Цементни малтери ојачани наноматеријалима уз ултразвучно дисперговање

Ултразвучна соникација побољшава дисперговање, ексфолијацију и деагломерацију графена, угљеничних наноцеви (CNTs) и наноматеријала у цементним пастама и малтерима. Соникатори Hielscher омогућавају развој формулација цемента високих перформанси од истраживања и развоја до индустријске производње.

Цементни малтери ојачани наноматеријалима – боље дисперговање и деагломерација помоћу соникације

Цементни малтери и цементне пасте ојачани наноматеријалима нуде делотворан пут ка грађевинским материјалима високих перформанси. Уградњом наноматеријала као што су графен, графен-оксид, угљеничне наноцеви (CNTs), нано-силицијум-диоксид, наноглине или друга функционална пунила, материјали на бази цемента могу се пројектовати тако да имају побољшану механичку чврстоћу, отпорност на пуцање, трајност и електричну проводљивост, смањену пропустљивост и побољшана дугорочна својства.
Проблем: Пун потенцијал наноматеријала у цементним системима остварује се само када су честице равномерно дисперговане. Листови графена, снопови угљеничних наноцеви и други наноадитиви склони су стварању агломерата услед јаких Ван дер Валсових сила, високе површинске енергије и преплитања. Конвенционално мешање, мешање роторско-статорским мешалицама или једноставно мешање прахова често не успевају да у довољној мери разбију ове агломерате. Резултат су лоша расподела, слаба места у матрици малтера, неефикасно коришћење скупих наноматеријала и неуједначена својства материјала.
Решење: Ултразвучни уређаји Hielscher са сондом пружају ефикасно, скалабилно и индустријски доказано решење за дисперговање, ексфолијацију, деагломерацију и функционално преплитање наноматеријала у цементним пастама, формулацијама малтера и суспензијама прекурсора. Hielscher развија и производи ултразвучне процесоре за обраду течности, од лабораторијских испитивања изводљивости до континуиране индустријске производње, са асортиманом пројектованим за повећање размере процеса од компактних лабораторијских система до индустријске опреме велике снаге.

Зашто је дисперговање наноматеријала важно у цементним малтерима

Наноматеријали могу значајно побољшати композите на бази цемента јер ступају у интеракцију са цементном матрицом на веома малој дужинској скали. Правилно дисперговани графен, угљеничне наноцеви и друга нанопунила могу деловати као места нуклеације, премошћавати микропукотине, уситњавати структуру пора и побољшавати пренос оптерећења унутар очврсле матрице.
У пракси, перформансе мање зависе од номиналне количине додатог наноматеријала, а више од квалитета дисперговања. Мала количина добро диспергованог графена или угљеничних наноцеви може дати боље резултате од веће количине лоше диспергованог материјала. Агломерати се понашају као дефекти уместо као ојачање. Они смањују обрадљивост, стварају концентрације напона и ограничавају ефективну површину адитива.
Ултразвучно дисперговање решава овај кључни изазов у развоју формулација. Ултразвук високог интензитета посредством акустичне кавитације ствара јаке локализоване силе смицања, микромешање, ударне таласе и течне микромлазеве. Ови ефекти раздвајају наноматеријале груписане у снопове, квасе површине честица и равномерно их распоређују по читавој течној фази пре њиховог уношења у цементни прах, пасту или малтер.

Ултразвучна деагломерација графена, угљеничних наноцеви и наноадитива

Графенске наноплочице, графен-оксид, редуковани графен-оксид и угљеничне наноцеви посебно су привлачни за напредне материјале на бази цемента. Они могу допринети затезној чврстоћи, чврстоћи на савијање, жилавости лома, електричној проводљивости, термичком понашању и трајности. Истовремено, спадају међу адитиве које је најтеже дисперговати.
Ултразвучна кавитација помаже у савладавању привлачних сила између структура нанометарских димензија. У течности која се подвргава соникацији, колапс кавитационих мехурића ствара интензиван локални унос енергије. То може разбити накупине честица, раздвојити снопове угљеничних наноцеви, изазвати ексфолијацију слојевитих материјала и побољшати расподелу нанопунила.

Кључни ултразвучни ефекти у производњи малтера ојачаних наноматеријалима обухватају:

• Деагломерација: Разбијање кластера графена, CNT наноцеви, наносилике или хибридних адитива ради добијања мањих честица са уједначенијом расподелом.
• Дисперговање: Хомогено распоређивање наноматеријала у води, растворима пластификатора, смешама додатака или цементним суспензијама.
• Ексфолијација: Раздвајање слојевитих материјала као што су графит, графенске наноплочице или глине на тање листове са већом активном површином.
• Квашење и активација: Побољшање контакта течности са површинама наноматеријала ради боље интеракције са хидратима цемента и додацима.
• Преплитање и формирање мреже: Подршка формирању распоређених мрежа CNT наноцеви или графена које могу побољшати премошћавање пукотина, проводљивост и структурну функционалност.
• Репродуктивност: Стварање контролисаних процесних услова за уједначене формулације од лабораторијских испитивања до производног обима.

Предности ултразвучног дисперговања у цементним пастама и малтерима

Економска и техничка вредност соникације посебно је изражена у производњи цемента високих перформанси. Наноматеријали су често скупи, а њихова корист зависи од ефикасне употребе. Када соникација побољша квалитет дисперговања, стручњаци који развијају формулације често могу да смање прекомерно дозирање, повећају репродуктивност и постигну боље перформансе по килограму адитива.

Произвођачима напредних малтера, материјала за санацију, префабрикованих компоненти, цементних материјала погодних за 3D штампу или специјалне грађевинске хемије, ултразвучна обрада може помоћи да постигну:

• Већу чврстоћу при притиску, савијању и затезању захваљујући побољшаној расподели нанопунила.
• Бољу отпорност на пуцање и већу жилавост захваљујући ефикаснијем микроармирању.
• Смањену пропустљивост и побољшану трајност усавршавањем структуре пора.
• Уједначенији квалитет материјала између шаржи.
• Побољшано искоришћење скупог графена, CNT наноцеви и других наноадитива.
• Брже испитивање и одабир формулација и оптимизацију процеса.
• Производњу која се може повећавати од лабораторијског развоја до континуиране индустријске обраде.
• Бољу контролу процесних параметара као што су амплитуда, унос енергије, проток, температура и време задржавања.

Hielscher ултразвучни уређаји пројектовани су за мерљив и репродуктиван пренос енергије у течности, суспензије и густе суспензије. Исти основни механизам соникације може се користити у различитим класама снаге, што омогућава корисницима да развију процесне параметре у малом обиму, а затим их пренесу на веће стоне, пилотске или индустријске системе.

Инфрацрвени термограми наномодификоване цементне пасте ојачане (a) CNT наноцевима и (b) GNP наноплочицама. CNT наноцеви и графен дисперговани су соникатором UP400S.
Студија и графикони: ©Farmaki et al., 2025

Соникација пре додавања цемента: пожељан ток процеса

За многе формулације цемента ојачаног наноматеријалима, најефикаснији приступ је да се наноматеријал прво диспергује у течној фази. То може бити вода, раствор суперпластификатора, средство за дисперговање које садржи сурфактант, полимерни додатак, сол силицијум-диоксида или друга течна компонента формулације малтера.
Типичан ток ултразвучног процеса је:

1. Додајте графен, CNT наноцеви или друге наноматеријале у течну фазу.
2. Претходно наквасите прах или нанопунило уз умерено мешање.
3. Примените ултразвучну обраду високог интензитета да бисте деагломерисали и дисперговали материјал.
4. Контролишите температуру ако је потребно.
5. Додајте нанодисперзију обрађену соникацијом цементу, песку и осталим компонентама малтера.
6. Мешајте до постизања коначне конзистенције пасте или малтера.

Овај ток процеса омогућава бољу контролу него суво умешавање наночестица у цементни прах. Такође повећава вероватноћу да наноматеријали већ буду раздвојени, наквашени и равномерно распоређени пре него што почну хидратација и везивање.

Економске користи за производњу цемента високих перформанси

Наноадитиви могу бити скупи, а њихова употреба мора бити оправдана мерљивим побољшањима својстава. Лоше дисперговање доводи до расипања материјала. Агломерисани графен или угљеничне наноцеви (CNT) повећавају трошкове формулације без постизања очекиваног ојачања. Насупрот томе, ултразвучно дисперговање побољшава ефективно искоришћење наноматеријала.
Економске предности обухватају:

• Мање расипање адитива: Већи део наноматеријала доприноси својствима уместо да остане заробљен у агломератима.
• Смањен ризик при формулисању: Уједначено дисперговање смањује број неуспелих шаржи и нестабилност резултата испитивања.
• Бржи циклуси истраживања и развоја: Формулације се могу испитивати ради одабира уз контролисане параметре соникације.
• Унапређено повећање размере процеса: Параметри процеса могу се пренети са испитивања изводљивости на индустријску опрему.
• Производи веће вредности: Чвршћи, трајнији и функционални малтери омогућавају примене највишег квалитета.
• Могућност континуиране производње: Соникација у протоку омогућава обраду великог капацитета за комерцијалну производњу.

За произвођаче, кључна вредност није само бољи квалитет дисперговања. То је могућност да се цемент ојачан наноматеријалима из лабораторијског концепта претвори у контролисан производни процес чија се размера може повећавати.

Од лабораторијске формулације до индустријске производње цемента

Велика предност ултразвучне технологије Hielscher јесте практичан пут повећања размере процеса. Формулације цемента ојачаног наноматеријалима могу се развијати на стоним системима, а затим пренети на веће системе без промене основног принципа обраде. Уместо да изнова осмишљавају процес дисперговања за производњу, произвођачи могу прилагођавати ултразвучну снагу, геометрију проточне ћелије, време задржавања и конфигурацију реактора при повећању размере процеса.
Тиме се смањује технички ризик. Такође се скраћује пут од успешних узорака малтера до комерцијалних цементних производа високих перформанси.

Типичан ток повећања размере процеса обухвата:

1. Дефинишите циљна својства малтера и систем наноматеријала.
2. Испитајте графен, CNT, наносилицијум-диоксид или хибридне адитиве ради одабира.
3. Одредите потребан интензитет соникације и унос енергије.
4. Оптимизујте дисперзионе средине, додатке и контролу температуре.
5. Произведите пробне шарже помоћу система UIP1000hdT или UIP2000hdT.
6. Потврдите својства малтера као што су чврстоћа, обрадивост и трајност.
7. Пренесите процес на кластере уређаја UIP6000hdT или UIP16000hdT за производњу.
8. Интегришите соникацију у протоку у континуирану производњу.

Цемент високих перформанси захтева висококвалитетно дисперговање

Будућност цементне технологије не заснива се само на новој хемији везива. Она зависи и од боље контроле микроструктуре, функционалних адитива и обраде. Наноматеријали као што су графен и угљеничне наноцеви (CNT) могу помоћи у производњи чвршћих, жилавијих, паметнијих и трајнијих материјала на бази цемента. Али за то је потребно поуздано дисперговање.
Ултразвучни уређаји Hielscher пружају произвођачима цемента, произвођачима грађевинске хемије и истраживачким институтима алат за обраду наноадитива чији се капацитет може повећавати. Од ране фазе развоја формулације до производње великог капацитета у протоку, соникација побољшава дисперговање, ексфолијацију, деагломерацију и функционално структурирање наноматеријала у цементним пастама и малтерима.
За производњу цемента високих перформанси, ултразвучна обрада нуди јасну предност: боља својства материјала, ефикасније коришћење скупих наноадитива и директан пут од лабораторијског успеха до индустријске производње.

Табела у наставку даје увид у приближан капацитет обраде наших ултразвучних уређаја:

Соникатори Hielscher за истраживање, испитивање изводљивости и производњу

Hielscher нуди ултразвучне процесоре у лабораторијским, стоним, пилотским и индустријским класама снаге. То је од суштинског значаја за стручњаке који развијају цементе и малтере, јер формулације ојачане наноматеријалима често морају проћи кроз неколико фаза: почетно испитивање и одабир материјала, развој параметара дисперговања, испитивање малтера, пилотске шарже и индустријску производњу.
Портфолио компаније Hielscher заснован је на ултразвучној обради чије се размере могу повећавати, са системима за лабораторијски развој, пилотска испитивања и испитивања на стоним уређајима, захтеван индустријски рад и континуалну производњу у протоку уз употребу проточних ћелија и реактора.

UIP1000hdT и UIP2000hdT за истраживања на стоним уређајима и испитивање изводљивости

UIP1000hdT и UIP2000hdT су снажни стони ултразвучни процесори за развој формулација, студије изводљивости и обраду средњег обима. Веома су погодни за развој формулација цемента ојачаног наноматеријалима, када истраживачи треба да испитају врсту наноматеријала, концентрацију, хемијски састав дисперзанта, интензитет соникације, време обраде и контролу температуре.

Ови системи су идеални за:

• Дисперговање графена и CNT у води или растворима додатака.
• Испитивање изводљивости цементних паста ојачаних наноматеријалима.
• Оптимизацију уноса енергије соникацијом.
• Припрему поновљивих пробних шаржи.
• Развој формулација малтера високих перформанси.
• Континуалну обраду малог обима у системима са проточним ћелијама.
• Валидацију повећања размера процеса пре индустријске производње.

Тимовима за истраживање и развој UIP1000hdT и UIP2000hdT обезбеђују интензитет процеса потребан за захтевне наноматеријале, уз поставку која остаје практична за лабораторије, техничке центре и пилотска постројења.

Ултразвучна ексфолијација графена

Кластери UIP6000hdT и UIP16000hdT за производњу великог капацитета

За производњу цементних додатака ојачаних наноматеријалима, нанодисперзија или компонената малтера високих перформанси у комерцијалним размерама, индустријски ултразвучни уређаји компаније Hielscher, као што су UIP6000hdT и UIP16000hdT, могу се конфигурисати у кластере за континуалну обраду великог капацитета.
Кластери уређаја UIP6000hdT или UIP16000hdT омогућавају произвођачима да повећају капацитет обраде уз одржавање контролисаног уноса ултразвучне енергије. Овај модуларни приступ посебно је користан када обим производње расте од пилотских размера до пуног производног обима.

Индустријске конфигурације подржавају:

• Континуално дисперговање графена, CNT и нанододатака у протоку.
• Обраду матичних дисперзија наноматеријала уз велики капацитет.
• Интеграцију у линије за производњу додатака за цемент или сувих мешавина малтера.
• Паралелни рад ултразвучних реактора ради повећања капацитета.
• Поуздан рад у производним окружењима са режимом рада 24/7.
• Контролу и праћење процеса ради уједначеног квалитета производа.

Индустријски системи компаније Hielscher намењени су захтевном континуалном раду, а уређаји велике снаге доступни су са снагом до 16 kW по уређају.

Литература / Референце

• 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.