ogljikovih nanotub (CNT) ali grafena, ki lahko izboljšajo premostitev razpok, prevodnost in strukturno funkcionalnost.
• Obnovljivost: Ustvarjanje nadzorovanih procesnih pogojev za dosledne formulacije, od laboratorijskih poskusov do proizvodnje v seriji.

Prednosti ultrazvočne disperzije v cementnih pastah in maltih

Gospodarska in tehnična vrednost ultrazvoka je še posebej izrazita pri proizvodnji visokozmogljivega cementa. Nanomateriali so pogosto dragi, njihove prednosti pa so odvisne od njihove učinkovite uporabe. Ko ultrazvok izboljša kakovost disperzije, lahko razvijalci formul pogosto zmanjšajo prekomerno doziranje, povečajo ponovljivost in dosežejo boljše zmogljivosti na kilogram dodatka.

Proizvajalcem naprednih malte, materialov za popravila, prefabriciranih elementov, cementnih materialov za 3D-tiskanje ali specializiranih gradbenih kemikalij lahko ultrazvočna obdelava pomaga pri:

• Boljše lastnosti pri tlačenju, upogibanju in natezanju zaradi izboljšane porazdelitve nano-polnila.
• Boljša odpornost proti razpokam in večja žilavost zaradi učinkovitejše mikroarmature.
• Zmanjšana prepustnost in izboljšana trajnost z izboljšanjem strukture por.
• Bolj enotna kakovost surovin med posameznimi serijami.
• Boljša izraba dragega grafena, ogljikovih nanotub (CNT) in drugih nano-dodatkov.
• Hitrejše preverjanje formulacij in optimizacija procesov.
• Prilagodljiva proizvodnja od razvoja v laboratoriju do neprekinjene industrijske predelave.
• Boljši nadzor nad parametri procesa, kot so amplituda, vnesena energija, pretok, temperatura in čas zadrževanja.

Ultrazvočni aparati Hielscher so zasnovani za merljiv in ponovljiv prenos energije v tekočine, suspenzije in kaše. Enak osnovni mehanizem ultrazvočne obdelave se lahko uporablja v vseh razredih moči, kar strankam omogoča, da parametre procesa razvijejo v majhnem obsegu in jih nato prenesejo v večje laboratorijske, pilotne ali industrijske sisteme.

Infrardeče termografije nanomodificirane cementne paste, ojačene z (a) ogljikovimi nanotubami (CNT) in (b) grafenovimi nanodelci (GNP). CNT in grafen sta bila dispergirana z ultrazvočnim razpršilnikom UP400S.
Študija in grafi: ©Farmaki et al., 2025

Ultrazvok pred dodajanjem cementa: najprimernejši postopek

Pri mnogih recepturah cementa, ojačanega z nanomateriali, je najučinkovitejši pristop, da se nanomaterial najprej dispergira v tekoči fazi. To je lahko voda, raztopina superplastifikatorja, dispergent, ki vsebuje površinsko aktivno snov, polimerna dodatna sestavina, silicijev sol ali katera koli druga tekoča sestavina recepture malte.
Tipičen potek ultrazvočnega postopka je naslednji:

1. V tekoči fazi dodajte grafen, ogljikove nanocevke (CNT) ali druge nanomateriale.
2. Prašek ali nano-polnilo predhodno navlažite ob zmernem mešanju.
3. Za razgradnjo aglomeratov in dispergiranje snovi uporabite ultrazvok visoke intenzivnosti.
4. Po potrebi uravnavajte temperaturo.
5. Ultrazvočno obdelano nanodisperzijo dodajte cementu, pesku in drugim sestavinam malte.
6. Mešajte, dokler ne dobite končne konsistence paste ali malte.

Ta postopek omogoča boljši nadzor kot suho mešanje nanodelcev v cementni prah. Prav tako poveča verjetnost, da so nanomateriali že ločeni, navlaženi in enakomerno porazdeljeni, preden se začneta hidratacija in strjevanje.

Gospodarske koristi proizvodnje visokokakovostnega cementa

Nano-aditivi so lahko dragi, zato mora njihova uporaba biti utemeljena z merljivim izboljšanjem zmogljivosti. Slaba disperzija povzroča izgubo materiala. Aglomerirani grafen ali ogljikova nanocevka (CNT) povečata stroške formulacije, ne da bi zagotovili pričakovano ojačitev. Nasprotno pa ultrazvočna disperzija izboljša učinkovito izkoriščanje nanomaterialov.
Med gospodarske koristi spadajo:

• Manj odpadkov iz aditivov: Večji delež nanomateriala prispeva k zmogljivosti, namesto da bi ostal ujet v aglomeratih.
• Zmanjšano tveganje pri pripravi formulacije: Enakomerno razprševanje zmanjšuje število neuspešnih serij in nestabilnih rezultatov preskusov.
• Hitrejši R&D ciklov: Formulacije je mogoče preizkušati z nadzorovanimi parametri ultrazvočne obdelave.
• Izboljšano povečanje obsega: Procesne parametre je mogoče prenesti iz preskusov izvedljivosti v industrijsko opremo.
• Izdelki višje vrednosti: Močnejše, trajnejše in funkcionalnejše malte so primerne za uporabo v najzahtevnejših projektih.
• Zmogljivost neprekinjene proizvodnje: Vgrajena ultrazvočna obdelava omogoča obdelavo z visoko zmogljivostjo za komercialno proizvodnjo.

Za proizvajalce ključna vrednost ni le boljša kakovost disperzije. Gre za zmožnost, da nano-okrepljen cement iz laboratorijskega koncepta pretvorijo v nadzorovan in prilagodljiv proizvodni proces.

Od laboratorijske formulacije do industrijske proizvodnje cementa

Ena od glavnih prednosti ultrazvočne tehnologije podjetja Hielscher je praktična možnost povečanja obsega proizvodnje. Formulacije cementa, ojačene z nanomateriali, je mogoče razviti v laboratorijskem obsegu in jih nato prenesti v večje sisteme, ne da bi se pri tem spremenilo osnovno načelo obdelave. Namesto da bi za proizvodnjo na novo razvijali postopek dispergiranja, lahko proizvajalci prilagodijo moč ultrazvoka, geometrijo pretočne celice, čas zadrževanja in konfiguracijo reaktorja.
To zmanjša tehnično tveganje. Poleg tega skrajša pot od uspešnih vzorcev malte do komercialnih visokozmogljivih cementnih izdelkov.

Tipičen potek postopka povečanja obsega vključuje:

1. Določite želeno zmogljivost malte in sistem nanomaterialov.
2. Grafen, ogljikova nanocevka (CNT), nano-silicijev dioksid ali hibridni dodatki.
3. Določite potrebno intenzivnost ultrazvoka in vnos energije.
4. Optimizirajte disperzijska sredstva, dodatke in nadzor temperature.
5. Pripravite preskusne serije s sistemi UIP1000hdT ali UIP2000hdT.
6. Preverite lastnosti malte, kot so trdnost, obdelovalnost in trajnost.
7. Proces prenesite v grozde UIP6000hdT ali UIP16000hdT za produkcijo.
8. Vključite vgrajeno ultrazvočno obdelavo v neprekinjeno proizvodnjo.

Visokozmogljivi cement zahteva visokokakovostno disperzijo

Prihodnost cementne tehnologije ne temelji le na novi kemiji veziv. Odvisna je tudi od boljšega nadzora nad mikrostrukturo, funkcionalnimi dodatki in predelavo. Nanomateriali, kot sta grafen in ogljikova nanocevka (CNT), lahko pripomorejo k proizvodnji močnejših, trdnejših, pametnejših in trajnejših cementnih materialov. Vendar to zahteva zanesljivo disperzijo.
Ultrazvočni aparati podjetja Hielscher proizvajalcem cementa, proizvajalcem gradbene kemije in raziskovalnim inštitutom ponujajo prilagodljivo orodje za obdelavo nano-aditivov. Od zgodnjih faz razvoja formul do visoko zmogljive proizvodnje v proizvodni liniji ultrazvok izboljša disperzijo, eksfolijacijo, deaglomeracijo in funkcionalno strukturiranje nanomaterialov v cementnih pastah in maltih.
Pri proizvodnji visokokakovostnega cementa ponuja ultrazvočna obdelava jasno prednost: boljše lastnosti materiala, učinkovitejša uporaba dragih nano-aditivov ter neposredna pot od laboratorijskega uspeha do industrijske proizvodnje.

Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:

Ultrazvočni aparati Hielscher za raziskave, preizkuse izvedljivosti in proizvodnjo

Podjetje Hielscher ponuja ultrazvočne procesorje v različnih močnostnih razredih: laboratorijskih, namiznih, pilotnih in industrijskih. To je ključnega pomena za razvijalce cementa in malte, saj morajo z nanomateriali ojačane formulacije pogosto preiti skozi več faz: začetno preverjanje surovin, razvoj parametrov disperzije, testiranje malte, pilotne serije in industrijsko proizvodnjo.
Ponudba podjetja Hielscher temelji na prilagodljivi ultrazvočni obdelavi, ki vključuje sisteme za razvoj v laboratoriju, pilotne in namizne preskuse, visoko zmogljivo industrijsko delovanje ter neprekinjeno proizvodnjo v proizvodni liniji z uporabo pretočnih celic in reaktorjev.

UIP1000hdT in UIP2000hdT za raziskave na laboratorijski mizi in preskuse izvedljivosti

UIP1000hdT in UIP2000hdT sta zmogljiva namizna ultrazvočna procesorja za razvoj formulacij, študije izvedljivosti in predelavo v srednjem obsegu. Odlično se obnesejo pri razvoju receptur za nanookrepljen cement, kjer morajo raziskovalci preizkušati vrsto nanomateriala, koncentracijo, kemijske lastnosti dispergentov, intenzivnost ultrazvoka, čas obdelave in nadzor temperature.

Ti sistemi so idealni za:

• Disperzija grafena in ogljikovih nanotub v vodi ali mešanih raztopinah.
• Preizkušanje izvedljivosti nano-armiranih cementnih past.
• Optimizacija vnosa energije pri ultrazvočni obdelavi.
• Priprava ponovljivih preskusnih serij.
• Razvoj receptur visokozmogljivih malte.
• Neprekinjena obdelava v majhnem obsegu s sistemom pretočnih celic.
• Validacija povečanja obsega pred začetkom industrijske proizvodnje.

za R&Oba modela serije D, UIP1000hdT in UIP2000hdT, zagotavljata intenzivnost procesa, potrebno za zahtevne nanomateriale, hkrati pa ostajata praktična za uporabo v laboratorijih, tehničnih centrih in pilotnih okoljih.

Ultrazvočno luščenje grafena

Skupine UIP6000hdT in UIP16000hdT za proizvodnjo z visoko zmogljivostjo

Za proizvodnjo dodatkov za cement, ojačenih z nanomateriali, nanodisperzij ali visokozmogljivih komponent za malte v komercialnem obsegu je mogoče industrijske ultrazvočne naprave podjetja Hielscher, kot sta UIP6000hdT in UIP16000hdT, konfigurirati v skupine za neprekinjeno obdelavo z visoko zmogljivostjo.
Sklopi enot UIP6000hdT ali UIP16000hdT proizvajalcem omogočajo povečanje zmogljivosti obdelave ob hkratnem ohranjanju nadzorovanega dovajanja ultrazvočne energije. Ta modularni pristop je še posebej koristen, ko se obseg proizvodnje poveča s pilotne ravni na polno proizvodnjo.

Podpora industrijskim konfiguracijam:

• Neprekinjeno vgrajevanje grafena, ogljikovih nanotub (CNT) in nano-aditivov.
• Visoko zmogljiva obdelava matičnih disperzij nanomaterialov.
• Vključitev v proizvodne linije za cementne dodatke ali suhe malte.
• Vzporedno delovanje ultrazvočnega reaktorja za povečanje zmogljivosti.
• Zanesljiva proizvodna okolja, ki delujejo 24 ur na dan, 7 dni na teden.
• Nadzor in spremljanje procesov za zagotavljanje dosledne kakovosti izdelkov.

Industrijski sistemi podjetja Hielscher so zasnovani za zahtevno neprekinjeno delovanje, na voljo pa so tudi visokozmogljive enote z močjo do 16 kW na napravo.

Literatura / Reference