Biozidfreie Sterilisation und Dispersion von Beschichtungen auf Wasserbasis

Beschichtungen auf Wasserbasis sind weit verbreitet, da sie flüchtige organische Verbindungen (VOC) einsparen, sicherer zu handhaben sind und eine nachhaltigere Produktion ermöglichen. Gleichzeitig sind sie aufgrund ihres Wassergehalts sehr anfällig für mikrobielle Verunreinigungen. Bakterien, Hefen und Schimmelpilze können durch Rohmaterialien, Tanks, Rohrleitungen, Abfüllsysteme oder durch die Umgebung während der Herstellung und Lagerung in das Produkt gelangen. Sobald es zu einer Verunreinigung kommt, können sich die Mikroorganismen schnell vermehren und sowohl die Produktqualität als auch die Haltbarkeit beeinträchtigen.
Aus diesem Grund ist die mikrobielle Stabilität ein entscheidender Qualitätsfaktor für Farben, Lacke, Tinten und Pigmentdispersionen auf Wasserbasis.

Sonikation kombiniert Pigmentdispergierung und mikrobielle Kontrolle in einem einzigen industriellen Prozess

Traditionell verlassen sich die Hersteller auf Konservierungsmittel und Biozide in der Dose, um den Verderb zu kontrollieren. Der zunehmende behördliche Druck und die steigende Nachfrage nach saubereren Formulierungen treiben jedoch die Suche nach Alternativen voran. Die hochintensive Beschallung bietet eine hochwirksame Lösung, denn sie ermöglicht die gleichzeitige Dispersion und Sterilisation in einem Prozessschritt.
Für die Hersteller von Beschichtungen bedeutet dies, dass die Ultraschallverarbeitung nicht nur eine Dispersionstechnologie ist. Sie ist auch ein leistungsfähiges Prozesswerkzeug zur Verbesserung der mikrobiologischen Stabilität und unterstützt biozidarme oder biozidfreie Formulierungsstrategien.

Warum mikrobielle Stabilität bei wasserbasierten Farben industriell kritisch ist

Mikrobielle Verunreinigungen wirken sich direkt auf die Produktqualität und die Prozesssicherheit aus: Die mikrobielle Stabilität von Lacken ist von großer industrieller Bedeutung, da mikrobielles Wachstum eine Reihe von Produktmängeln und Produktionsproblemen auslösen kann. Formulierungen auf Wasserbasis enthalten häufig organische Bestandteile wie Bindemittel, Dispergiermittel, Netzmittel, Verdickungsmittel und Entschäumer. Diese Bestandteile können ein günstiges Umfeld für mikrobielles Wachstum schaffen, wenn es während der Verarbeitung oder Lagerung zu einer Verunreinigung kommt.

In der industriellen Praxis kann eine unzureichende mikrobielle Kontrolle zu Problemen führen:

• Viskositätsdrift und pH-Veränderungen
• Gasbildung und Aufquellen des Behälters
• fauliger Geruch und Verfärbung
• verminderte Lagerstabilität
• Filmdefekte und inkonsistentes Anwendungsverhalten
• erhöhte Reinigungshäufigkeit und kontaminationsbedingte Ausfallzeiten

Mikrobieller Verderb schädigt nicht nur das Produkt. Er kann auch zu wiederkehrenden Hygieneproblemen in Tanks, Leitungen und Kreisläufen führen, die Produktionsverluste, Nacharbeiten, Kundenbeschwerden und Entsorgungskosten nach sich ziehen. Aus diesem Grund ist die mikrobielle Stabilität keine sekundäre Eigenschaft. Sie ist eine Grundvoraussetzung für kommerziell erfolgreiche Beschichtungen auf Wasserbasis.

Wie die Sonikation bei wasserbasierten Beschichtungen funktioniert

Akustische Kavitation erzeugt starke Scherkräfte und eine mikrobielle Zersetzung: Hochleistungs-Ultraschall wirkt durch akustische Kavitation. Wenn Ultraschallwellen eine Flüssigkeit durchdringen, bilden sich mikroskopisch kleine Blasen, die wachsen und implodieren. Diese Kavitationsereignisse erzeugen hochgradig lokalisierte Scherkräfte, Turbulenzen, Druckänderungen und Mikrojets.
Bei Beschichtungen auf Wasserbasis sind diese Effekte wertvoll, weil sie gleichzeitig auf Partikel und Mikroorganismen wirken. Pigmentagglomerate werden effizient in feinere Partikel zerlegt, während mikrobielle Zellen mechanisch beschädigt und inaktiviert werden. Dies macht die Beschallung besonders attraktiv für Formulierungen, bei denen sowohl die Qualität der Dispersion als auch die mikrobielle Stabilität entscheidend sind.

Ein Prozessschritt erfüllt zwei wichtige Funktionen

Anstatt die Dispergierung von Pigmenten und die Kontrolle von Mikroorganismen als separate Aufgaben zu behandeln, werden sie bei der Beschallung in einem einzigen Arbeitsgang kombiniert. Diese doppelte Wirkung bietet einen klaren industriellen Vorteil.

Dieselbe Ultraschallenergie, die Pigmentcluster deagglomeriert und Partikel gleichmäßig dispergiert, kann auch die lebensfähige mikrobielle Belastung in der Beschichtung reduzieren. Infolgedessen unterstützt die Beschallung:

• feinere und gleichmäßigere Dispersion der Pigmente
• verbesserte Farbstärke und optische Konsistenz
• geringere mikrobielle Verunreinigung während der Verarbeitung
• verbesserte Lagerstabilität von Produkten auf Wasserbasis
• geringere Abhängigkeit von Konservierungsmitteln und Bioziden in der Dose

Daher ist die Beschallung für die Entwicklung nachhaltigerer und umweltfreundlicherer Beschichtungssysteme von großer Bedeutung.
 

Mit Ultraschall dispergiertes Siliziumdioxid: rote Kurve – unbehandelt; grüne Kurve: nach Ultraschalldispergierung

Vorteile der gleichzeitigen Dispersion und Sterilisation von Farbpigmenten

1. Bessere Dispersionsqualität verbessert die Beschichtungsleistung
   Pigmente und Füllstoffe bilden oft Agglomerate, die mit unzureichender mechanischer Energie nur schwer zu brechen sind. Die Beschallung sorgt für eine intensive und gezielte Scherung und ist daher für die Deagglomeration und die Verringerung der Partikelgröße sehr effektiv. Eine feinere Dispersion kann mehrere Leistungsmerkmale der endgültigen Beschichtung verbessern, darunter Farbentwicklung, Opazität, Glanz und Langzeitstabilität.
2. Gleichzeitige Sterilisation unterstützt Biozidreduktion
   Gleichzeitig kann die Ultraschallkavitation die in der Flüssigphase vorhandenen mikrobiellen Zellen schädigen. Dadurch wird die Verunreinigung des Produktstroms verringert und die mikrobielle Stabilität verbessert, ohne sich ausschließlich auf chemische Konservierung zu verlassen. Für Hersteller, die biozidarme oder biozidfreie Systeme anstreben, ist dies ein bedeutender Prozessvorteil.
3. Prozessintensivierung reduziert Komplexität
   Die Kombination von zwei wichtigen Prozesszielen in einem Inline-Schritt vereinfacht die Produktion. Anstatt separate Behandlungsstufen für die Dispersion und die mikrobielle Kontrolle hinzuzufügen, können Beschichtungshersteller beides in einen kontrollierten Beschallungsprozess integrieren. Dies reduziert die Handhabung, unterstützt eine saubere Produktion und verbessert die Reproduzierbarkeit.

Warum die biozidfreie Verarbeitung an Bedeutung gewinnt

Regulierungs-, Umwelt- und Marktanforderungen verändern die Formulierungsstrategien
Die Verlagerung hin zu biozidarmen und biozidfreien Beschichtungen wird von mehreren industriellen Faktoren angetrieben. Die gesetzlichen Rahmenbedingungen werden strenger, die Umwelterwartungen steigen, und die Kunden verlangen sicherere, nachhaltigere Produkte mit weniger bedenklichen Stoffen.
In diesem Zusammenhang gewinnen physikalische Verfahrenstechniken an strategischer Bedeutung. Die Beschallung ist besonders attraktiv, weil sie nicht nur einen Zusatzstoff durch einen anderen ersetzt. Sie führt ein nicht-chemisches Behandlungsprinzip ein, das sowohl die Dispersion als auch die mikrobielle Stabilität durch mechanische Energie verbessert.

Für Formulierer und Produktionsleiter bietet dies mehrere Vorteile:

• Unterstützung für nachhaltigere Produktkonzepte
• geringere Abhängigkeit von herkömmlichen Konservierungsmitteln
• verbesserte Prozesshygiene
• Stärkere Positionierung für wasserbasierte Beschichtungen der nächsten Generation

Warum Hielscher Sonicators die beste Lösung für die industrielle Beschichtungsproduktion sind

Präzise Kontrolle für reproduzierbare Verarbeitungsbedingungen

Hielscher-Sonicatoren sind für die industrielle Prozesskontrolle konzipiert. In der Beschichtungsproduktion ist eine präzise Steuerung der Beschallungsparameter unerlässlich, da das Rezepturverhalten von Pigmenttyp, Feststoffgehalt, Viskosität, Temperatur, Durchflussmenge und Behandlungsintensität abhängt.

Hielscher-Systeme ermöglichen die genaue Einstellung wichtiger Prozessparameter wie z.B.:

• Amplitude
• Druck
• Durchflussmenge / Verweilzeit
• Temperatur
• Energieeintrag

Diese Präzision ermöglicht es den Herstellern, die Pigmentdispersion zu optimieren, die Qualität der Formulierung zu verbessern und eine reproduzierbare mikrobielle Reduzierung zu erreichen.

REM-Aufnahmen der vegetativen Zellen von B. subtilis vor (a) und nach 30-minütiger Ultraschallbestrahlung (b), (c).
Studie und Bild: © Hashimoto et al., 2020

Druckbeaufschlagbare Durchflusszellen für intensivierte Beschallung

Erhöhter Druck erhöht die Intensität der Kavitation
Ein wesentlicher Vorteil der Hielscher-Technologie ist der Einsatz von druckbeaufschlagbaren Fließzellenreaktoren. Druck hat einen starken Einfluss auf das Kavitationsverhalten. Unter erhöhtem Druck wird die Kavitation intensiver und effektiver, was besonders bei anspruchsvollen Dispersionen und kontinuierlicher mikrobieller Inaktivierung von Vorteil ist.

Druckbeaufschlagbare Durchflusszellen unterstützen:

• verstärkte Ultraschallbehandlung
• effektivere Deagglomeration
• verbesserte Prozesseffizienz
• stärkere Leistung im Dauerbetrieb

Für industrielle Beschichtungsanlagen bedeutet dies, dass die Ultraschallbehandlung nicht nur auf die Machbarkeit im Labormaßstab, sondern auch auf den tatsächlichen Produktionsdurchsatz und die Produktanforderungen abgestimmt werden kann.

Inline-Verarbeitung für die kontinuierliche Fertigung

Die Beschallung kann direkt in die Produktionslinie integriert werden
Hielscher-Sonicatoren eignen sich hervorragend für die Inline-Behandlung. Dadurch können wasserbasierte Beschichtungen kontinuierlich behandelt werden, während sie das Produktionssystem durchlaufen. Die Inline-Beschallung passt gut in die industrielle Fertigung, denn sie vermeidet unnötiges Chargenhandling und kann in Transferschleifen, Rezirkulationssysteme oder spezielle Prozesslinien integriert werden.

Die Inline-Verarbeitung bietet klare betriebliche Vorteile:

• kontinuierliche Behandlung unter definierten Bedingungen
• leichtere Integration in bestehende Anlagen
• reduzierte manuelle Handhabung
• verbesserte Prozesseffizienz und -konsistenz

Für die Hersteller von Beschichtungen wird die Beschallung dadurch zu einer praktischen Produktionstechnologie und nicht zu einem reinen Laborverfahren.

Sprühgetrocknetes TiO2: vor und nach dem Ultraschallmahlen

Lineare Skalierbarkeit vom Labor zur industriellen Produktion

Prozessparameter können zuverlässig über Skalen hinweg übertragen werden
Scale-up ist ein kritischer Punkt in der Prozessentwicklung. Hielscher-Ultraschallsysteme sind auf lineare Skalierbarkeit ausgelegt. Das bedeutet, dass die im Labor- oder Pilotmaßstab festgelegten Prozessbedingungen systematisch auf die industrielle Produktion übertragen werden können.
Dies ist besonders wichtig für Unternehmen, die innovative biozidarme Beschichtungen entwickeln, da es das Risiko bei der Umsetzung verringert und die Vermarktung beschleunigt.

Zu den Vorteilen der linearen Skalierbarkeit gehören:

• einfachere Prozessentwicklung
• zuverlässige Übertragung von R&D zur Produktion
• vorhersehbare Leistung bei größerem Durchsatz
• geringere Unsicherheit beim Scale-up

Einfache Reinigung und hygienisches Prozessdesign

Reinigbarkeit ist wichtig, wenn mikrobielle Stabilität das Ziel ist
Wenn die Kontrolle von Mikroorganismen ein wichtiges Prozessziel ist, wird die Anlagenhygiene noch wichtiger. Hielscher Ultraschallgeräte sind für die praktische industrielle Reinigung und die problemlose Integration in hygienische Prozessumgebungen konzipiert.

Einfache Reinigung hilft den Herstellern:

• Verringerung des Kontaminationsrisikos in Geräten
• Unterstützung einer konsequenten mikrobiellen Kontrolle
• Verkürzung des Reinigungs- und Wartungsaufwands
• Verbesserung der Prozesssicherheit bei wiederholten Produktionszyklen

Bei Beschichtungen auf Wasserbasis, wo sich Verunreinigungen in Tanks, Totzonen und Transfersystemen hartnäckig halten können, tragen leicht zu reinigende Ultraschallgeräte direkt zur Produktstabilität und Betriebsstabilität bei.

Beschallte Kreidefarbe auf dem Grindometer demonstriert die perfekt gleichmäßige Desagglomeration und Partikelgrößenverteilung der Pigmente

Reproduzierbare Ergebnisse für die industrielle Qualitätssicherung

Konsistenz ist für Beschichtungshersteller entscheidend
Die industrielle Farbherstellung erfordert in hohem Maße reproduzierbare Prozessergebnisse. Optische Eigenschaften, Rheologie, Lagerfähigkeit und mikrobiologische Stabilität müssen von Charge zu Charge und über lange Produktionszeiträume hinweg gleich bleiben.

Hielscher-Sonicatoren bieten reproduzierbare Ultraschallbedingungen, die die Arbeit unterstützen:

• gleichmäßige Pigmentdispersion
• stabile Partikelgrößenreduzierung
• konsequente mikrobielle Behandlung
• verlässliche Produktqualität über alle Produktionsstufen hinweg

Diese Reproduzierbarkeit ist für die Prozessvalidierung, die Qualitätssicherung und den industriellen Einsatz der Ultraschalltechnologie von entscheidender Bedeutung.

Sonikation als strategische Technologie für moderne wasserbasierte Beschichtungen

Die Beschichtungsindustrie strebt nach Formulierungen, die nachhaltiger sind, weniger gefährliche Zusatzstoffe enthalten und eine höhere Leistung aufweisen. Die Beschallung passt hervorragend in diese Richtung, da sie zwei große Herausforderungen in der Produktion auf einmal angeht: die Notwendigkeit einer effizienten Pigmentdispersion und die Notwendigkeit mikrobieller Stabilität.
Durch die Kombination dieser Funktionen in einem Prozessschritt hilft die Beschallung den Herstellern, die Produktion zu vereinfachen, die Beschichtungsqualität zu verbessern und die Abhängigkeit von herkömmlichen Konservierungssystemen zu verringern. Dies macht die Ultraschallbehandlung für Bautenanstriche, Industrielacke, funktionelle Dispersionen, Druckfarben und ähnliche Systeme auf Wasserbasis äußerst attraktiv.
Hielscher-Sonicatoren bieten die industrielle Plattform, um diese Strategie in die Praxis umzusetzen. Mit ihrer präzisen Steuerung, den druckbeaufschlagbaren Durchflusszellen, der Inline-Fähigkeit, der linearen Skalierbarkeit, der einfachen Reinigung und den reproduzierbaren Ergebnissen sind sie besonders für anspruchsvolle Beschichtungsanwendungen geeignet.

Nutzen Sie die Vorteile der Dispersion und Sterilisation von Beschichtungen mit Ultraschall

Die biozidfreie Sterilisation und Dispersion von Wasserlacken durch Beschallung ist ein vielversprechender Ansatz für die moderne Lackherstellung. Die Beschallung verbessert die Dispersion von Pigmenten, reduziert die mikrobielle Belastung und unterstützt eine höhere Produktstabilität in einem integrierten Prozess. Diese Kombination ist besonders wertvoll in einer Industrie, die unter wachsendem Druck steht, Konservierungsmittel zu reduzieren und gleichzeitig eine hohe Produktqualität und Prozesseffizienz zu erhalten.
Für Hersteller von Farben und Lacken auf Wasserbasis bieten Hielscher-Sonicatoren eine praktische und industriell bewährte Lösung. Ihre Prozesssteuerbarkeit, die Inline-Integration, das verstärkte Durchflusszellendesign, die Skalierbarkeit, die hygienische Reinigbarkeit und die reproduzierbare Leistung machen sie zu einer hervorragenden Wahl für die gleichzeitige Dispergierung und Sterilisation von Farbpigmenten.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:

Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany

Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die problemlose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Hielscher Ultraschallgeräte kein Problem.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Sonicators CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

Literatur / Literaturhinweise