Nanoförstärkta cementbruk med ultraljudsdispergering

Ultraljudsbehandling förbättrar dispergering, exfoliering och deagglomerering av grafen, CNT och nanomaterial i cementpastor och cementbruk. Hielschers ultraljudsapparater möjliggör formulering av högpresterande cement från forskning och utveckling till industriell produktion.

Nanoförstärkta cementbruk – bättre dispergering och deagglomerering med ultraljudsbehandling

Nanoförstärkta cementbruk och cementpastor erbjuder en effektiv väg till högpresterande byggmaterial. Genom att tillsätta nanomaterial som grafen, grafenoxid, kolnanorör (CNT), nanokiseldioxid, nanoleror eller andra funktionella fyllmedel kan cementbaserade material utformas för förbättrad mekanisk hållfasthet, sprickmotstånd, beständighet och elektrisk ledningsförmåga, minskad permeabilitet och förbättrade långtidsegenskaper.
Problemet: Nanomaterialens fulla potential i cementsystem uppnås endast när partiklarna är jämnt dispergerade. Grafenark, CNT-knippen och andra nanotillsatser tenderar att bilda agglomerat på grund av starka van der Waals-krafter, hög ytenergi och sammanflätning. Konventionell omrörning, rotor–statorblandning eller enkel pulverblandning lyckas ofta inte bryta upp dessa agglomerat tillräckligt. Resultatet är dålig fördelning, svaga punkter i bruksmatrisen, ineffektiv användning av dyra nanomaterial och ojämna materialegenskaper.
Lösningen: Hielschers ultraljudsapparater av sondtyp erbjuder en effektiv, skalbar och industriellt beprövad lösning för dispergering, exfoliering, deagglomerering och funktionell sammanflätning av nanomaterial i cementpastor, bruksformuleringar och prekursorsuspensioner. Hielscher utvecklar och tillverkar ultraljudsprocessorer för vätskebehandling, från genomförbarhetsstudier i laboratoriet till kontinuerlig industriell produktion, med ett produktsortiment utformat för uppskalning från kompakta laboratoriesystem till industriell utrustning med hög effekt.

Varför dispergering av nanomaterial är viktig i cementbruk

Nanomaterial kan avsevärt förbättra cementbaserade kompositer eftersom de samverkar med cementmatrisen på en mycket liten längdskala. Korrekt dispergerat grafen, CNT och andra nanofyllmedel kan fungera som kärnbildningsställen, överbrygga mikrosprickor, förfina porstrukturer och förbättra lastöverföringen i den härdade matrisen.
I praktiken beror prestandan mindre på den nominella mängden tillsatt nanomaterial och mer på dispergeringens kvalitet. En liten mängd väldispergerat grafen eller CNT kan ge bättre prestanda än en större mängd dåligt dispergerat material. Agglomerat fungerar som defekter snarare än som förstärkning. De minskar bearbetbarheten, skapar spänningskoncentrationer och begränsar tillsatsens effektiva yta.
Ultraljudsdispergering hanterar denna centrala utmaning vid formulering. Högintensivt ultraljud skapar starka lokala skjuvkrafter, mikroblandning, stötvågor och mikrostrålar av vätska genom akustisk kavitation. Dessa effekter separerar nanomaterial som bildat knippen, väter partikelytor och fördelar dem jämnt i hela vätskefasen innan de blandas in i cementpulver, cementpasta eller cementbruk.

Ultraljudsdeagglomerering av grafen, CNT och nanotillsatser

Grafennanoplättar, grafenoxid, reducerad grafenoxid och kolnanorör är särskilt attraktiva för avancerade cementbaserade material. De kan bidra till draghållfasthet, böjhållfasthet, brottseghet, elektrisk ledningsförmåga, termiskt beteende och beständighet. Samtidigt hör de till de tillsatser som är svårast att dispergera.
Ultraljudskavitation hjälper till att övervinna attraktionskrafterna mellan strukturer på nanoskala. I en ultraljudsbehandlad vätska genererar kollapsande kavitationsbubblor intensiv lokal energitillförsel. Detta kan bryta upp partikelkluster, separera CNT-knippen, exfoliera skiktade material och förbättra fördelningen av nanofyllmedel.

Viktiga ultraljudseffekter vid produktion av nanoförstärkt bruk omfattar:

• Deagglomerering: Bryta ned kluster av grafen, CNT:er, nanokiseldioxid eller hybridtillsatser till mindre, mer enhetliga partikelfördelningar.
• Dispergering: Fördela nanomaterial homogent i vatten, lösningar av plasticerande tillsatsmedel, tillsatsmedelsblandningar eller cementbaserade suspensioner.
• Exfoliering: Separera skiktade material som grafit, grafennanoplattor eller leror till tunnare skikt med större aktiv yta.
• Vätning och aktivering: Förbättra vätskans kontakt med nanomaterialens ytor för bättre samverkan med cementhydrater och tillsatsmedel.
• Sammanflätning och nätverksbildning: Främja bildandet av fördelade CNT- eller grafennätverk som kan förbättra spricköverbryggning, ledningsförmåga och strukturell funktionalitet.
• Reproducerbarhet: Skapa kontrollerade processförhållanden för enhetliga formuleringar från laboratorieförsök till produktionsskala.

Fördelar med ultraljudsdispergering i cementpastor och cementbruk

Det ekonomiska och tekniska värdet av ultraljudsbehandling är särskilt stort vid produktion av högpresterande cement. Nanomaterial är ofta dyra, och deras nytta beror på att de används effektivt. När ultraljudsbehandling förbättrar dispergeringskvaliteten kan formuleringsutvecklare ofta minska överdosering, öka reproducerbarheten och uppnå bättre prestanda per kilogram tillsats.

För tillverkare av avancerade cementbruk, reparationsmaterial, prefabricerade komponenter, cementbaserade material för 3D-utskrift eller specialkemikalier för byggindustrin kan ultraljudsbehandling bidra till:

• Högre tryck-, böj- och draghållfasthet genom förbättrad fördelning av nanofyllmedel.
• Bättre sprickmotstånd och seghet tack vare effektivare mikroarmering.
• Minskad permeabilitet och förbättrad beständighet genom förfining av porstrukturen.
• Jämnare materialkvalitet mellan satser.
• Förbättrat utnyttjande av dyrt grafen, dyra CNT:er och andra dyra nanotillsatser.
• Snabbare screening av formuleringar och processoptimering.
• Skalbar produktion från laboratorieutveckling till kontinuerlig industriell bearbetning.
• Bättre kontroll över processparametrar som amplitud, energitillförsel, flödeshastighet, temperatur och uppehållstid.

Hielschers ultraljudsapparater är konstruerade för mätbar och reproducerbar energiöverföring till vätskor, suspensioner och slurryer. Samma grundläggande mekanism för ultraljudsbehandling kan användas i olika effektklasser, vilket gör att kunder kan utveckla processparametrar i liten skala och sedan överföra dem till större bänksystem, pilotsystem eller industriella system.

Infraröda termogram av nanomodifierad cementpasta förstärkt med (a) CNT:er och (b) GNP:er. CNT:er och grafen dispergerades med ultraljudsapparaten UP400S.
Studie och diagram: ©Farmaki et al., 2025

Ultraljudsbehandling före cementtillsats: Den föredragna processvägen

För många nanoförstärkta cementformuleringar är det effektivaste tillvägagångssättet att först dispergera nanomaterialet i vätskefasen. Denna kan utgöras av vatten, en lösning av superplasticerande tillsatsmedel, ett tensidhaltigt dispergeringsmedel, en polymertillsats, kiselsol eller en annan flytande komponent i cementbruksformuleringen.
En typisk processväg med ultraljud är:

1. Tillsätt grafen, CNT:er eller andra nanomaterial till vätskefasen.
2. Förvät pulvret eller nanofyllmedlet under måttlig omblandning.
3. Använd högintensiv ultraljudsbehandling för att deagglomerera och dispergera materialet.
4. Reglera temperaturen vid behov.
5. Tillsätt den ultraljudsbehandlade nanodispersionen till cement, sand och övriga komponenter i cementbruket.
6. Blanda tills pastan eller cementbruket har fått sin slutliga konsistens.

Denna processväg ger bättre kontroll än torrinblandning av nanopartiklar i cementpulver. Den ökar också sannolikheten för att nanomaterialen redan är separerade, vätta och jämnt fördelade innan hydratisering och bindning börjar.

Ekonomiska fördelar vid produktion av högpresterande cement

Nanotillsatser kan vara kostsamma, och deras användning måste motiveras av mätbara prestandaförbättringar. Dålig dispergering slösar material. Agglomererad grafen eller agglomererade CNT:er ökar formuleringskostnaden utan att ge den förväntade förstärkningen. Ultraljudsdispergering förbättrar däremot det effektiva utnyttjandet av nanomaterial.
De ekonomiska fördelarna omfattar:

• Mindre tillsatsspill: En större del av nanomaterialet bidrar till prestandan i stället för att förbli bundet i agglomerat.
• Minskad risk vid formulering: Enhetlig dispergering minskar antalet misslyckade satser och instabila testresultat.
• Snabbare FoU-cykler: Formuleringar kan utvärderas med kontrollerade parametrar för ultraljudsbehandling.
• Förbättrad uppskalning: Processparametrar kan överföras från genomförbarhetstester till industriell utrustning.
• Produkter med högre värde: Starkare, mer beständiga och funktionella bruk möjliggör tillämpningar med höga krav.
• Potential för kontinuerlig produktion: Ultraljudsbehandling inline möjliggör bearbetning med hög genomströmning för kommersiell tillverkning.

För tillverkare ligger det viktigaste värdet inte bara i bättre dispergeringskvalitet. Det ligger i möjligheten att omvandla nanoförstärkt cement från ett laboratoriekoncept till en kontrollerad, skalbar produktionsprocess.

Från formulering i laboratoriet till industriell cementproduktion

En stor fördel med Hielschers ultraljudsteknik är den praktiska vägen till uppskalning. Nanoförstärkta cementformuleringar kan utvecklas i bänkskala och sedan överföras till större system utan att den grundläggande bearbetningsprincipen ändras. I stället för att utveckla dispergeringsprocessen på nytt för produktion kan tillverkare skala upp ultraljudseffekten, flödescellens geometri, uppehållstiden och reaktorkonfigurationen.
Detta minskar den tekniska risken. Det förkortar också vägen från lyckade bruksprover till kommersiella högpresterande cementprodukter.

Ett typiskt arbetsflöde för uppskalning omfattar:

1. Definiera brukets målprestanda och nanomaterialsystemet.
2. Utvärdera tillsatser av grafen, CNT:er, nanokiseldioxid eller hybridtillsatser.
3. Fastställ den ultraljudsintensitet och energitillförsel som krävs.
4. Optimera dispergeringsmedier, tillsatsmedel och temperaturreglering.
5. Producera testsatser med UIP1000hdT- eller UIP2000hdT-system.
6. Validera brukets egenskaper, såsom hållfasthet, bearbetbarhet och beständighet.
7. Överför processen till kluster av UIP6000hdT eller UIP16000hdT för produktion.
8. Integrera ultraljudsbehandling inline i kontinuerlig tillverkning.

Högpresterande cement kräver dispergering av hög kvalitet

Cementteknikens framtid bygger inte enbart på ny bindemedelskemi. Den beror också på bättre kontroll över mikrostruktur, funktionella tillsatser och bearbetning. Nanomaterial som grafen och CNT:er kan bidra till att framställa starkare, segare, smartare och mer beständiga cementbaserade material. Men detta kräver tillförlitlig dispergering.
Hielschers ultraljudsapparater ger cementproducenter, tillverkare av byggkemikalier och forskningsinstitut ett skalbart verktyg för bearbetning av nanotillsatser. Från tidig formuleringsutveckling till inlineproduktion med hög genomströmning förbättrar ultraljudsbehandling dispergeringen, exfolieringen, deagglomereringen och den funktionella struktureringen av nanomaterial i cementpastor och bruk.
För produktion av högpresterande cement erbjuder ultraljudsbearbetning en tydlig fördel: bättre materialprestanda, effektivare användning av dyra nanotillsatser och en direkt väg från framgångar i laboratoriet till industriell tillverkning.

Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:

Hielschers ultraljudsapparater för forskning, genomförbarhetstester och produktion

Hielscher erbjuder ultraljudsprocessorer i effektklasser för laboratorie-, bänk-, pilot- och industriskala. Detta är avgörande för utvecklare av cement och bruk eftersom nanoförstärkta formuleringar ofta måste genomgå flera steg: inledande materialscreening, utveckling av dispergeringsparametrar, provning av bruk, pilotsatser och industriell produktion.
Hielschers produktutbud bygger på skalbar ultraljudsbehandling, med system för laboratorieutveckling, provning i pilot- och bänkskala, krävande industriell drift och kontinuerlig inlineproduktion med flödesceller och reaktorer.

UIP1000hdT och UIP2000hdT för forskning i bänkskala och genomförbarhetstester

UIP1000hdT och UIP2000hdT är kraftfulla ultraljudsprocessorer i bänkmodell för formuleringsutveckling, genomförbarhetsstudier och behandling i mellanskala. De lämpar sig väl för utveckling av nanoförstärkta cementformuleringar där forskare behöver testa nanomaterialtyp, koncentration, dispergeringsmedlets kemi, ultraljudsintensitet, behandlingstid och temperaturreglering.

Dessa system är idealiska för:

• Dispergering av grafen och CNT i vatten eller tillsatsmedelslösningar.
• Genomförbarhetstester av nanoförstärkta cementpastor.
• Optimering av energitillförseln vid ultraljudsbehandling.
• Beredning av reproducerbara provsatser.
• Utveckling av högpresterande bruksformuleringar.
• Kontinuerlig behandling i liten skala med flödescellsuppställningar.
• Validering av uppskalning före industriell produktion.

För forsknings- och utvecklingsteam ger UIP1000hdT och UIP2000hdT den processintensitet som krävs för krävande nanomaterial, samtidigt som uppställningen förblir praktiskt hanterbar i laboratorie-, teknikcenter- och pilotmiljöer.

Exfoliering av grafen med ultraljud

Kluster av UIP6000hdT och UIP16000hdT för produktion med hög genomströmningskapacitet

För produktion i kommersiell skala av nanoförstärkta cementtillsatser, nanodispersioner eller komponenter till högpresterande bruk kan Hielschers industriella ultraljudsapparater, såsom UIP6000hdT och UIP16000hdT, konfigureras i kluster för kontinuerlig behandling med hög genomströmningskapacitet.
Kluster av UIP6000hdT- eller UIP16000hdT-enheter gör det möjligt för tillverkare att öka behandlingskapaciteten med bibehållen kontrollerad tillförsel av ultraljudsenergi. Detta modulära tillvägagångssätt är särskilt användbart när produktionsvolymerna ökar från pilotskala till fullskalig tillverkning.

Industriella konfigurationer stöder:

• Kontinuerlig inlinedispergering av grafen, CNT och nanotillsatser.
• Behandling av masterdispersioner av nanomaterial med hög genomströmningskapacitet.
• Integrering i produktionslinjer för cementtillsatsmedel eller torrbruk.
• Parallelldrift av ultraljudsreaktorer för ökad kapacitet.
• Robusta produktionsmiljöer för drift 24/7.
• Processtyrning och övervakning för jämn produktkvalitet.

Hielschers industriella system är inriktade på krävande kontinuerlig drift, och högeffektsenheter finns tillgängliga med upp till 16 kW per enhet.

Litteratur / Referenser

• 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.