Наноармовані цементні розчини з ультразвуковою дисперсією

Ультразвукова обробка покращує диспергування, ексфоліацію та деагломерацію графена, вуглецевих нанотрубок та наноматеріалів у цементних пастах і розчинах. Ультразвукові апарати Hielscher забезпечують високу ефективність розробки цементних сумішей від R&D до промислового виробництва.

Наноармовані цементні розчини – Покращення диспергування та деагломерації за допомогою ультразвукової обробки

Наноармовані цементні розчини та цементні пасти відкривають широкі можливості для створення високоякісних будівельних матеріалів. Завдяки додаванню таких наноматеріалів, як графен, оксид графена, вуглецеві нанотрубки (CNT), нанокремнезем, наноглини та інші функціональні наповнювачі, цементні матеріали можна модифікувати з метою підвищення механічної міцності, стійкості до утворення тріщин, довговічності, електропровідності, зниження проникності та поліпшення довгострокових експлуатаційних характеристик.
Проблема полягає в тому, що Повний потенціал наноматеріалів у цементних системах реалізується лише за умови рівномірного розподілу частинок. Листи графена, пучки вуглецевих нанотрубок та інші нанодобавки мають тенденцію утворювати агломерати через сильні сили Ван-дер-Ваальса, високу поверхневу енергію та сплутування. Звичайне перемішування, змішування за допомогою ротора-статора або просте змішування порошків часто не дозволяє достатньо розбити ці агломерати. Результатом є поганий розподіл, слабкі місця в матриці розчину, неефективне використання дорогих наноматеріалів та нестабільні властивості матеріалу.
Розв'язання: Ультразвукові апарати Hielscher з зондовим типом насадки забезпечують ефективне, масштабоване та перевірене на промисловому рівні рішення для диспергування, ексфоліації, деагломерації та функціонального сплутування наноматеріалів у цементних пастах, сумішах для розчинів та суспензіях прекурсорів. Компанія Hielscher розробляє та виробляє ультразвукові процесори для обробки рідин — від лабораторних досліджень до промислового безперервного виробництва, пропонуючи асортимент обладнання, призначений для масштабування від компактних лабораторних систем до потужного промислового обладнання.

Чому дисперсія наноматеріалів має важливе значення для цементних розчинів

Наноматеріали можуть істотно поліпшити цементні композити, оскільки вони взаємодіють із цементною матрицею на дуже дрібному масштабі. Належним чином диспергований графен, вуглецеві нанотрубки та інші нанонаповнювачі можуть виступати в ролі центрів зародження, заповнювати мікротріщини, удосконалювати структуру пор та покращувати розподіл навантаження в затверділій матриці.
На практиці експлуатаційні характеристики залежать не стільки від номінальної кількості доданого наноматеріалу, скільки від якості його диспергування. Невелика кількість добре диспергованого графена або вуглецевих нанотрубок може забезпечити кращі результати, ніж більша кількість погано диспергованого матеріалу. Агломерати діють скоріше як дефекти, а не як армуючий елемент. Вони погіршують технологічність, створюють зони концентрації напружень та обмежують ефективну площу поверхні добавки.
Ультразвукова дисперсія дозволяє вирішити цю ключову проблему при виготовленні сумішей. Високоінтенсивний ультразвук за допомогою акустичної кавітації створює сильні локальні зсувні сили, мікрозмішування, ударні хвилі та мікрострумені рідини. Ці ефекти роз'єднують скупчення наноматеріалів, змочують поверхні частинок і рівномірно розподіляють їх у рідкій фазі перед додаванням до цементного порошку, пасти або розчину.

Ультразвукова деагломерація графена, вуглецевих нанотрубок та нанодобавок

Нанопластинки графена, оксид графена, відновлений оксид графена та вуглецеві нанотрубки є особливо привабливими для сучасних цементних матеріалів. Вони можуть покращувати міцність на розтяг, міцність на згин, в’язкість руйнування, електропровідність, теплові характеристики та довговічність. Водночас вони належать до найскладніших для диспергування добавок.
Ультразвукова кавітація допомагає подолати сили притягання між нанорозмірними структурами. У рідині, що піддається ультразвуковому впливу, руйнування кавітаційних бульбашок створює інтенсивний локальний приплив енергії. Це дозволяє розбивати скупчення частинок, розділяти пучки вуглецевих нанотрубок, розшаровувати шаруваті матеріали та покращувати розподіл нанонаповнювачів.

До основних ультразвукових ефектів у процесі виробництва наноармованих розчинів належать:

• Деагломерація: Розбиття скупчень графена, вуглецевих нанотрубок, нанокремнезему або гібридних добавок на дрібніші фракції з більш однорідним розподілом частинок.
• Дисперсії: Рівномірний розподіл наноматеріалів у воді, розчинах пластифікаторів, сумішах добавок або цементних суспензіях.
• Ексфоліація: Розшарування багатошарових матеріалів, таких як графіт, нанопластинки графена або глини, на більш тонкі пластинки з більшою площею активної поверхні.
• Змочування та активація: Поліпшення контакту рідини з поверхнями наноматеріалів для кращої взаємодії з гідратами цементу та добавками.
• Взаємодія та формування мереж: Сприяння утворенню розподілених мереж з вуглецевих нанотрубок або графена, які можуть покращити перекриття тріщин, провідність та структурну функціональність.
• Відтворюваність: Створення контрольованих умов технологічного процесу для забезпечення стабільності рецептур — від лабораторних випробувань до промислового виробництва.

Переваги ультразвукової дисперсії в цементних пастах і розчинах

Економічна та технічна цінність ультразвукової обробки особливо помітна у виробництві високоякісного цементу. Наноматеріали зазвичай коштують дорого, і їхня ефективність залежить від раціонального використання. Коли ультразвукова обробка покращує якість диспергування, розробники рецептур часто можуть зменшити надлишкове дозування, підвищити відтворюваність результатів та досягти кращих експлуатаційних характеристик на кілограм добавки.

Виробникам сучасних будівельних розчинів, ремонтних матеріалів, збірних елементів, цементних матеріалів для 3D-друку або спеціалізованих будівельних хімікатів ультразвукова обробка може допомогти в:

• Покращені характеристики стискання, згину та розтягування завдяки вдосконаленому розподілу нанонаповнювачів.
• Підвищена стійкість до утворення тріщин та міцність завдяки більш ефективному мікроармуванню.
• Зниження проникності та підвищення міцності завдяки вдосконаленню структури пор.
• Більш стабільна якість сировини від партії до партії.
• Покращення ефективності використання дорогого графена, вуглецевих нанотрубок та інших нанодомішок.
• Прискорення процесу відбору рецептур та оптимізації технологічних процесів.
• Масштабоване виробництво — від лабораторних розробок до безперервного промислового виробництва.
• Більш точний контроль таких параметрів процесу, як амплітуда, енергоспоживання, витрата, температура та час перебування.

Ультразвукові апарати Hielscher призначені для контрольованого та відтворюваного передавання енергії в рідини, суспензії та шлами. Один і той самий основний механізм ультразвукової обробки застосовується в приладах різних класів потужності, що дає змогу клієнтам розробляти технологічні параметри в невеликих масштабах, а потім переносити їх на більші настільні, пілотні або промислові установки.

Інфрачервоні термограми наномодифікованого цементного розчину, армованого (а) вуглецевими нанотрубками та (б) графеновими наночастинками. Вуглецеві нанотрубки та графен були дисперговані за допомогою ультразвукового диспергатора UP400S.
Дослідження та графіки: ©Farmaki та ін., 2025

Ультразвукова обробка перед додаванням цементу: найкращий технологічний маршрут

Для багатьох рецептур цементу, армованого наноматеріалами, найефективнішим підходом є попередня диспергування наноматеріалу в рідкій фазі. Це може бути вода, розчин суперпластифікатора, диспергатор, що містить поверхнево-активну речовину, полімерна добавка, золь кремнезему або інший рідкий компонент рецептури розчину.
Типова технологічна схема ультразвукової обробки виглядає так:

1. Додайте графен, вуглецеві нанотрубки або інші наноматеріали до рідкої фази.
2. Попередньо змочіть порошок або нанонаповнювач, помірно перемішуючи.
3. Застосуйте ультразвукову обробку високої інтенсивності для деагломерації та диспергування матеріалу.
4. За необхідності регулюйте температуру.
5. Додайте нанодисперсію, оброблену ультразвуком, до цементу, піску та інших компонентів будівельного розчину.
6. Змішайте до отримання консистенції пасти або розчину.

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

Економічні переваги виробництва високоякісного цементу

Нанодобавки можуть бути дорогими, і їх використання має бути виправдане відчутним підвищенням продуктивності. Недостатнє диспергування призводить до марнування матеріалу. Агломерований графен або вуглецеві нанотрубки підвищують вартість рецептури, не забезпечуючи при цьому очікуваного зміцнювального ефекту. Натомість ультразвукове диспергування сприяє ефективнішому використанню наноматеріалів.
До економічних переваг належать:

• Зменшення обсягів відходів від добавок: Більша кількість наноматеріалу сприяє підвищенню продуктивності, а не залишається у вигляді агломератів.
• Зниження ризиків, пов’язаних із складом препарату: Постійна дисперсія дозволяє зменшити кількість бракованих партій та нестабільних результатів випробувань.
• Швидший R&D циклів: Склад препаратів можна перевіряти за допомогою ультразвукової обробки з контрольованими параметрами.
• Покращене масштабування: Параметри технологічного процесу можна перенести з експериментальних випробувань на промислове обладнання.
• Товари вищої цінової категорії: Більш міцні, довговічні та функціональні розчини підходять для робіт преміум-класу.
• Потенціал безперервного виробництва: Вбудована ультразвукова обробка забезпечує високопродуктивну переробку для промислового виробництва.

Для виробників головна цінність полягає не лише в покращенні якості диспергування. Це здатність перетворити наноармований цемент із лабораторної концепції на контрольований виробничий процес, що піддається масштабуванню.

Від лабораторної розробки до промислового виробництва цементу

Головною перевагою ультразвукової технології Hielscher є можливість практичного масштабування. Рецептури цементу, армованого наночастинками, можна розробляти в лабораторних умовах, а потім переносити на більш масштабні системи без зміни основних принципів технологічного процесу. Замість того, щоб заново розробляти процес диспергування для промислового виробництва, виробники можуть масштабувати потужність ультразвуку, геометрію проточної комірки, час перебування та конфігурацію реактора.
Це знижує технічні ризики. Крім того, це скорочує шлях від успішних зразків розчину до комерційних високоякісних цементних виробів.

Типовий робочий процес масштабування включає:

1. Визначити цільові характеристики розчину та систему наноматеріалів.
2. Графен, вуглецеві нанотрубки, нанокремнезем або гібридні добавки.
3. Визначте необхідну інтенсивність ультразвукового впливу та потужність.
4. Оптимізуйте диспергуючі середовища, добавки та регулювання температури.
5. Виготовляйте пробні партії за допомогою систем UIP1000hdT або UIP2000hdT.
6. Перевірити такі властивості розчину, як міцність, технологічність та довговічність.
7. Перенесіть процес на кластери UIP6000hdT або UIP16000hdT для запуску у виробництво.
8. Впровадити технологію потокової ультразвукової обробки у безперервний виробничий процес.

Високоефективний цемент вимагає високоякісної дисперсії

Майбутнє цементних технологій залежить не лише від нових хімічних властивостей в'яжучих речовин. Воно також залежить від більш ефективного контролю мікроструктури, функціональних добавок та технологічних процесів. Наноматеріали, такі як графен та вуглецеві нанотрубки, можуть сприяти створенню міцніших, більш в'язких, «розумніших» та довговічніших цементних матеріалів. Однак для цього необхідна надійна дисперсія.
Ультразвукові апарати Hielscher надають виробникам цементу, виробникам будівельної хімії та науково-дослідним інститутам універсальний інструмент для обробки нанодомішок. Від розробки рецептур на початкових етапах до високопродуктивного поточного виробництва ультразвукова обробка покращує диспергування, ексфоліацію, деагломерацію та функціональне структурування наноматеріалів у цементних пастах і розчинах.
Для виробництва високоякісного цементу ультразвукова обробка має очевидні переваги: кращі експлуатаційні характеристики матеріалу, ефективніше використання дорогих нанодомішок та прямий шлях від лабораторних досліджень до промислового виробництва.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:

Ультразвукові апарати Hielscher для наукових досліджень, перевірок на практичну реалізацію та промислового виробництва

Компанія Hielscher пропонує ультразвукові процесори різних класів потужності: лабораторні, настільні, пілотні та промислові. Це має важливе значення для розробників цементу та будівельних розчинів, оскільки наноармовані суміші часто мають пройти кілька етапів: попередній відбір матеріалів, визначення параметрів диспергування, випробування розчинів, пілотні партії та промислове виробництво.
Асортимент продукції компанії Hielscher базується на масштабованій ультразвуковій обробці та включає системи для лабораторних досліджень, пілотних і настільних випробувань, промислового використання в умовах інтенсивного навантаження, а також безперервного поточного виробництва з використанням проточних камер і реакторів.

UIP1000hdT та UIP2000hdT для лабораторних досліджень та попередніх випробувань

UIP1000hdT та UIP2000hdT — це потужні настільні ультразвукові процесори, призначені для розробки рецептур, проведення техніко-економічних обґрунтувань та середньомасштабної переробки. Вони чудово підходять для розробки рецептур цементу з нанонаповнювачами, коли дослідникам необхідно перевірити тип наноматеріалу, його концентрацію, хімічний склад диспергатора, інтенсивність ультразвукового впливу, час обробки та контроль температури.

Ці системи ідеально підходять для:

• Дисперсія графена та вуглецевих нанотрубок у воді або у розчинах сумішей.
• Випробування на практичну застосовність наноармованих цементних паст.
• Оптимізація енергоспоживання при ультразвуковій обробці.
• Підготовка типових пробних партій.
• Розробка рецептур високоефективних будівельних сумішей.
• Невеликомасштабна безперервна переробка з використанням потокових комірок.
• Валідація масштабування перед запуском у промислове виробництво.

для R&Моделі серії D — UIP1000hdT та UIP2000hdT — забезпечують необхідну інтенсивність обробки для складних наноматеріалів, залишаючись при цьому зручними у використанні в лабораторних умовах, технічних центрах та пілотних установках.

Ультразвуковий графеновий пілінг

Кластери UIP6000hdT та UIP16000hdT для високопродуктивного виробництва

Для промислового виробництва наноармованих цементних добавок, нанодисперсій або високоякісних компонентів будівельних сумішей промислові ультразвукові апарати Hielscher, такі як UIP6000hdT та UIP16000hdT, можна об’єднати в кластери для безперервної обробки з високою пропускною здатністю.
Об'єднання блоків UIP6000hdT або UIP16000hdT дозволяє виробникам збільшити виробничу потужність, зберігаючи при цьому контрольований рівень вхідної ультразвукової енергії. Такий модульний підхід є особливо корисним у випадках, коли обсяги виробництва зростають від пілотного до промислового рівня.

Підтримка промислових конфігурацій:

• Безперервна потокова дисперсія графена, вуглецевих нанотрубок та нанодомішок.
• Високопродуктивна обробка вихідних дисперсій наноматеріалів.
• Інтеграція в лінії з виробництва добавок до цементу або сухих будівельних сумішей.
• Паралельна робота ультразвукових реакторів для підвищення продуктивності.
• Надійні виробничі середовища, що працюють цілодобово без перерв.
• Контроль та моніторинг технологічних процесів для забезпечення стабільної якості продукції.

Промислові системи Hielscher призначені для роботи в жорстких умовах безперервної експлуатації, а потужність окремих пристроїв може досягати 16 кВт.

Література / Список літератури