Nanoförstärkta cementbruk med ultraljudsdispersion

Ultraljudsbehandling förbättrar dispersionen, exfoliationen och upplösningen av agglomerat hos grafen, kolnanorör och nanomaterial i cementpastor och murbruk. Hielschers ultraljudsapparater möjliggör utveckling av högpresterande cementformuleringar från R&D till industriproduktionen.

Nanoförstärkta cementbruk – Bättre dispersion och deagglomerering med ultraljudsbehandling

Nanoförstärkta cementbruk och cementpastor utgör en lovande väg mot högpresterande byggmaterial. Genom att införliva nanomaterial såsom grafen, grafenoxid, kolnanorör (CNT), nanosilika, nanoler eller andra funktionella fyllmedel kan cementbaserade material utformas för förbättrad mekanisk hållfasthet, sprickbeständighet, hållbarhet, elektrisk ledningsförmåga, minskad permeabilitet och förbättrad långsiktig prestanda.
Problemet: Nanomaterialens fulla potential i cementsystem utnyttjas endast fullt ut när partiklarna är jämnt fördelade. Grafenark, CNT-buntar och andra nanoadditiv tenderar att bilda agglomerat på grund av starka van der Waals-krafter, hög ytenergi och sammanflätning. Konventionell omrörning, rotor-stator-blandning eller enkel pulverblandning räcker ofta inte till för att bryta upp dessa agglomerat tillräckligt. Resultatet blir dålig fördelning, svaga punkter i murbruksmatrisen, ineffektiv användning av dyra nanomaterial och ojämna materialegenskaper.
Lösningen: Hielschers ultraljudsapparater av sondtyp erbjuder en effektiv, skalbar och industriellt beprövad lösning för dispersion, exfoliation, deagglomerering och funktionell sammanflätning av nanomaterial i cementpastor, murbruksblandningar och prekursorsuspensioner. Hielscher utvecklar och tillverkar ultraljudsprocessorer för vätskebehandling, från laboratorieförstudier till industriell kontinuerlig produktion, med ett sortiment utformat för uppskalning från kompakta laboratoriesystem till kraftfull industriutrustning.

Varför dispersionen av nanomaterial är viktig i cementbruk

Nanomaterial kan avsevärt förbättra cementbaserade kompositer eftersom de interagerar med cementmatrisen på en mycket liten längdskala. Korrekt dispergerat grafen, kolnanorör (CNT) och andra nanofyllmedel kan fungera som kärnbildningsställen, överbrygga mikrosprickor, förfina porstrukturen och förbättra belastningsöverföringen inom den härdade matrisen.
I praktiken beror prestandan mindre på den nominella mängden tillsatt nanomaterial och mer på dispersionskvaliteten. En liten mängd väl dispergerat grafen eller kolnanorör kan ge bättre resultat än en större mängd dåligt dispergerat material. Agglomerat fungerar snarare som defekter än som förstärkning. De försämrar bearbetbarheten, skapar spänningskoncentrationer och begränsar tillsatsmedlets effektiva ytarea.
Ultraljudsdispersion löser denna centrala utmaning vid formuleringen. Högintensivt ultraljud alstrar starka lokala skjuvkrafter, mikroblandning, chockvågor och mikrostrålar av vätska genom akustisk kavitation. Dessa effekter separerar klumpbildade nanomaterial, fuktar partikelytorna och fördelar dem jämnt i vätskefasen innan de blandas in i cementpulver, cementpasta eller murbruk.

Ultraljudsbaserad deagglomerering av grafen, kolnanorör och nanoadditiv

Grafen-nanoplattor, grafenoxid, reducerat grafenoxid och kolnanorör är särskilt intressanta för avancerade cementbaserade material. De kan bidra till draghållfasthet, böjhållfasthet, brottseghet, elektrisk ledningsförmåga, termiska egenskaper och hållbarhet. Samtidigt hör de till de tillsatsämnen som är svårast att dispergera.
Ultraljudskavitation bidrar till att övervinna attraktionskrafterna mellan strukturer i nanoskala. I en vätska som utsätts för ultraljud genererar kollapsande kavitationsbubblor en intensiv lokal energitillförsel. Detta kan bryta upp partikelkluster, separera CNT-buntar, exfoliera skiktade material och förbättra fördelningen av nanofyllmedel.

Bland de viktigaste ultraljudseffekterna vid tillverkning av nanoförstärkt murbruk kan nämnas följande:

• Deagglomeration: Att bryta ned kluster av grafen, kolnanorör, nanosilika eller hybridtillsatser till mindre, mer enhetliga partikelfördelningar.
• Spridning: Homogen fördelning av nanomaterial i vatten, mjukgörarlösningar, tillsatsblandningar eller cementbaserade uppslamningar.
• Peeling: Att separera skiktade material såsom grafit, grafen-nanoplattor eller leror till tunnare skikt med större aktiv yta.
• Fuktning och aktivering: Förbättrad vätskekontakt med ytor av nanomaterial för bättre växelverkan med cementhydrater och tillsatsmedel.
• Sammanflätning och nätverksbildning: Främjar bildandet av distribuerade nätverk av kolnanorör (CNT) eller grafen, vilka kan förbättra spricköverbryggning, ledningsförmåga och strukturell funktionalitet.
• Reproducerbarhet: Att skapa kontrollerade processförhållanden för enhetliga formuleringar, från laboratorieförsök till produktionsskala.

Fördelarna med ultraljudsdispersion i cementpastor och murbruk

Det ekonomiska och tekniska värdet av ultraljudsbehandling är särskilt stort vid tillverkning av högpresterande cement. Nanomaterial är ofta dyra, och deras fördelar beror på att de används på ett effektivt sätt. När ultraljudsbehandlingen förbättrar dispersionskvaliteten kan formulerarna ofta minska överdoseringen, öka reproducerbarheten och uppnå bättre prestanda per kilo tillsatsmedel.

För tillverkare av avancerade murbruk, reparationsmaterial, prefabricerade komponenter, 3D-utskrivbara cementbaserade material eller specialkemikalier för byggbranschen kan ultraljudsbehandling bidra till följande:

• Bättre prestanda vid tryck, böjning och dragning tack vare en förbättrad fördelning av nanofyllmedlet.
• Bättre sprickmotstånd och seghet tack vare en effektivare mikroförstärkning.
• Minskad permeabilitet och förbättrad hållbarhet genom förfining av porstrukturen.
• En mer enhetlig materialkvalitet mellan olika satser.
• Effektivare användning av kostsamt grafen, kolnanorör och andra nanoadditiv.
• Snabbare screening av formuleringar och processoptimering.
• Skalbar produktion från laboratorieutveckling till kontinuerlig industriell bearbetning.
• Bättre kontroll över processparametrar såsom amplitud, energitillförsel, flödeshastighet, temperatur och uppehållstid.

Hielschers ultraljudsenheter är konstruerade för mätbar och reproducerbar energiöverföring till vätskor, suspensioner och uppslamningar. Samma grundläggande ultraljudsmekanism kan användas i olika effektklasser, vilket gör det möjligt för kunderna att ta fram processparametrar i liten skala och sedan överföra dem till större bänksystem, pilotsystem eller industriella system.

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

Ultraljudsbehandling före cementtillsats: Den rekommenderade processmetoden

För många nanoförstärkta cementblandningar är den mest effektiva metoden att först dispergera nanomaterialet i den flytande fasen. Detta kan vara vatten, en lösning av superplastiseringsmedel, ett ytaktivt ämne som fungerar som dispergeringsmedel, en polymertillsats, kiseldioxidlösning eller någon annan flytande komponent i murbruksblandningen.
En typisk processkedja för ultraljud är:

1. Tillsätt grafen, kolnanorör eller andra nanomaterial till vätskefasen.
2. Fukta pulvret eller nanofyllmedlet i förväg under måttlig omrörning.
3. Använd ultraljudsbehandling med hög intensitet för att bryta upp agglomerat och dispergera materialet.
4. Justera temperaturen vid behov.
5. Tillsätt den ultraljudsbehandlade nanodispersionen till cement, sand och andra murbrukskomponenter.
6. Blanda tills blandningen har fått en konsistens som en pasta eller murbruk.

Denna metod möjliggör bättre kontroll än torrblandning av nanopartiklar i cementpulver. Den ökar också sannolikheten för att nanomaterialen redan är separerade, fuktade och jämnt fördelade innan hydratiseringen och härdningen inleds.

Ekonomiska fördelar vid produktion av högpresterande cement

Nanoadditiv kan vara kostsamma, och deras användning måste motiveras av mätbara prestandaförbättringar. Dålig dispersion leder till materialspill. Agglomererat grafen eller kolnanorör (CNT) höjer kostnaden för formuleringen utan att ge den förväntade förstärkningseffekten. Däremot förbättrar ultraljudsdispersion det effektiva utnyttjandet av nanomaterial.
De ekonomiska fördelarna omfattar:

• Mindre avfall från tillsatser: En större andel av nanomaterialet bidrar till prestandan istället för att förbli inlåst i agglomerat.
• Minskad risk i samband med formuleringen: En jämn spridning minskar antalet misslyckade satser och instabila testresultat.
• Snabbare R&D-cykler: Formuleringarna kan testas med kontrollerade ultraljudsparametrar.
• Förbättrad uppskalning: Processparametrarna kan överföras från genomförbarhetstesterna till den industriella utrustningen.
• Produkter i högre prisklasser: Starkare, mer hållbara och funktionella murbruk passar för högkvalitativa tillämpningar.
• Potential för kontinuerlig produktion: Inline-ultraljudsbehandling möjliggör bearbetning med hög genomströmning för kommersiell tillverkning.

För tillverkarna ligger det största värdet inte bara i en bättre dispersionskvalitet. Det handlar om förmågan att omvandla nanoförstärkt cement från ett laboratoriekoncept till en kontrollerad och skalbar produktionsprocess.

Från laboratorieformulering till industriell cementproduktion

En stor fördel med Hielschers ultraljudsteknik är den praktiska uppskalningsprocessen. Nanoförstärkta cementformuleringar kan utvecklas i bänkskalsstorlek och sedan överföras till större system utan att den grundläggande bearbetningsprincipen ändras. Istället för att behöva utforma om dispersionsprocessen för produktion kan tillverkarna skala upp ultraljudseffekten, flödescellets geometri, uppehållstiden och reaktorkonfigurationen.
Detta minskar den tekniska risken. Det förkortar dessutom vägen från framgångsrika murbrukprover till kommersiella högpresterande cementprodukter.

Ett typiskt arbetsflöde vid uppskalning omfattar följande:

1. Fastställ önskad prestanda för murbruket och valet av nanomaterialsystem.
2. Sila grafen, kolnanorör, nanosilika eller hybridtillsatser.
3. Bestäm den erforderliga ultraljudsintensiteten och energitillförseln.
4. Optimera dispersionsmedel, tillsatsmedel och temperaturreglering.
5. Tillverka testpartier med systemen UIP1000hdT eller UIP2000hdT.
6. Kontrollera murbrukets egenskaper, såsom hållfasthet, bearbetbarhet och hållbarhet.
7. Flytta processen till UIP6000hdT- eller UIP16000hdT-kluster för produktion.
8. Integrera inline-ultraljudsbehandling i den kontinuerliga tillverkningen.

Högpresterande cement kräver högkvalitativ dispersion

Framtiden för cementtekniken bygger inte enbart på ny bindemedelskemi. Den beror också på bättre kontroll över mikrostrukturen, funktionella tillsatser och tillverkningsprocessen. Nanomaterial som grafen och kolnanorör (CNT) kan bidra till att framställa starkare, segare, smartare och mer hållbara cementbaserade material. Men detta kräver en tillförlitlig dispersion.
Hielschers ultraljudsapparater ger cementtillverkare, tillverkare av byggkemikalier och forskningsinstitut ett skalbart verktyg för bearbetning av nanoadditiv. Från tidiga formuleringsstadier till inline-produktion med hög genomströmning förbättrar ultraljudsbehandlingen dispersionen, exfolieringen, deagglomereringen och den funktionella struktureringen av nanomaterial i cementpastor och murbruk.
När det gäller produktion av högpresterande cement erbjuder ultraljudsbehandling en tydlig fördel: bättre materialegenskaper, effektivare användning av dyra nanoadditiv och en direkt väg från framgång i laboratoriet till industriell tillverkning.

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:

Hielscher-ultraljudsapparater för forskning, genomförbarhetsstudier och produktion

Hielscher erbjuder ultraljudsprocessorer i olika effektklasser: laboratorie-, bänk-, pilot- och industriell nivå. Detta är avgörande för utvecklare av cement och murbruk, eftersom nanoförstärkta formuleringar ofta måste genomgå flera steg: inledande materialutvärdering, utveckling av dispersionsparametrar, murbruksprovning, pilotbatcher och industriell produktion.
Hielschers produktutbud är uppbyggt kring skalbar ultraljudsbehandling, med system för laboratorieutveckling, pilot- och bänkprovning, tung industriell drift samt kontinuerlig inline-produktion med hjälp av flödesceller och reaktorer.

UIP1000hdT och UIP2000hdT för forskning och genomförbarhetstester på laboratoriebord

UIP1000hdT och UIP2000hdT är kraftfulla bänkskivsmontade ultraljudsprocessorer avsedda för formuleringsutveckling, genomförbarhetsstudier och bearbetning i medelstor skala. De är väl lämpade för utveckling av nanoförstärkta cementformuleringar där forskare behöver testa typ av nanomaterial, koncentration, dispersionsmedlets kemiska sammansättning, ultraljudsintensitet, bearbetningstid och temperaturreglering.

Dessa system är perfekta för:

• Dispersion av grafen och kolnanorör i vatten eller blandningslösningar.
• Genomförbarhetsundersökning av nanoförstärkta cementpastor.
• Optimering av energitillförseln vid ultraljudsbehandling.
• Framställning av reproducerbara testpartier.
• Utveckling av högpresterande murbruksblandningar.
• Småskalig kontinuerlig bearbetning med flödesceller.
• Validering av uppskalning inför industriell produktion.

för R&I D-serien erbjuder modellerna UIP1000hdT och UIP2000hdT den processintensitet som krävs för krävande nanomaterial, samtidigt som anläggningen förblir praktisk att använda i laboratorier, tekniska center och pilotanläggningar.

Exfoliering av grafen med ultraljud

UIP6000hdT- och UIP16000hdT-kluster för produktion med hög genomströmning

För kommersiell produktion av nanoförstärkta cementtillsatser, nanodispersioner eller högpresterande murbrukskomponenter kan Hielschers industriella ultraljudsapparater, såsom UIP6000hdT och UIP16000hdT, konfigureras i kluster för kontinuerlig bearbetning med hög genomströmning.
Genom att koppla samman flera UIP6000hdT- eller UIP16000hdT-enheter kan tillverkare öka bearbetningskapaciteten samtidigt som de bibehåller en kontrollerad tillförsel av ultraljudsenergi. Denna modulära lösning är särskilt användbar när produktionsvolymerna ökar från pilotskala till fullskalig tillverkning.

Stöd för industriella konfigurationer:

• Kontinuerlig dispersion i produktionslinjen av grafen, kolnanorör och nanoadditiv.
• Högkapacitetsbearbetning av masterdispersioner av nanomaterial.
• Integrering i produktionslinjer för cementtillsatser eller torrblandad murbruk.
• Parallell drift av ultraljudsreaktorer för ökad kapacitet.
• Stabila produktionsmiljöer som är i drift dygnet runt.
• Processstyrning och övervakning för en jämn produktkvalitet.

Hielschers industriella system är utformade för krävande kontinuerlig drift, och det finns enheter med hög effekt på upp till 16 kW per enhet.

Litteratur / Referenser