Наномодифіковані цементні розчини з ультразвуковою дисперсією

Ультразвукова обробка покращує дисперсію, розшарування та дезагломерацію графену, ВНТ та наноматеріалів у цементних тістах та розчинах. Ультразвукові обробники Hielscher забезпечують високопродуктивне формування цементу від НДДКР до промислового виробництва.

Наномодифіковані цементні розчини – краща дисперсія та дезагломерація за допомогою ультразвукової обробки

Наномодифіковані цементні розчини та цементні тіста пропонують потужний шлях до високоефективних будівельних матеріалів. Завдяки включенню наноматеріалів, таких як графен, оксид графену, вуглецеві нанотрубки (ВНТ), нанокремнезем, наноглини або інші функціональні наповнювачі, цементні матеріали можуть бути спроектовані для покращення механічної міцності, стійкості до тріщин, довговічності, електропровідності, зниженої проникності та підвищеної довгострокової ефективності.
Проблема: Повний потенціал наноматеріалів у цементних системах досягається лише тоді, коли частинки дисперговані однорідно. Графенові пластини, пучки ВНТ та інші нанододатки схильні утворювати агломерати через сильні сили Ван-дер-Ваальса, високу поверхневу енергію та заплутування. Звичайне перемішування, роторно-статорне змішування або просте змішування порошків часто не здатні достатньо розбити ці агломерати. Результатом є поганий розподіл, слабкі місця в матриці розчину, неефективне використання дорогих наноматеріалів та нестабільні властивості матеріалу.
Рішення: Ультразвукові обробники Hielscher зондового типу забезпечують ефективне, масштабоване та промислово перевірене рішення для дисперсії, розшарування, дезагломерації та функціонального заплутування наноматеріалів у цементних тістах, формулюваннях розчинів та суспензіях-прекурсорах. Hielscher розробляє та виробляє ультразвукові процесори для обробки рідин від лабораторних досліджень до промислового безперервного виробництва, з портфоліо, розробленим для масштабування від компактних лабораторних систем до високопотужного промислового обладнання.

Чому дисперсія наноматеріалів важлива в цементних розчинах

Наноматеріали можуть значно покращити цементні композити, оскільки вони взаємодіють з цементною матрицею на дуже малому масштабі довжини. Правильно диспергований графен, ВНТ та інші нанонаповнювачі можуть діяти як центри нуклеації, з’єднувати мікротріщини, вдосконалювати структуру пор та покращувати передачу навантаження в затверділій матриці.
На практиці ефективність залежить менше від номінальної кількості доданого наноматеріалу, і більше від якості дисперсії. Невелика кількість добре диспергованого графену або ВНТ може перевищити ефективність більшої кількості погано диспергованого матеріалу. Агломерати поводяться як дефекти, а не як армуючий елемент. Вони зменшують удобоукладальність, створюють концентрації напружень та обмежують ефективну площу поверхні додатка.
Ультразвукова дисперсія вирішує цю центральну проблему формулювання. Ультразвук високої інтенсивності вносить сильні локальні зсувні сили, мікросмішування, ударні хвилі та мікрострумені рідини через акустичну кавітацію. Ці ефекти розділяють заплутані наноматеріали, змочують поверхні частинок та рівномірно розподіляють їх у рідкій фазі перед тим, як вони будуть включені в цементний порошок, тісто або розчин.

Ультразвукова дезагломерація графену, ВНТ та нанододатків

Нанопластини графену, оксид графену, відновлений оксид графену та вуглецеві нанотрубки є особливо привабливими для передових цементних матеріалів. Вони можуть сприяти міцності на розтяг, міцності на вигин, в’язкості руйнування, електропровідності, термічній поведінці та довговічності. Водночас вони є одними з найскладніших для дисперсії додатків.
Ультразвукова кавітація допомагає подолати сили притягання між наноструктурами. У рідині, обробленій ультразвуком, колапсуючі кавітаційні бульбашки генерують інтенсивний локальний вхід енергії. Це може руйнувати скупчення частинок, розділяти пучки ВНТ, розшаровувати шаруваті матеріали та покращувати розподіл нанонаповнювачів.

Ключові ультразвукові ефекти у виробництві наномодифікованих розчинів включають:

• Деагломерація: Розбивання кластерів графену, вуглецевих нанотрубок (CNT), нанокремнезему або гібридних добавок на менші, більш однорідні розподіли частинок.
• Дисперсія: Гомогенний розподіл наноматеріалів у воді, розчинах пластифікаторів, сумішах добавок або цементних суспензіях.
• Ексфоліація: Розшарування таких матеріалів, як графіт, нанопластини графену або глини, на тонші листи з більшою активною поверхнею.
• Змочування та активація: Покращення контакту рідини з поверхнями наноматеріалів для кращої взаємодії з цементними гідратами та добавками.
• Заплутування та формування мережі: Підтримка формування розподілених мереж CNT або графену, які можуть покращити подолання тріщин, провідність та структурну функціональність.
• Відтворюваність: Створення контрольованих умов процесу для послідовних формулювань від лабораторних випробувань до виробничого масштабу.

Переваги ультразвукової дисперсії в цементних пастах та розчинах

Економічна та технічна цінність ультразвукової обробки особливо висока у виробництві високоякісного цементу. Наноматеріали часто є дорогими, і їхня користь залежить від ефективного використання. Коли ультразвукова обробка покращує якість дисперсії, розробники формулювань часто можуть зменшити надмірне дозування, підвищити відтворюваність та отримати кращі показники ефективності на кілограм добавки.

Для виробників просунутих розчинів, ремонтних матеріалів, збірних бетонних елементів, цементних матеріалів для 3D-друку або спеціалізованих будівельних хімікатів ультразвукова обробка може забезпечити:

• Вищу міцність на стиск, згин та розтяг завдяки покращеному розподілу нанонаповнювачів.
• Кращу тріщиностійкість та в’язкість руйнування завдяки більш ефективному мікроармуванню.
• Знижену проникність та покращену довговічність завдяки уточненню структури пор.
• Більш послідовну якість матеріалу від партії до партії.
• Покращене використання дорогого графену, CNT та інших нанодобавок.
• Швидший скринінг формулювань та оптимізація процесу.
• Масштабоване виробництво від лабораторної розробки до безперервного промислового оброблення.
• Кращий контроль параметрів процесу, таких як амплітуда, енерговитрати, об’ємна витрата, температура та час перебування.

Ультразвукові гомогенізатори Hielscher розроблені для вимірюваного та відтворюваного перенесення енергії в рідини, суспензії та шлами. Той самий основний механізм ультразвукової обробки можна використовувати в різних класах потужності, що дозволяє клієнтам розробляти параметри процесу в малому масштабі, а потім переносити їх у більші настільні, пілотні або промислові системи.

Інфрачервоні термограми наномодифікованої цементної пасти, армованої (a) CNT та (b) GNP. CNT та графен були дисперговані за допомогою ультразвукового гомогенізатора UP400S.
Дослідження та графіки: ©Farmaki et al., 2025

Ультразвукова обробка перед додаванням цементу: бажаний маршрут процесу

Для багатьох формулювань наномодифікованого цементу найефективнішим підходом є попередня дисперсія наноматеріалу в рідкій фазі. Це може бути вода, розчин суперпластифікатора, диспергатор, що містить ПАР, полімерна добавка, розчин кремнезему або інший рідкий компонент розчину.
Типовий маршрут ультразвукового процесу є таким:

1. Додати графен, CNT або інші наноматеріали до рідкої фази.
2. Попередньо змочити порошок або нанонаповнювач при помірному перемішуванні.
3. Застосувати високоефективну ультразвукову обробку для деагломерації та дисперсії матеріалу.
4. Контролювати температуру, якщо це необхідно.
5. Додати ультразвуково оброблену нанодисперсію до цементу, піску та інших компонентів розчину.
6. Перемішати до кінцевої консистенції пасти або розчину.

Цей маршрут забезпечує кращий контроль, ніж сухе змішування наночастинок з цементним порошком. Він також підвищує ймовірність того, що наноматеріали вже розділені, змочені та рівномірно розподілені до початку гідратації та схоплювання.

Економічні переваги для виробництва високоякісного цементу

Нанодобавки можуть бути дорогими, і їх використання має бути виправдане вимірюваним підвищенням ефективності. Погана дисперсія призводить до марнування матеріалу. Агломерований графен або вуглецеві нанотрубки (CNT) збільшують вартість формуляції, не забезпечуючи очікуваного армування. Натомість ультразвукова дисперсія покращує ефективне використання наноматеріалів.
Економічні переваги включають:

• Зменшення відходів добавок: Більша частина наноматеріалу сприяє підвищенню ефективності, замість того щоб залишатися заблокованою в агломератах.
• Зниження ризику при розробці формуляції: Стабільна дисперсія зменшує кількість невдалих партій та нестабільних результатів тестування.
• Швидші цикли НДДКР: Формуляції можна перевіряти з контрольованими параметрами ультразвукової обробки.
• Покращене масштабування: Параметри процесу можна перенести з випробувань на можливість застосування на промислове обладнання.
• Продукти з вищою доданою вартістю: Міцніші, більш довговічні та функціональні розчини підтримують застосування у преміум-сегменті.
• Потенціал безперервного виробництва: Інлайн-ультразвукова обробка забезпечує високопродуктивну обробку для комерційного виробництва.

Для виробників ключова цінність полягає не лише в кращій якості дисперсії. Це можливість перетворити наномодифікований цемент із лабораторної концепції на контрольований, масштабований виробничий процес.

Від лабораторної формуляції до промислового виробництва цементу

Важливою перевагою ультразвукової технології Hielscher є практичний шлях масштабування. Формуляції наномодифікованого цементу можна розробляти в лабораторних умовах (bench-top), а потім переносити на більші системи без зміни фундаментального принципу обробки. Замість того, щоб винаходити процес дисперсії для виробництва заново, виробники можуть масштабувати ультразвукову потужність, геометрію проточної комірки, час перебування та конфігурацію реактора.
Це знижує технічний ризик. Це також скорочує шлях від успішних зразків розчину до комерційних високоякісних цементних продуктів.

Типовий робочий процес масштабування включає:

1. Визначення цільових характеристик розчину та системи наноматеріалів.
2. Перевірка графену, CNT, нанокремнезему або гібридних добавок.
3. Визначення необхідної інтенсивності ультразвукової обробки та енерговитрат.
4. Оптимізація середовища дисперсії, добавок та контролю температури.
5. Виробництво тестових партій за допомогою систем UIP1000hdT або UIP2000hdT.
6. Підтвердження властивостей розчину, таких як міцність, удобоукладальність та довговічність.
7. Перенесення процесу на кластери UIP6000hdT або UIP16000hdT для виробництва.
8. Інтеграція інлайн-ультразвукової обробки в безперервне виробництво.

Високоякісний цемент потребує високоякісної дисперсії

Майбутнє цементних технологій базується не лише на новій хімії в’яжучих. Воно також залежить від кращого контролю мікроструктури, функціональних добавок та процесів обробки. Наноматеріали, такі як графен та CNT, можуть допомогти виробляти міцніші, в’язкіші, розумніші та більш довговічні цементні матеріали. Але це потребує надійної дисперсії.
Ультразвукові гомогенізатори Hielscher надають виробникам цементу, виробникам будівельної хімії та науково-дослідним інститутам масштабований інструмент для обробки нанодобавок. Від ранньої стадії розробки формуляції до високопродуктивного інлайн-виробництва, ультразвукова обробка покращує дисперсію, розшарування, дезагломерацію та функціональне структурування наноматеріалів у цементних тістах та розчинах.
Для виробництва високоякісного цементу ультразвукова обробка пропонує чітку перевагу: кращі характеристики матеріалу, ефективніше використання дорогих нанодобавок та прямий шлях від лабораторного успіху до промислового виробництва.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових гомогенізаторів:

Ультразвукові гомогенізатори Hielscher для досліджень, випробувань на можливість застосування та виробництва

Hielscher пропонує ультразвукові процесори лабораторного, настільного, пілотного та промислового класів потужності. Це важливо для розробників цементу та розчинів, оскільки нанозміцнені формули часто повинні проходити через кілька етапів: початковий скринінг матеріалів, розробка параметрів диспергування, випробування розчинів, пілотні партії та промислове виробництво.
Портфель Hielscher побудований навколо масштабованого ультразвукового оброблення, з системами для лабораторної розробки, пілотного та настільного тестування, важких промислових умов експлуатації та безперервного потокового виробництва з використанням проточних комірок і реакторів.

UIP1000hdT та UIP2000hdT для настільних досліджень і перевірки технічної можливості

UIP1000hdT та UIP2000hdT – це потужні настільні ультразвукові процесори для розробки формул, досліджень технічної можливості та обробки середнього масштабу. Вони добре підходять для розробки нанозміцнених цементних формул, де дослідникам потрібно протестувати тип наноматеріалу, концентрацію, хімію диспергаторів, інтенсивність ультразвукової обробки, час обробки та контроль температури.

Ці системи ідеально підходять для:

• Диспергування графену та вуглецевих нанотрубок (CNT) у воді або розчинах добавок.
• Перевірка технічної можливості нанозміцнених цементних паст.
• Оптимізація енерговитрат ультразвукової обробки.
• Підготовка відтворюваних тестових партій.
• Розробка формул високопродуктивних розчинів.
• Безперервна обробка малого масштабу з використанням конфігурацій проточних комірок.
• Перевірка масштабування перед промисловим виробництвом.

Для команд R&D UIP1000hdT та UIP2000hdT забезпечують інтенсивність процесу, необхідну для складних наноматеріалів, зберігаючи при цьому практичність налаштування для лабораторних, технічних центрів та пілотних середовищ.

Ультразвукове розшарування графену

Кластери UIP6000hdT та UIP16000hdT для виробництва з високою пропускною здатністю

Для комерційного виробництва нанозміцнювальних добавок до цементу, нанодисперсій або компонентів високопродуктивних розчинів промислові ультразвукові обробники Hielscher, такі як UIP6000hdT та UIP16000hdT, можуть бути налаштовані в кластери для безперервної обробки з високою пропускною здатністю.
Кластери одиниць UIP6000hdT або UIP16000hdT дозволяють виробникам збільшувати потужність обробки, зберігаючи контрольований вхід ультразвукової енергії. Такий модульний підхід особливо корисний, коли обсяги виробництва зростають від пілотного масштабу до повномасштабного виробництва.

Промислові конфігурації підтримують:

• Безперервне потокове диспергування графену, CNT та нанодобавок.
• Обробка з високою пропускною здатністю майстер-дисперсій наноматеріалів.
• Інтеграція у лінії виробництва добавок до цементу або сухих будівельних сумішей.
• Паралельна робота ультразвукових реакторів для збільшення потужності.
• Надійні середовища виробництва 24/7.
• Керування процесом та моніторинг для стабільної якості продукту.

Промислові системи Hielscher призначені для складної безперервної роботи, і доступні потужні пристрої до 16 kW на одиницю.

Література / Посилання

• 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.