Sterilizace a disperze vodou ředitelných nátěrových hmot bez biocidů

Vodou ředitelné nátěrové hmoty se široce používají, protože umožňují formulace s nízkým obsahem VOC, bezpečnější manipulaci a udržitelnější výrobu. Jejich obsah vody je však zároveň činí vysoce náchylnými k mikrobiální kontaminaci. Bakterie, kvasinky a plísně se mohou do produktu dostat prostřednictvím surovin, nádrží, potrubí, plnicích systémů nebo kontaktem s okolním prostředím během výroby a skladování. Jakmile ke kontaminaci dojde, mikroorganismy se mohou rychle množit a ohrozit jak kvalitu produktu, tak jeho trvanlivost.
Proto je mikrobiální stabilita kritickým faktorem kvality vodou ředitelných barev, nátěrových hmot, inkoustů a pigmentových disperzí.

Sonikace spojuje disperzi pigmentů a mikrobiální kontrolu v jednom průmyslovém procesu

Výrobci se tradičně spoléhají na konzervační látky a biocidy pro konzervaci v obalu, aby zabránili kažení. Rostoucí regulační tlak a rostoucí poptávka po čistších formulacích však podněcují hledání alternativ. Vysoce intenzivní sonikace nabízí vysoce účinné řešení, protože umožňuje současnou disperzi a sterilizaci v jednom procesním kroku.
Pro výrobce nátěrových hmot to znamená, že ultrazvukové zpracování není pouze dispergační technologií. Je to také výkonný procesní nástroj ke zlepšení mikrobiologické stability, který zároveň podporuje formulační strategie s nízkým obsahem biocidů nebo bez biocidů.

Proč je mikrobiální stabilita vodou ředitelných barev průmyslově kritická

Mikrobiální kontaminace přímo ovlivňuje kvalitu produktu a spolehlivost procesu: Mikrobiální stabilita barev má velký průmyslový význam, protože mikrobiální růst může vyvolat řadu vad produktu a výrobních problémů. Vodou ředitelné formulace často obsahují organické složky, jako jsou pojiva, dispergátory, smáčedla, zahušťovadla a odpěňovače. Tyto složky mohou vytvářet příznivé prostředí pro mikrobiální růst, pokud je kontaminace zanesena během zpracování nebo skladování.

V průmyslové praxi může nedostatečná mikrobiální kontrola způsobit:

• posun viskozity a změny pH
• tvorbu plynu a vydouvání obalů
• nepříjemný zápach a změnu barvy
• sníženou skladovací stabilitu
• vady filmu a nekonzistentní aplikační chování
• u ponorných lázní – častější čištění a prostoje související s kontaminací

Mikrobiální kažení nepoškozuje pouze produkt. Může také způsobovat opakované hygienické problémy v nádržích, potrubích a recirkulačních okruzích, což vede k výrobním ztrátám, nutnosti přepracování, reklamacím zákazníků a nákladům na likvidaci. Z tohoto důvodu není mikrobiální stabilita vedlejší vlastností. Je to základní požadavek pro komerčně úspěšné vodou ředitelné nátěrové hmoty.

Jak sonikace funguje ve vodou ředitelných nátěrových hmotách

Akustická kavitace vytváří intenzivní smyk, a tím i mikrobiální dezintegraci: Vysoce výkonný ultrazvuk působí prostřednictvím akustické kavitace. Když ultrazvukové vlny procházejí kapalinou, vznikají mikroskopické bubliny, které rostou a implodují. Tyto kavitační jevy generují vysoce lokalizované smykové síly, turbulence, tlakové změny a mikrotrysky.
Ve vodou ředitelných nátěrových hmotách jsou tyto kavitační účinky cenné, protože působí současně na částice i na mikroorganismy. Aglomeráty pigmentů se účinně rozbíjejí na jemnější částice, zatímco mikrobiální buňky jsou mechanicky poškozovány a inaktivovány. Díky tomu je sonikace obzvláště atraktivní pro formulace, u nichž je zásadní jak kvalita disperze, tak mikrobiální stabilita.

Jeden procesní krok plní dvě kritické funkce

Místo toho, aby se disperze pigmentů a mikrobiální kontrola řešily jako samostatné úlohy, spojuje je sonikace do jediné operace. Tento dvojí účinek přináší jasnou průmyslovou výhodu.

Tatáž ultrazvuková energie, která deaglomeruje shluky pigmentů a rovnoměrně disperguje částice, může také snížit životaschopnou mikrobiální zátěž v nátěrové hmotě. Sonikace tak podporuje:

• jemnější a rovnoměrnější disperzi pigmentů
• lepší barevnou sílu a optickou konzistenci
• sníženou mikrobiální kontaminaci během zpracování
• lepší skladovací stabilitu vodou ředitelných produktů
• nižší závislost na konzervačních látkách a biocidech pro konzervaci v obalu

Díky tomu je sonikace vysoce relevantní pro vývoj udržitelnějších nátěrových systémů s čistším složením (clean label).

Ultrazvukově dispergovaný oxid křemičitý: červená křivka – neošetřený; zelená křivka: po ultrazvukové disperzi

Výhody současné disperze a sterilizace pigmentů do barev

1. Lepší kvalita disperze zlepšuje vlastnosti nátěru
   Pigmenty a plniva často tvoří aglomeráty, které se při nedostatečné mechanické energii obtížně rozbíjejí. Sonikace poskytuje intenzivní a cílený smyk, díky čemuž je vysoce účinná pro deaglomeraci a zmenšování velikosti částic. Jemnější disperze může zlepšit několik užitných vlastností výsledného nátěru, včetně vývoje barvy, krycí schopnosti, lesku a dlouhodobé stability.
2. Současná sterilizace podporuje snižování množství biocidů
   Ultrazvuková kavitace zároveň může poškodit mikrobiální buňky přítomné v kapalné fázi. To snižuje kontaminaci v proudu produktu a pomáhá zlepšit mikrobiální stabilitu, aniž by bylo nutné spoléhat výhradně na chemickou konzervaci. Pro výrobce, kteří usilují o systémy s nízkým obsahem biocidů nebo bez biocidů, je to významná procesní výhoda.
3. Intenzifikace procesu snižuje složitost
   Spojení dvou klíčových procesních cílů v jednom inline kroku zjednodušuje výrobu. Místo přidávání samostatných stupňů úpravy pro disperzi a mikrobiální kontrolu mohou výrobci nátěrových hmot integrovat obojí do jednoho řízeného procesu sonikace. To snižuje manipulaci, podporuje čistší výrobu a zlepšuje reprodukovatelnost.

Proč zpracování bez biocidů nabývá na významu

Regulační, environmentální a tržní požadavky mění formulační strategie
Posun k nátěrovým hmotám s nízkým obsahem biocidů a bez biocidů je poháněn několika průmyslovými faktory. Regulační rámce se zpřísňují, environmentální očekávání rostou a zákazníci požadují bezpečnější a udržitelnější produkty s menším počtem látek vzbuzujících obavy.
V tomto kontextu získávají fyzikální procesní technologie strategický význam. Sonikace je obzvláště atraktivní, protože nenahrazuje pouze jednu přísadu jinou. Zavádí nechemický princip úpravy, který mechanickou energií zlepšuje jak disperzi, tak mikrobiální stabilitu.

Pro formulátory a vedoucí výroby to přináší několik výhod:

• podpora udržitelnějších produktových koncepcí
• snížená závislost na konvenčních konzervačních látkách
• lepší hygiena procesu
• silnější pozice pro vodou ředitelné nátěrové hmoty nové generace

Proč jsou sonikátory Hielscher nejlepším řešením pro průmyslovou výrobu nátěrových hmot

Přesné řízení pro reprodukovatelné podmínky zpracování

Sonikátory Hielscher jsou konstruovány pro průmyslové řízení procesů. Při výrobě nátěrových hmot je přesné řízení parametrů sonikace zásadní, protože chování formulace závisí na typu pigmentu, obsahu sušiny, viskozitě, teplotě, průtoku a intenzitě úpravy.

Systémy Hielscher umožňují přesné nastavení důležitých procesních parametrů, jako jsou:

• amplituda
• tlak
• průtok / doba zdržení
• teplota
• dodaná energie

Tato přesnost umožňuje výrobcům optimalizovat disperzi pigmentů, zlepšit tím kvalitu formulace a dosáhnout reprodukovatelné mikrobiální redukce.

SEM snímky vegetativních buněk B. subtilis před (a) a po ozařování ultrazvukem po dobu 30 min (b), (c).
Studie a snímek: © Hashimoto et al., 2020

Natlakovatelné průtokové cely pro intenzifikovanou sonikaci

Zvýšený tlak zvyšuje intenzitu kavitace
Klíčovou výhodou technologie Hielscher je použití natlakovatelných reaktorů s průtokovou celou. Tlak má silný vliv na chování kavitace. Při zvýšeném tlaku se kavitace stává intenzivnější a účinnější, což je obzvláště cenné u náročných disperzí a kontinuální mikrobiální inaktivace.

Natlakovatelné průtokové cely podporují:

• intenzifikovanou ultrazvukovou úpravu
• účinnější deaglomeraci
• lepší účinnost procesu

Pro průmyslové závody na výrobu nátěrových hmot to znamená, že ultrazvukovou úpravu lze vyladit nejen pro ověření proveditelnosti v laboratorním měřítku, ale také pro skutečnou výrobní kapacitu a požadavky na produkt.

Inline zpracování pro kontinuální výrobu

Sonikaci lze integrovat přímo do výrobní linky
Sonikátory Hielscher jsou vysoce vhodné pro inline zpracování. To umožňuje kontinuálně upravovat vodou ředitelné nátěrové hmoty při jejich průchodu výrobním systémem. Inline sonikace se dobře hodí do průmyslové výroby, protože odpadá zbytečná manipulace s vsázkami a lze ji integrovat do přepravních okruhů, recirkulačních systémů nebo vyhrazených procesních linek.

Inline zpracování nabízí jasné provozní výhody:

• kontinuální úprava za definovaných podmínek
• snadná integrace do stávajících zařízení
• omezená ruční manipulace
• lepší účinnost a konzistence procesu

Pro výrobce nátěrových hmot je tak sonikace praktickou výrobní technologií.

Sprejově sušený TiO2 před ultrazvukovým mletím a po něm

Lineární škálovatelnost z laboratoře do průmyslové výroby

Procesní parametry lze spolehlivě přenášet mezi měřítky
Zvětšování měřítka (scale-up) je kritickou otázkou vývoje procesů. Ultrazvukové systémy Hielscher jsou konstruovány pro lineární škálovatelnost, což znamená, že procesní podmínky stanovené v laboratorním nebo pilotním měřítku lze systematicky převést do průmyslové výroby.
To je obzvláště důležité pro společnosti vyvíjející inovativní nátěrové hmoty s nízkým obsahem biocidů, protože to snižuje riziko při zavádění a pomáhá urychlit komercializaci.

Mezi výhody lineární škálovatelnosti patří:

• snazší vývoj procesů
• spolehlivý přenos z výzkumu a vývoje do výroby
• předvídatelný výkon při vyšší kapacitě zpracování
• nižší nejistota při zvětšování měřítka

Snadné čištění a hygienický design procesu

Čistitelnost je důležitá, když je cílem mikrobiální stabilita
Je-li mikrobiální kontrola klíčovým procesním cílem, stává se hygiena zařízení ještě důležitější. Sonikátory Hielscher jsou konstruovány pro praktické průmyslové čištění a snadnou integraci do hygienických procesních prostředí.

Snadné čištění pomáhá výrobcům:

• snižovat rizika kontaminace v zařízení
• zastavit mikrobiální růst
• zkrátit práce spojené s čištěním a údržbou
• zlepšit spolehlivost procesu v průběhu opakovaných výrobních cyklů

U vodou ředitelných nátěrových hmot, kde kontaminace může přetrvávat v nádržích, mrtvých zónách a přepravních systémech, přispívá snadno čistitelné ultrazvukové zařízení přímo ke stabilitě produktu a provozní robustnosti.

Sonikovaná křídová barva na grindometru prokazuje dokonale rovnoměrnou deaglomeraci a distribuci velikosti částic pigmentů

Reprodukovatelné výsledky pro průmyslové zajištění kvality

Konzistence je pro výrobce nátěrových hmot zásadní
Průmyslová výroba barev vyžaduje vysoce reprodukovatelné výsledky procesu. Optické vlastnosti, reologie, trvanlivost a mikrobiologická stabilita musí zůstat konzistentní od šarže k šarži i po dlouhá výrobní období.

Sonikátory Hielscher zajišťují reprodukovatelné ultrazvukové podmínky, které podporují:

• rovnoměrnou disperzi pigmentů
• stabilní zmenšování velikosti částic
• konzistentní mikrobiální úpravu
• spolehlivou kvalitu produktu napříč výrobními sériemi

Tato reprodukovatelnost je zásadní pro validaci procesů, zajištění kvality a průmyslové zavedení ultrazvukové technologie.

Sonikace jako strategická technologie pro moderní vodou ředitelné nátěrové hmoty

Průmysl nátěrových hmot směřuje k formulacím, které jsou udržitelnější, obsahují méně nebezpečných přísad a mají robustnější užitné vlastnosti. Sonikace do tohoto směru zapadá mimořádně dobře, protože řeší dvě hlavní výrobní výzvy najednou: potřebu účinné disperze pigmentů a potřebu mikrobiální stability.
Spojením těchto funkcí v jednom procesním kroku pomáhá sonikace výrobcům zjednodušit výrobu, zlepšit kvalitu nátěrových hmot a snížit závislost na konvenčních konzervačních systémech. Díky tomu je ultrazvuková úprava vysoce atraktivní pro stavební barvy, průmyslové nátěrové hmoty, funkční disperze, inkousty a související vodou ředitelné systémy.
Sonikátory Hielscher poskytují průmyslovou platformu potřebnou k zavedení této strategie v praxi. Jejich přesné řízení, natlakovatelné průtokové cely, schopnost inline provozu, lineární škálovatelnost, snadné čištění a reprodukovatelné výsledky je činí obzvláště vhodnými pro výrobu barev a nátěrových hmot.

Využijte výhod ultrazvukové disperze a sterilizace nátěrových hmot

Sterilizace a disperze vodou ředitelných nátěrových hmot bez biocidů pomocí sonikace je vysoce perspektivním přístupem pro moderní výrobu barev. Sonikace zlepšuje disperzi pigmentů, snižuje mikrobiální zátěž a podporuje vyšší stabilitu produktu v jednom integrovaném procesu. Tato kombinace je obzvláště cenná v odvětví, které čelí rostoucímu tlaku na snižování množství konzervačních látek při zachování vysoké kvality produktů a účinnosti procesů.
Pro výrobce vodou ředitelných barev a nátěrových hmot nabízejí sonikátory Hielscher praktické a průmyslově osvědčené řešení. Jejich řiditelnost procesu, inline integrace, intenzifikovaná konstrukce průtokových cel, škálovatelnost, hygienická čistitelnost a reprodukovatelný výkon z nich činí vynikající volbu pro současnou disperzi a sterilizaci pigmentů do barev.

Níže uvedená tabulka vám poskytne orientační přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů:

Design, výroba a poradenství – kvalita Made in Germany

Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou známé svými nejvyššími standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují bezproblémovou integraci našich ultrazvukových přístrojů do průmyslových zařízení. Ultrazvukové přístroje Hielscher snadno zvládají drsné podmínky a náročná prostředí.

Hielscher Ultrasonics je společnost s certifikací ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrazvukové přístroje se špičkovou technologií a uživatelskou přívětivostí. Ultrazvukové přístroje Hielscher samozřejmě splňují požadavky CE a vyhovují požadavkům UL, CSA a RoHs.

Literatura / Reference

• Spiteri, D., Chot-Plassot, C., Sclear, J., Karatzas, K. A., Scerri, C., Valdramidis, V. (2017): Ultrasound processing of liquid system(s) and its antimicrobial mechanism of action. Letters in
  Applied Microbiology, 65 (4), 2017.. 313-318.
• N.P. Badgujar Y.E. Bhoge T.D. Deshpande B.A. Bhanvase P.R. Gogate S.H. Sonawane R.D. Kulkarni (2015): Ultrasound assisted organic pigment dispersion: advantages of ultrasound method over conventional method. Pigment & Resin Technology, Vol. 44, Iss. 4. 214 – 223.
• Karekar, Sammit; Bhanvase, Bharat; Sonawane, Shirish; Deosarkar, Manik; Pinjari, Dipak; Pandit, Aniruddha (2014): Synthesis of zinc molybdate and zinc phosphomolybdate nanopigments by an ultrasound assisted route: Advantage over conventional method. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 87, 2014.
• Aydin, Z., Turgut, S. & Akbas, H.Z. (2018): Structural Differences of BaTiO3 Ceramics Modified by Ultrasonic and Mechanochemical Methods. Powder Metallurgy and Metal Ceramics, Vol. 57, No. 7-8, November, 2018.