Vữa xi măng gia cường nano bằng phương pháp phân tán siêu âm

Xử lý bằng siêu âm cải thiện sự phân tán, bóc tách lớp và phá kết tụ của graphene, CNT và các vật liệu nano trong hồ xi măng và vữa. Các thiết bị siêu âm Hielscher cho phép phát triển công thức xi măng tính năng cao từ nghiên cứu và phát triển đến sản xuất công nghiệp.

Vữa xi măng gia cường nano – Phân tán và phá kết tụ tốt hơn bằng xử lý siêu âm

Vữa xi măng và hồ xi măng gia cường nano mang lại một hướng tiếp cận hiệu quả để tạo ra vật liệu xây dựng tính năng cao. Bằng cách kết hợp các vật liệu nano như graphene, graphene oxit, ống nano carbon (CNT), silica nano, đất sét nano hoặc các chất độn chức năng khác, có thể thiết kế vật liệu gốc xi măng để cải thiện độ bền cơ học, khả năng chống nứt, độ bền lâu, độ dẫn điện, giảm tính thấm và nâng cao tính năng dài hạn.
Vấn đề: Tiềm năng của vật liệu nano trong các hệ xi măng chỉ được phát huy đầy đủ khi các hạt được phân tán đồng đều. Các tấm graphene, bó CNT và các phụ gia nano khác có xu hướng hình thành các khối kết tụ do lực van der Waals mạnh, năng lượng bề mặt cao và sự đan rối. Khuấy thông thường, trộn bằng rôto–stato hoặc trộn bột đơn giản thường không phá vỡ được các khối kết tụ này ở mức cần thiết. Kết quả là sự phân bố kém, các điểm yếu trong nền vữa, việc sử dụng vật liệu nano đắt tiền kém hiệu quả và các tính chất vật liệu không đồng nhất.
Giải pháp: Các thiết bị siêu âm dạng đầu dò của Hielscher cung cấp một giải pháp hiệu quả, có thể mở rộng quy mô và đã được kiểm chứng trong công nghiệp để phân tán, bóc tách lớp, phá kết tụ và tạo sự đan rối phục vụ chức năng của vật liệu nano trong hồ xi măng, các công thức vữa và huyền phù tiền chất. Hielscher phát triển và sản xuất các thiết bị xử lý siêu âm dùng để xử lý chất lỏng, từ nghiên cứu tính khả thi trong phòng thí nghiệm đến sản xuất công nghiệp liên tục, với danh mục sản phẩm được thiết kế để mở rộng quy mô từ các hệ thống phòng thí nghiệm nhỏ gọn đến thiết bị công nghiệp công suất cao.

Vì sao sự phân tán vật liệu nano lại quan trọng trong vữa xi măng

Vật liệu nano có thể cải thiện đáng kể vật liệu composite gốc xi măng vì chúng tương tác với nền xi măng ở thang chiều dài rất nhỏ. Graphene, CNT và các chất độn nano khác được phân tán đúng cách có thể đóng vai trò là các vị trí tạo mầm, bắc cầu qua các vết nứt vi mô, tinh chỉnh cấu trúc lỗ rỗng và cải thiện sự truyền tải trọng trong nền đã đóng rắn.
Trong thực tế, tính năng phụ thuộc ít hơn vào lượng vật liệu nano danh định được bổ sung và phụ thuộc nhiều hơn vào chất lượng phân tán. Một lượng nhỏ graphene hoặc CNT được phân tán tốt có thể mang lại tính năng vượt trội so với một lượng lớn hơn của vật liệu được phân tán kém. Các khối kết tụ hoạt động như những khuyết tật thay vì có tác dụng gia cường. Chúng làm giảm tính công tác, tạo ra sự tập trung ứng suất và hạn chế diện tích bề mặt hữu hiệu của phụ gia.
Phân tán bằng siêu âm giải quyết thách thức cốt lõi này trong việc xây dựng công thức. Siêu âm cường độ cao tạo ra lực cắt cục bộ mạnh, sự trộn ở cấp vi mô, sóng xung kích và các vi tia chất lỏng thông qua hiện tượng xâm thực âm. Những tác động này tách các vật liệu nano đang kết bó, làm ướt bề mặt hạt và phân bố chúng đồng đều trong toàn bộ pha lỏng trước khi chúng được đưa vào bột xi măng, hồ xi măng hoặc vữa.

Phá kết tụ graphene, CNT và phụ gia nano bằng siêu âm

Các phiến nano graphene, graphene oxit, graphene oxit khử và ống nano carbon đặc biệt hấp dẫn đối với các vật liệu gốc xi măng tiên tiến. Chúng có thể góp phần cải thiện độ bền kéo, độ bền uốn, độ dai phá hủy, độ dẫn điện, đặc tính nhiệt và độ bền lâu. Đồng thời, chúng thuộc nhóm phụ gia khó phân tán nhất.
Hiện tượng xâm thực siêu âm giúp thắng các lực hút giữa các cấu trúc kích thước nano. Trong chất lỏng được xử lý siêu âm, sự sụp đổ của các bọt xâm thực tạo ra năng lượng đầu vào cục bộ cường độ cao. Điều này có thể phá vỡ các cụm hạt, tách các bó CNT, bóc tách các vật liệu có cấu trúc lớp và cải thiện sự phân bố của các chất độn nano.

Các tác động chính của siêu âm trong sản xuất vữa gia cường nano bao gồm:

• Phá kết tụ: Phá vỡ các cụm graphene, CNT, nano silica hoặc phụ gia lai để tạo ra các phân bố hạt có kích thước nhỏ hơn và đồng đều hơn.
• Phân tán: Phân bố đồng nhất vật liệu nano trong nước, dung dịch chất hóa dẻo, hỗn hợp phụ gia hoặc huyền phù gốc xi măng.
• Bóc tách lớp: Tách các vật liệu có cấu trúc lớp như than chì, các phiến nano graphene hoặc đất sét thành những tấm mỏng hơn có diện tích bề mặt hoạt tính lớn hơn.
• Làm ướt và hoạt hóa: Cải thiện sự tiếp xúc của chất lỏng với bề mặt vật liệu nano để tăng cường tương tác với các sản phẩm hydrat hóa xi măng và phụ gia.
• Đan kết và hình thành mạng lưới: Hỗ trợ hình thành các mạng lưới CNT hoặc graphene phân bố trong vật liệu, có thể tăng cường khả năng bắc cầu qua vết nứt, tính dẫn điện và chức năng kết cấu.
• Khả năng tái lập: Tạo ra các điều kiện xử lý được kiểm soát để bảo đảm tính nhất quán của công thức từ thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đến quy mô sản xuất.

Ưu điểm của phân tán bằng siêu âm trong hồ xi măng và vữa

Giá trị kinh tế và kỹ thuật của xử lý bằng siêu âm đặc biệt lớn trong sản xuất xi măng hiệu năng cao. Vật liệu nano thường đắt tiền và lợi ích của chúng phụ thuộc vào việc sử dụng hiệu quả. Khi xử lý bằng siêu âm cải thiện chất lượng phân tán, các nhà phát triển công thức thường có thể giảm việc sử dụng quá liều lượng, tăng khả năng tái lập và đạt hiệu năng cao hơn trên mỗi kilôgam phụ gia.

Đối với các nhà sản xuất vữa tiên tiến, vật liệu sửa chữa, cấu kiện đúc sẵn, vật liệu gốc xi măng có thể in 3D hoặc hóa chất xây dựng chuyên dụng, xử lý bằng siêu âm có thể hỗ trợ:

• Khả năng chịu nén, chịu uốn và chịu kéo cao hơn nhờ cải thiện sự phân bố của chất độn nano.
• Khả năng chống nứt và độ dai tốt hơn nhờ gia cường vi mô hiệu quả hơn.
• Giảm độ thấm và cải thiện độ bền lâu nhờ tinh chỉnh cấu trúc lỗ rỗng.
• Chất lượng vật liệu nhất quán hơn giữa các mẻ.
• Nâng cao hiệu quả sử dụng graphene, CNT và các phụ gia nano đắt tiền khác.
• Sàng lọc công thức và tối ưu hóa quy trình nhanh hơn.
• Sản xuất có khả năng mở rộng quy mô từ phát triển trong phòng thí nghiệm đến xử lý công nghiệp liên tục.
• Kiểm soát tốt hơn các thông số quy trình như biên độ, năng lượng đầu vào, lưu lượng, nhiệt độ và thời gian lưu.

Các thiết bị siêu âm Hielscher được thiết kế để truyền năng lượng vào chất lỏng, huyền phù và dạng bùn với mức truyền năng lượng có thể đo lường và tái lập. Cùng một cơ chế xử lý siêu âm cốt lõi có thể được sử dụng ở các cấp công suất khác nhau, cho phép khách hàng phát triển các thông số quy trình ở quy mô nhỏ rồi chuyển chúng sang các hệ thống để bàn, thí điểm hoặc công nghiệp lớn hơn.

Ảnh nhiệt hồng ngoại của hồ xi măng biến tính bằng vật liệu nano, được gia cường bằng (a) CNT và (b) GNP. CNT và graphene được phân tán bằng thiết bị siêu âm UP400S.
Nghiên cứu và đồ thị: ©Farmaki et al., 2025

Xử lý bằng siêu âm trước khi thêm xi măng: Quy trình được ưu tiên

Đối với nhiều công thức xi măng gia cường nano, cách tiếp cận hiệu quả nhất là phân tán vật liệu nano trong pha lỏng trước. Pha lỏng này có thể là nước, dung dịch chất siêu dẻo, chất phân tán chứa chất hoạt động bề mặt, phụ gia polyme, sol silica hoặc một thành phần lỏng khác của công thức vữa.
Một quy trình siêu âm điển hình gồm:

1. Thêm graphene, CNT hoặc các vật liệu nano khác vào pha lỏng.
2. Làm ướt sơ bộ bột hoặc chất độn nano trong khi trộn ở mức độ vừa phải.
3. Áp dụng xử lý siêu âm cường độ cao để phá kết tụ và phân tán vật liệu.
4. Kiểm soát nhiệt độ nếu cần.
5. Thêm hệ phân tán nano đã xử lý bằng siêu âm vào xi măng, cát và các thành phần vữa khác.
6. Trộn đến khi đạt độ đặc cuối cùng của hồ xi măng hoặc vữa.

Quy trình này cho phép kiểm soát tốt hơn so với trộn khô các hạt nano vào bột xi măng. Quy trình cũng làm tăng khả năng các vật liệu nano đã được tách rời, làm ướt và phân bố đồng đều trước khi quá trình hydrat hóa và đông kết bắt đầu.

Lợi ích kinh tế đối với sản xuất xi măng hiệu năng cao

Phụ gia nano có thể đắt tiền, và việc sử dụng chúng phải được chứng minh là hợp lý bằng những cải thiện hiệu năng có thể đo lường được. Phân tán kém gây lãng phí vật liệu. Graphene hoặc CNT kết tụ làm tăng chi phí công thức mà không mang lại hiệu quả gia cường như mong đợi. Ngược lại, phân tán bằng siêu âm giúp sử dụng vật liệu nano hiệu quả hơn.
Các lợi ích kinh tế bao gồm:

• Giảm lãng phí phụ gia: Nhiều vật liệu nano hơn đóng góp vào hiệu năng thay vì bị giữ lại trong các khối kết tụ.
• Giảm rủi ro trong xây dựng công thức: Sự phân tán nhất quán giúp giảm số mẻ không đạt và các kết quả thử nghiệm không ổn định.
• Chu kỳ R&D nhanh hơn: Có thể sàng lọc các công thức với các thông số xử lý siêu âm được kiểm soát.
• Cải thiện khả năng mở rộng quy mô: Có thể chuyển các thông số quy trình từ thử nghiệm tính khả thi sang thiết bị công nghiệp.
• Sản phẩm có giá trị cao hơn: Vữa có cường độ cao hơn, bền hơn và có các tính năng chức năng đáp ứng các ứng dụng cao cấp.
• Tiềm năng sản xuất liên tục: Xử lý siêu âm trực tiếp trên dây chuyền cho phép xử lý với năng suất cao phục vụ sản xuất thương mại.

Đối với các nhà sản xuất, giá trị cốt lõi không chỉ nằm ở chất lượng phân tán tốt hơn. Đó còn là khả năng chuyển xi măng gia cường nano từ một ý tưởng trong phòng thí nghiệm thành một quy trình sản xuất được kiểm soát và có thể mở rộng quy mô.

Từ phát triển công thức trong phòng thí nghiệm đến sản xuất xi măng công nghiệp

Một ưu điểm lớn của công nghệ siêu âm Hielscher là lộ trình mở rộng quy mô khả thi trong thực tế. Các công thức xi măng gia cường nano có thể được phát triển ở quy mô thiết bị để bàn rồi chuyển sang các hệ thống lớn hơn mà không thay đổi nguyên lý xử lý cơ bản. Thay vì thiết kế lại quy trình phân tán cho sản xuất, các nhà sản xuất có thể điều chỉnh công suất siêu âm, hình học buồng dòng chảy, thời gian lưu và cấu hình thiết bị phản ứng theo quy mô.
Điều này giúp giảm rủi ro kỹ thuật. Đồng thời, nó cũng rút ngắn lộ trình từ các mẫu vữa đạt yêu cầu đến các sản phẩm xi măng hiệu năng cao thương mại.

Một quy trình mở rộng quy mô điển hình bao gồm:

1. Xác định hiệu năng mục tiêu của vữa và hệ vật liệu nano.
2. Sàng lọc graphene, CNT, nano-silica hoặc các phụ gia lai.
3. Xác định cường độ xử lý siêu âm và năng lượng đầu vào cần thiết.
4. Tối ưu hóa môi trường phân tán, phụ gia và việc kiểm soát nhiệt độ.
5. Sản xuất các mẻ thử nghiệm bằng hệ thống UIP1000hdT hoặc UIP2000hdT.
6. Xác nhận các tính chất của vữa như cường độ, tính công tác và độ bền lâu.
7. Chuyển quy trình sang các cụm UIP6000hdT hoặc UIP16000hdT để sản xuất.
8. Tích hợp xử lý siêu âm trực tiếp trên dây chuyền vào sản xuất liên tục.

Xi măng hiệu năng cao cần sự phân tán chất lượng cao

Tương lai của công nghệ xi măng không chỉ dựa vào các hệ hóa học chất kết dính mới. Nó còn phụ thuộc vào khả năng kiểm soát tốt hơn vi cấu trúc, phụ gia chức năng và quá trình xử lý. Các vật liệu nano như graphene và CNT có thể giúp tạo ra vật liệu gốc xi măng có cường độ cao hơn, dai hơn, thông minh hơn và bền lâu hơn. Tuy nhiên, điều này đòi hỏi sự phân tán đáng tin cậy.
Máy siêu âm Hielscher cung cấp cho các nhà sản xuất xi măng, nhà sản xuất hóa chất xây dựng và viện nghiên cứu một công cụ có thể mở rộng quy mô để xử lý phụ gia nano. Từ phát triển công thức ở giai đoạn đầu đến sản xuất trực tiếp trên dây chuyền với năng suất cao, xử lý siêu âm cải thiện sự phân tán, bóc tách lớp, phá kết tụ và tạo cấu trúc chức năng của vật liệu nano trong hồ xi măng và vữa.
Đối với sản xuất xi măng hiệu năng cao, xử lý siêu âm mang lại lợi thế rõ ràng: hiệu năng vật liệu tốt hơn, sử dụng các phụ gia nano đắt tiền hiệu quả hơn và một lộ trình trực tiếp từ thành công trong phòng thí nghiệm đến sản xuất công nghiệp.

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các máy siêu âm của chúng tôi:

Máy siêu âm Hielscher dành cho nghiên cứu, thử nghiệm tính khả thi và sản xuất

Hielscher cung cấp các thiết bị xử lý siêu âm thuộc các cấp công suất dành cho phòng thí nghiệm, thiết bị để bàn, quy mô thí điểm và công nghiệp. Điều này rất cần thiết đối với các đơn vị phát triển xi măng và vữa vì các công thức gia cường bằng vật liệu nano thường phải trải qua nhiều giai đoạn: sàng lọc vật liệu ban đầu, xây dựng các thông số phân tán, thử nghiệm vữa, sản xuất các mẻ thí điểm và sản xuất công nghiệp.
Danh mục sản phẩm của Hielscher được xây dựng xoay quanh công nghệ xử lý siêu âm có khả năng mở rộng quy mô, với các hệ thống phục vụ phát triển trong phòng thí nghiệm, thử nghiệm ở quy mô thí điểm và trên thiết bị để bàn, vận hành công nghiệp cường độ cao và sản xuất liên tục trực tiếp trên dây chuyền bằng buồng dòng chảy và thiết bị phản ứng.

UIP1000hdT và UIP2000hdT dành cho nghiên cứu trên thiết bị để bàn và thử nghiệm tính khả thi

UIP1000hdT và UIP2000hdT là các thiết bị xử lý siêu âm để bàn mạnh mẽ dành cho phát triển công thức, nghiên cứu tính khả thi và xử lý ở quy mô trung bình. Các thiết bị này rất phù hợp để phát triển các công thức xi măng gia cường bằng vật liệu nano, trong đó các nhà nghiên cứu cần thử nghiệm loại vật liệu nano, nồng độ, thành phần hóa học của chất phân tán, cường độ xử lý siêu âm, thời gian xử lý và việc kiểm soát nhiệt độ.

Các hệ thống này lý tưởng cho:

• Phân tán graphene và CNT trong nước hoặc dung dịch phụ gia.
• Thử nghiệm tính khả thi của hồ xi măng gia cường bằng vật liệu nano.
• Tối ưu hóa năng lượng siêu âm đầu vào.
• Chuẩn bị các mẻ thử nghiệm có tính tái lập.
• Phát triển các công thức vữa hiệu năng cao.
• Xử lý liên tục ở quy mô nhỏ với các cấu hình buồng dòng chảy.
• Xác nhận khả năng mở rộng quy mô trước khi sản xuất công nghiệp.

Đối với các nhóm R&D, UIP1000hdT và UIP2000hdT cung cấp cường độ xử lý cần thiết cho các vật liệu nano có yêu cầu xử lý khắt khe, đồng thời duy trì tính thực tiễn của cấu hình thiết bị trong môi trường phòng thí nghiệm, trung tâm kỹ thuật và cơ sở thí điểm.

Bóc tách lớp graphene bằng siêu âm

Các cụm UIP6000hdT và UIP16000hdT dành cho sản xuất với năng suất cao

Để sản xuất phụ gia xi măng gia cường bằng vật liệu nano, hệ phân tán nano hoặc các thành phần vữa hiệu năng cao ở quy mô thương mại, các thiết bị siêu âm công nghiệp của Hielscher như UIP6000hdT và UIP16000hdT có thể được cấu hình thành các cụm để xử lý liên tục với năng suất cao.
Các cụm thiết bị UIP6000hdT hoặc UIP16000hdT cho phép nhà sản xuất tăng công suất xử lý trong khi vẫn duy trì năng lượng siêu âm đầu vào được kiểm soát. Cách tiếp cận theo mô-đun này đặc biệt hữu ích khi khối lượng sản xuất tăng từ quy mô thí điểm lên sản xuất ở quy mô đầy đủ.

Các cấu hình công nghiệp hỗ trợ:

• Phân tán liên tục graphene, CNT và các phụ gia nano trực tiếp trên dây chuyền.
• Xử lý các hệ phân tán gốc của vật liệu nano với năng suất cao.
• Tích hợp vào dây chuyền sản xuất phụ gia xi măng hoặc vữa trộn khô.
• Vận hành song song các thiết bị phản ứng siêu âm để tăng công suất.
• Môi trường sản xuất vận hành bền bỉ 24/7.
• Kiểm soát và giám sát quá trình để bảo đảm chất lượng sản phẩm đồng nhất.

Các hệ thống công nghiệp của Hielscher được định hướng cho hoạt động liên tục với yêu cầu khắt khe, và có các thiết bị công suất cao lên đến 16 kW cho mỗi thiết bị.

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• 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.