Ultrasonik Dispersiyon ile Nano Takviyeli Çimento Harçları

Ultrasonik sonikasyon, çimento hamurlarında ve harçlarda grafenin, CNT’lerin ve nanomalzemelerin dispersiyonunu, eksfoliasyonunu ve deaglomerasyonunu iyileştirir. Hielscher sonikatörleri, Ar-Ge’den endüstriyel üretime kadar yüksek performanslı çimento formülasyonlarının geliştirilmesini mümkün kılar.

Nano Takviyeli Çimento Harçları – Sonikasyon ile Daha İyi Dispersiyon ve Deaglomerasyon

Nano takviyeli çimento harçları ve çimento hamurları, yüksek performanslı yapı malzemelerine ulaşmak için güçlü bir yol sunar. Grafen, grafen oksit, karbon nanotüpler (CNT’ler), nano silika, nano killer veya diğer işlevsel dolgu maddeleri gibi nanomalzemelerin eklenmesiyle çimento esaslı malzemeler; daha yüksek mekanik dayanım, çatlak direnci, dayanıklılık, elektriksel iletkenlik, daha düşük geçirgenlik ve daha iyi uzun vadeli performans sağlayacak şekilde tasarlanabilir.
Sorun: Çimento sistemlerindeki nanomalzemelerin tam potansiyeline yalnızca parçacıklar homojen biçimde disperse edildiğinde ulaşılır. Grafen tabakaları, CNT demetleri ve diğer nano katkılar; güçlü van der Waals kuvvetleri, yüksek yüzey enerjisi ve birbirine dolanma nedeniyle aglomeralar oluşturma eğilimindedir. Geleneksel karıştırma, rotor-stator karıştırma veya basit toz harmanlama, bu aglomeraları yeterince parçalamakta çoğu zaman başarısız olur. Bunun sonucunda yetersiz dağılım, harç matrisinde zayıf bölgeler, pahalı nanomalzemelerin verimsiz kullanımı ve tutarsız malzeme özellikleri ortaya çıkar.
Çözüm: Hielscher prob tipi sonikatörleri, çimento hamurlarında, harç formülasyonlarında ve öncül süspansiyonlarda nanomalzemelerin dispersiyonu, eksfoliasyonu, deaglomerasyonu ve işlevsel olarak birbirine dolanması için verimli, ölçeklenebilir ve endüstriyel olarak kanıtlanmış bir çözüm sunar. Hielscher, kompakt laboratuvar sistemlerinden yüksek güçlü endüstriyel ekipmanlara ölçek büyütmek üzere tasarlanmış bir ürün portföyüyle, laboratuvar fizibilite çalışmalarından endüstriyel sürekli üretime kadar sıvı işleme için ultrasonik işlemciler geliştirir ve üretir.

Çimento Harçlarında Nanomalzeme Dispersiyonu Neden Önemlidir?

Nanomalzemeler, çimento matrisiyle çok küçük bir uzunluk ölçeğinde etkileşime girdikleri için çimento esaslı kompozitleri önemli ölçüde iyileştirebilir. Uygun biçimde disperse edilmiş grafen, CNT’ler ve diğer nano dolgu maddeleri çekirdeklenme bölgeleri olarak işlev görebilir, mikroçatlaklar üzerinde köprü oluşturabilir, gözenek yapılarını inceltebilir ve sertleşmiş matris içindeki yük aktarımını iyileştirebilir.
Uygulamada performans, eklenen nanomalzemenin nominal miktarından çok dispersiyonun kalitesine bağlıdır. İyi disperse edilmiş az miktarda grafen veya CNT, kötü disperse edilmiş daha büyük miktardaki malzemeden daha yüksek performans gösterebilir. Aglomeralar, takviye yerine kusur gibi davranır. İşlenebilirliği azaltır, gerilme yığılmaları oluşturur ve katkının etkin yüzey alanını sınırlar.
Ultrasonik dispersiyon, formülasyon geliştirmedeki bu temel zorluğu ele alır. Yüksek yoğunluklu ultrason, akustik kavitasyon yoluyla güçlü yerel kesme kuvvetleri, mikro karıştırma, şok dalgaları ve sıvı mikro jetleri oluşturur. Bu etkiler, demetlenmiş nanomalzemeleri ayırır, parçacık yüzeylerini ıslatır ve bunları çimento tozuna, hamuruna veya harca eklenmeden önce sıvı fazın tamamına eşit biçimde dağıtır.

Grafenin, CNT’lerin ve Nano Katkıların Ultrasonik Deaglomerasyonu

Grafen nanoplakacıkları, grafen oksit, indirgenmiş grafen oksit ve karbon nanotüpler, gelişmiş çimento esaslı malzemeler için özellikle ilgi çekicidir. Çekme dayanımına, eğilme dayanımına, kırılma tokluğuna, elektriksel iletkenliğe, termal davranışa ve dayanıklılığa katkıda bulunabilirler. Aynı zamanda disperse edilmesi en zor katkılar arasında yer alırlar.
Ultrasonik kavitasyon, nano ölçekli yapılar arasındaki çekim kuvvetlerinin aşılmasına yardımcı olur. Sonikasyon uygulanan bir sıvıda, çöken kavitasyon kabarcıkları yoğun yerel enerji girdisi oluşturur. Bu, parçacık kümelerini parçalayabilir, CNT demetlerini ayırabilir, katmanlı malzemeleri eksfoliye edebilir ve nano dolgu maddelerinin dağılımını iyileştirebilir.

Nano takviyeli harç üretimindeki başlıca ultrasonik etkiler şunlardır:

• Deaglomerasyon: Grafen, CNT, nano silika veya hibrit katkı kümelerinin parçalanmasıyla daha küçük ve daha homojen parçacık dağılımlarının elde edilmesi.
• Dispersiyon: Nanomalzemelerin su, plastikleştirici çözeltileri, katkı karışımları veya çimento esaslı şerbetler içinde homojen biçimde dağıtılması.
• Eksfoliasyon: Grafit, grafen nanoplakacıkları veya killer gibi katmanlı malzemelerin, daha yüksek aktif yüzey alanına sahip daha ince tabakalara ayrılması.
• Islatma ve aktivasyon: Çimento hidratları ve katkılarla daha iyi etkileşim için sıvının nanomalzeme yüzeyleriyle temasının iyileştirilmesi.
• Birbirine dolanma ve ağ oluşumu: Çatlaklar üzerinde köprü oluşumunu, iletkenliği ve yapısal işlevselliği artırabilecek, dağılmış CNT veya grafen ağlarının oluşumunun desteklenmesi.
• Tekrarlanabilirlik: Laboratuvar denemelerinden üretim ölçeğine kadar tutarlı formülasyonlar için kontrollü proses koşullarının oluşturulması.

Çimento Hamurlarında ve Harçlarda Ultrasonik Dispersiyonun Avantajları

Sonikasyonun ekonomik ve teknik değeri, yüksek performanslı çimento üretiminde özellikle yüksektir. Nanomalzemeler çoğu zaman pahalıdır ve sağladıkları fayda, verimli kullanılmalarına bağlıdır. Sonikasyon dispersiyon kalitesini iyileştirdiğinde, formülasyon geliştiricileri çoğu zaman aşırı dozlamayı azaltabilir, tekrarlanabilirliği artırabilir ve katkının kilogramı başına daha yüksek performans elde edebilir.

Gelişmiş harçlar, onarım malzemeleri, prefabrik bileşenler, 3D baskıya uygun çimento esaslı malzemeler veya özel yapı kimyasalları üretenler için ultrasonik işleme şu avantajları destekleyebilir:

• Nano dolgu maddelerinin daha iyi dağılımı sayesinde daha yüksek basınç, eğilme ve çekme performansı.
• Daha etkili mikro takviye sayesinde daha iyi çatlak direnci ve tokluk.
• Gözenek yapısının inceltilmesiyle daha düşük geçirgenlik ve daha iyi dayanıklılık.
• Partiler arasında daha tutarlı malzeme kalitesi.
• Pahalı grafenin, CNT’lerin ve diğer nano katkıların daha verimli kullanımı.
• Daha hızlı formülasyon taraması ve proses optimizasyonu.
• Laboratuvar geliştirme çalışmalarından sürekli endüstriyel işlemeye kadar ölçeklenebilir üretim.
• Genlik, enerji girdisi, debi, sıcaklık ve kalış süresi gibi proses parametrelerinin daha iyi kontrolü.

Hielscher sonikatörleri; sıvılara, süspansiyonlara ve şerbetlere ölçülebilir ve tekrarlanabilir enerji aktarımı için tasarlanmıştır. Aynı temel sonikasyon mekanizması farklı güç sınıflarında kullanılabilir; böylece müşteriler proses parametrelerini küçük ölçekte geliştirebilir ve ardından daha büyük tezgâh üstü, pilot veya endüstriyel sistemlere aktarabilir.

(a) CNT’ler ve (b) GNP’ler ile takviye edilmiş, nano modifiye çimento hamurunun kızılötesi termogramları. CNT ve grafen, UP400S sonikatörü ile disperse edilmiştir.
Çalışma ve grafikler: ©Farmaki et al., 2025

Çimento Eklenmeden Önce Sonikasyon: Tercih Edilen Proses Yolu

Birçok nano takviyeli çimento formülasyonu için en etkili yaklaşım, nanomalzemeyi önce sıvı fazda disperse etmektir. Bu sıvı faz; su, süperplastikleştirici çözeltisi, yüzey aktif madde içeren dispersan, polimer katkı, silika solü veya harç formülasyonunun başka bir sıvı bileşeni olabilir.
Tipik bir ultrasonik proses yolu şöyledir:

1. Grafen, CNT veya diğer nanomalzemeleri sıvı faza ekleyin.
2. Tozu veya nano dolgu maddesini orta düzeyde karıştırarak önceden ıslatın.
3. Malzemeyi deaglomere etmek ve disperse etmek için yüksek yoğunluklu sonikasyon uygulayın.
4. Gerekirse sıcaklığı kontrol edin.
5. Sonikasyon uygulanmış nanodispersiyonu çimentoya, kuma ve diğer harç bileşenlerine ekleyin.
6. Nihai hamur veya harç kıvamına ulaşana kadar karıştırın.

Bu yol, nanoparçacıkların çimento tozuna kuru olarak harmanlanmasına kıyasla daha iyi kontrol sağlar. Ayrıca nanomalzemelerin hidratasyon ve priz başlamadan önce ayrılmış, ıslatılmış ve eşit biçimde dağıtılmış olma olasılığını artırır.

Yüksek Performanslı Çimento Üretimi için Ekonomik Faydalar

Nano katkılar maliyetli olabilir ve kullanımları ölçülebilir performans kazanımlarıyla gerekçelendirilmelidir. Yetersiz dispersiyon malzeme israfına yol açar. Aglomere olmuş grafen veya CNT’ler, beklenen takviyeyi sağlamadan formülasyon maliyetini artırır. Buna karşılık ultrasonik dispersiyon, nanomalzemelerin etkin kullanımını iyileştirir.
Ekonomik faydalar şunlardır:

• Daha az katkı israfı: Nanomalzemenin daha büyük bir kısmı, aglomeralar içinde hapsolmak yerine performansa katkıda bulunur.
• Daha düşük formülasyon riski: Tutarlı dispersiyon, başarısız partileri ve kararsız test sonuçlarını azaltır.
• Daha hızlı Ar-Ge döngüleri: Formülasyonlar, kontrollü sonikasyon parametreleriyle taranabilir.
• Daha iyi ölçek büyütme: Proses parametreleri, fizibilite testlerinden endüstriyel ekipmanlara aktarılabilir.
• Daha yüksek değerli ürünler: Daha dayanımlı, daha dayanıklı ve işlevsel harçlar, üst segment uygulamaları destekler.
• Sürekli üretim potansiyeli: Hat içi sonikasyon, ticari üretim için yüksek işleme kapasiteli işlemeyi mümkün kılar.

Üreticiler için temel değer, yalnızca daha iyi dispersiyon kalitesi değildir. Nano takviyeli çimentoyu bir laboratuvar konseptinden kontrollü ve ölçeklenebilir bir üretim prosesine dönüştürebilme olanağıdır.

Laboratuvar Formülasyonundan Endüstriyel Çimento Üretimine

Hielscher ultrasonik teknolojisinin önemli bir avantajı, pratik ölçek büyütme yoludur. Nano takviyeli çimento formülasyonları tezgâh üstü ölçekte geliştirilebilir ve ardından temel işleme ilkesi değiştirilmeden daha büyük sistemlere aktarılabilir. Üreticiler, üretim için dispersiyon prosesini yeniden tasarlamak yerine ultrasonik gücü, akış hücresi geometrisini, kalış süresini ve reaktör yapılandırmasını ölçeklendirebilir.
Bu, teknik riski azaltır. Ayrıca başarılı harç numunelerinden ticari yüksek performanslı çimento ürünlerine uzanan yolu kısaltır.

Tipik bir ölçek büyütme iş akışı şunları içerir:

1. Hedef harç performansını ve nanomalzeme sistemini tanımlayın.
2. Grafen, CNT, nano silika veya hibrit katkıları tarayın.
3. Gerekli sonikasyon yoğunluğunu ve enerji girdisini belirleyin.
4. Dispersiyon ortamlarını, katkıları ve sıcaklık kontrolünü optimize edin.
5. UIP1000hdT veya UIP2000hdT sistemleriyle test partileri üretin.
6. Dayanım, işlenebilirlik ve dayanıklılık gibi harç özelliklerini doğrulayın.
7. Üretim için prosesi UIP6000hdT veya UIP16000hdT cihaz kümelerine aktarın.
8. Hat içi sonikasyonu sürekli üretime entegre edin.

Yüksek Performanslı Çimento, Yüksek Kaliteli Dispersiyon Gerektirir

Çimento teknolojisinin geleceği yalnızca yeni bağlayıcı kimyasına dayanmaz. Mikro yapının, işlevsel katkıların ve işlemenin daha iyi kontrolüne de bağlıdır. Grafen ve CNT’ler gibi nanomalzemeler; daha dayanımlı, daha tok, daha akıllı ve daha dayanıklı çimento esaslı malzemeler üretilmesine yardımcı olabilir. Ancak bu, güvenilir dispersiyon gerektirir.
Hielscher sonikatörleri; çimento üreticilerine, yapı kimyasalları üreticilerine ve araştırma enstitülerine nano katkı işleme için ölçeklenebilir bir araç sunar. Sonikasyon, erken aşama formülasyon geliştirmeden yüksek işleme kapasiteli hat içi üretime kadar çimento hamurlarında ve harçlarda nanomalzemelerin dispersiyonunu, eksfoliasyonunu, deaglomerasyonunu ve işlevsel yapılandırılmasını iyileştirir.
Ultrasonik işleme, yüksek performanslı çimento üretimi için belirgin bir avantaj sunar: daha iyi malzeme performansı, pahalı nano katkıların daha verimli kullanımı ve laboratuvar başarısından endüstriyel üretime doğrudan bir yol.

Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında fikir verir:

Araştırma, Fizibilite Testleri ve Üretim için Hielscher Sonikatörleri

Hielscher; laboratuvar, tezgâh üstü, pilot ve endüstriyel güç sınıflarında ultrasonik işlemciler sunar. Bu, çimento ve harç geliştiricileri için gereklidir; çünkü nano takviyeli formülasyonların çoğu zaman birkaç aşamadan geçmesi gerekir: ilk malzeme taraması, dispersiyon parametrelerinin geliştirilmesi, harç testleri, pilot partiler ve endüstriyel üretim.
Hielscher ürün portföyü; laboratuvar geliştirme çalışmaları, pilot ve tezgâh üstü testler, ağır hizmet tipi endüstriyel çalışma ve akış hücreleri ile reaktörler kullanılarak gerçekleştirilen sürekli hat içi üretim için sistemler içeren, ölçeklenebilir ultrasonik işleme üzerine kuruludur.

Tezgâh Üstü Araştırma ve Fizibilite Testleri için UIP1000hdT ve UIP2000hdT

UIP1000hdT ve UIP2000hdT; formülasyon geliştirme, fizibilite çalışmaları ve orta ölçekli işleme için güçlü tezgâh üstü ultrasonik işlemcilerdir. Araştırmacıların nanomalzeme türünü, konsantrasyonunu, dispersan kimyasını, sonikasyon yoğunluğunu, işleme süresini ve sıcaklık kontrolünü test etmesi gereken nano takviyeli çimento formülasyonlarının geliştirilmesine çok uygundurlar.

Bu sistemler şu uygulamalar için idealdir:

• Su veya katkı çözeltilerinde grafen ve CNT dispersiyonu.
• Nano takviyeli çimento hamurlarının fizibilite testleri.
• Sonikasyon enerji girdisinin optimizasyonu.
• Tekrarlanabilir test partilerinin hazırlanması.
• Yüksek performanslı harç formülasyonlarının geliştirilmesi.
• Akış hücresi düzenekleriyle küçük ölçekli sürekli işleme.
• Endüstriyel üretim öncesinde ölçek büyütmenin doğrulanması.

UIP1000hdT ve UIP2000hdT, Ar-Ge ekipleri için işlenmesi zor nanomalzemelerin gerektirdiği proses yoğunluğunu sağlarken düzeneğin laboratuvar, teknik merkez ve pilot ortamlar için pratik kalmasını sağlar.

Ultrasonik Grafen Eksfoliasyonu

Yüksek İşleme Kapasiteli Üretim için UIP6000hdT ve UIP16000hdT Cihaz Kümeleri

Nano takviyeli çimento katkılarının, nanodispersiyonların veya yüksek performanslı harç bileşenlerinin ticari ölçekte üretimi için UIP6000hdT ve UIP16000hdT gibi Hielscher endüstriyel sonikatörleri, yüksek işleme kapasiteli sürekli işleme amacıyla kümeler hâlinde yapılandırılabilir.
UIP6000hdT veya UIP16000hdT ünitelerinden oluşan kümeler, üreticilerin kontrollü ultrasonik enerji girdisini korurken işleme kapasitesini artırmasını mümkün kılar. Bu modüler yaklaşım, üretim hacimleri pilot ölçekten tam ölçekli üretime büyüdüğünde özellikle yararlıdır.

Endüstriyel yapılandırmalar şunları destekler:

• Grafenin, CNT’lerin ve nano katkıların sürekli hat içi dispersiyonu.
• Nanomalzeme ana dispersiyonlarının yüksek işleme kapasitesiyle işlenmesi.
• Çimento katkısı veya kuru karışım harç üretim hatlarına entegrasyon.
• Kapasiteyi artırmak için ultrasonik reaktörlerin paralel çalıştırılması.
• Zorlu 24/7 üretim ortamları.
• Tutarlı ürün kalitesi için proses kontrolü ve izleme.

Hielscher endüstriyel sistemleri, zorlu sürekli çalışma koşullarına yönelik olarak konumlandırılmıştır ve cihaz başına 16 kW’a kadar yüksek güçlü üniteler mevcuttur.

Literatür / Kaynaklar

• 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.