استریل‌سازی و پراکنده‌سازی پوشش‌های پایه‌آب بدون زیست‌کش

پوشش‌های پایه‌آب کاربرد گسترده‌ای دارند، زیرا امکان استفاده از فرمولاسیون‌هایی با مقدار کم ترکیبات آلی فرّار (VOC)، کاربری ایمن‌تر و تولید پایدارتر را فراهم می‌کنند. در عین حال، آب موجود در آن‌ها موجب می‌شود به‌شدت مستعد آلودگی میکروبی باشند. باکتری‌ها، مخمرها و کپک‌ها می‌توانند از طریق مواد اولیه، مخازن، خطوط لوله، سامانه‌های پرکن یا تماس با محیط طی تولید و نگهداری وارد محصول شوند. پس از وقوع آلودگی، میکروارگانیسم‌ها می‌توانند به‌سرعت تکثیر شوند و هم کیفیت محصول و هم عمر ماندگاری آن را به خطر بیندازند.
به همین دلیل، پایداری میکروبی یکی از عوامل حیاتی کیفیت در رنگ‌ها، پوشش‌ها، مرکب‌ها و دیسپرسیون‌های رنگدانه‌ای پایه‌آب است.

فراصوت‌دهی، پراکنده‌سازی رنگدانه و کنترل میکروبی را در یک فرایند صنعتی ترکیب می‌کند

تولیدکنندگان به‌طور سنتی برای کنترل فساد به نگهدارنده‌ها و زیست‌کش‌های محافظ محصول در ظرف متکی هستند. بااین‌حال، افزایش فشارهای مقرراتی و تقاضای روزافزون برای فرمولاسیون‌های پاک‌تر، جست‌وجو برای راهکارهای جایگزین را پیش می‌برد. فراصوت‌دهی با شدت بالا، با امکان‌پذیر کردن پراکنده‌سازی و استریل‌سازی هم‌زمان در یک مرحله فرایندی، راهکاری بسیار مؤثر ارائه می‌دهد.
برای تولیدکنندگان پوشش، این بدان معناست که پردازش فراصوتی صرفاً یک فناوری پراکنده‌سازی نیست. این فناوری همچنین ابزاری قدرتمند برای بهبود پایداری میکروبیولوژیکی است و از راهبردهای فرمولاسیون با زیست‌کش کم یا بدون زیست‌کش پشتیبانی می‌کند.

چرا پایداری میکروبی در رنگ‌های پایه‌آب از نظر صنعتی حیاتی است

آلودگی میکروبی مستقیماً بر کیفیت محصول و قابلیت اطمینان فرایند اثر می‌گذارد: پایداری میکروبی رنگ‌ها اهمیت صنعتی فراوانی دارد، زیرا رشد میکروبی می‌تواند طیفی از عیوب محصول و مشکلات تولید را ایجاد کند. فرمولاسیون‌های پایه‌آب اغلب حاوی ترکیبات آلی مانند چسباننده‌ها، عوامل پراکنده‌ساز، عوامل ترکننده، غلیظ‌کننده‌ها و کف‌زداها هستند. اگر آلودگی طی پردازش یا نگهداری وارد شود، این اجزا می‌توانند محیطی مساعد برای رشد میکروبی فراهم کنند.

در عمل، کنترل ناکافی میکروبی در صنعت می‌تواند به موارد زیر منجر شود:

• انحراف تدریجی گرانروی و تغییرات pH
• تشکیل گاز و بادکردگی ظرف
• بوی نامطبوع و تغییر رنگ
• کاهش پایداری در نگهداری
• عیوب لایه پوشش و رفتار غیریکنواخت هنگام اعمال
• در حمام‌های غوطه‌وری – افزایش دفعات تمیزکاری و توقف کار ناشی از آلودگی

فساد میکروبی فقط به محصول آسیب نمی‌زند. همچنین می‌تواند مشکلات بهداشتی مکرری در مخازن، لوله‌ها و حلقه‌های بازگردش ایجاد کند که به اتلاف تولید، دوباره‌کاری، شکایت مشتریان و هزینه‌های دفع منجر می‌شوند. به همین دلیل، پایداری میکروبی یک ویژگی فرعی نیست. این ویژگی الزامی اساسی برای موفقیت تجاری پوشش‌های پایه‌آب است.

نحوه عملکرد فراصوت‌دهی در پوشش‌های پایه‌آب

کاویتاسیون آکوستیکی برش شدیدی ایجاد می‌کند و از این طریق موجب تخریب میکروبی می‌شود: فراصوت پرتوان از طریق کاویتاسیون آکوستیکی عمل می‌کند. هنگامی که امواج فراصوت از مایع عبور می‌کنند، حباب‌های میکروسکوپی تشکیل می‌شوند، رشد می‌کنند و به درون فرو می‌پاشند. این رخدادهای کاویتاسیونی، نیروهای برشی بسیار موضعی، آشفتگی، تغییرات فشار و ریزجت‌ها ایجاد می‌کنند.
در پوشش‌های پایه‌آب، این اثرات کاویتاسیونی ارزشمندند، زیرا هم‌زمان بر ذرات و میکروارگانیسم‌ها اثر می‌گذارند. کلوخه‌های رنگدانه به‌طور مؤثر به ذرات ریزتر تجزیه می‌شوند، درحالی‌که سلول‌های میکروبی به‌صورت مکانیکی آسیب می‌بینند و غیرفعال می‌شوند. این ویژگی، فراصوت‌دهی را به‌ویژه برای فرمولاسیون‌هایی جذاب می‌کند که هم کیفیت پراکندگی و هم پایداری میکروبی در آن‌ها ضروری است.

یک مرحله فرایندی، دو کارکرد حیاتی را فراهم می‌کند

فراصوت‌دهی به‌جای آنکه پراکنده‌سازی رنگدانه و کنترل میکروبی را وظایفی جداگانه تلقی کند، آن‌ها را در یک عملیات ترکیب می‌کند. این اثر دوگانه مزیت صنعتی روشنی دارد.

همان انرژی فراصوتی که کلوخه‌های رنگدانه را کلوخه‌زدایی می‌کند و ذرات را به‌طور یکنواخت پراکنده می‌سازد، می‌تواند بار میکروبی زنده در پوشش را نیز کاهش دهد. در نتیجه، فراصوت‌دهی به موارد زیر کمک می‌کند:

• پراکندگی ریزتر و یکنواخت‌تر رنگدانه
• بهبود قدرت رنگ‌دهی و یکنواختی خواص نوری
• کاهش آلودگی میکروبی طی پردازش
• بهبود پایداری محصولات پایه‌آب در نگهداری
• وابستگی کمتر به نگهدارنده‌ها و زیست‌کش‌های محافظ محصول در ظرف

این ویژگی، فراصوت‌دهی را برای توسعه سامانه‌های پوششی پایدارتر با فهرست ترکیبات پاک‌تر بسیار پراهمیت می‌کند.
 

دی‌اکسید سیلیسیم پراکنده‌شده با فراصوت: منحنی قرمز – تیمارنشده؛ منحنی سبز: پس از پراکنده‌سازی فراصوتی

مزایای پراکنده‌سازی و استریل‌سازی هم‌زمان رنگدانه‌های رنگ

1. کیفیت بهتر پراکندگی، عملکرد پوشش را بهبود می‌دهد
   رنگدانه‌ها و پرکننده‌ها اغلب کلوخه‌هایی تشکیل می‌دهند که شکستن آن‌ها با انرژی مکانیکی ناکافی دشوار است. فراصوت‌دهی برشی شدید و هدفمند فراهم می‌کند و به همین دلیل برای کلوخه‌زدایی و کاهش اندازه ذرات بسیار مؤثر است. پراکندگی ریزتر می‌تواند چندین ویژگی عملکردی پوشش نهایی، از جمله ظهور رنگ، قدرت پوشانندگی، براقیت و پایداری بلندمدت را بهبود دهد.
2. استریل‌سازی هم‌زمان به کاهش مصرف زیست‌کش کمک می‌کند
   هم‌زمان، کاویتاسیون فراصوتی می‌تواند به سلول‌های میکروبی موجود در فاز مایع آسیب برساند. این امر آلودگی را در جریان محصول کاهش می‌دهد و بدون اتکای انحصاری به حفاظت شیمیایی، به بهبود پایداری میکروبی کمک می‌کند. برای تولیدکنندگانی که به دنبال سامانه‌های با زیست‌کش کم یا بدون زیست‌کش هستند، این یک مزیت فرایندی مهم است.
3. تشدید فرایند، پیچیدگی را کاهش می‌دهد
   ترکیب دو هدف کلیدی فرایند در یک مرحله درون‌خطی، تولید را ساده می‌کند. تولیدکنندگان پوشش می‌توانند به‌جای افزودن مراحل تیمار جداگانه برای پراکنده‌سازی و کنترل میکروبی، هر دو را در یک فرایند کنترل‌شده فراصوت‌دهی ادغام کنند. این کار جابه‌جایی مواد را کاهش می‌دهد، به تولید پاک‌تر کمک می‌کند و تکرارپذیری را بهبود می‌بخشد.

چرا پردازش بدون زیست‌کش اهمیت بیشتری پیدا می‌کند

الزامات مقرراتی، زیست‌محیطی و بازار، راهبردهای فرمولاسیون را بازتعریف می‌کنند
چندین عامل صنعتی، حرکت به‌سوی پوشش‌های با زیست‌کش کم و بدون زیست‌کش را پیش می‌برند. چارچوب‌های مقرراتی سخت‌گیرانه‌تر می‌شوند، انتظارات زیست‌محیطی افزایش می‌یابند و مشتریان خواهان محصولاتی ایمن‌تر و پایدارتر با مواد نگران‌کننده کمتر هستند.
در این شرایط، فناوری‌های فرایندی فیزیکی اهمیت راهبردی پیدا می‌کنند. فراصوت‌دهی به‌ویژه جذاب است، زیرا صرفاً یک افزودنی را با افزودنی دیگر جایگزین نمی‌کند. این فناوری، مبنایی غیرشیمیایی برای تیمار ارائه می‌دهد که هم پراکندگی و هم پایداری میکروبی را از طریق انرژی مکانیکی بهبود می‌بخشد.

این رویکرد برای متخصصان فرمولاسیون و مدیران تولید چندین مزیت دارد:

• پشتیبانی از طرح‌های محصول پایدارتر
• کاهش وابستگی به نگهدارنده‌های متداول
• بهبود بهداشت فرایند
• جایگاه قوی‌تر برای نسل بعدی پوشش‌های پایه‌آب

چرا سونیکاتورهای Hielscher بهترین راهکار برای تولید صنعتی پوشش هستند

کنترل دقیق برای شرایط پردازش تکرارپذیر

سونیکاتورهای Hielscher برای کنترل فرایندهای صنعتی طراحی شده‌اند. در تولید پوشش، کنترل دقیق پارامترهای فراصوت‌دهی ضروری است، زیرا رفتار فرمولاسیون به نوع رنگدانه، مقدار مواد جامد، گرانروی، دما، دبی و شدت تیمار بستگی دارد.

سامانه‌های Hielscher امکان تنظیم دقیق پارامترهای مهم فرایند را فراهم می‌کنند، از جمله:

• دامنه
• فشار
• دبی / زمان ماند
• دما
• انرژی ورودی

این دقت به تولیدکنندگان اجازه می‌دهد پراکنده‌سازی رنگدانه را بهینه کنند، کیفیت فرمولاسیون را بهبود دهند و به کاهش میکروبی تکرارپذیر دست یابند.

تصاویر SEM از سلول‌های رویشی B. subtilis پیش از تابش فراصوت (a) و پس از تابش به‌مدت 30 min ‏(b)، (c).
پژوهش و تصویر: © Hashimoto et al., 2020

سلول‌های جریان قابل‌فشارگذاری برای فراصوت‌دهی تشدیدشده

افزایش فشار، شدت کاویتاسیون را افزایش می‌دهد
یکی از مزایای کلیدی فناوری Hielscher استفاده از راکتورهای سلول جریان قابل‌فشارگذاری است. فشار تأثیر زیادی بر رفتار کاویتاسیون دارد. در فشار بالاتر، کاویتاسیون شدیدتر و مؤثرتر می‌شود؛ ویژگی‌ای که برای پراکنده‌سازی‌های دشوار و غیرفعال‌سازی پیوسته میکروبی ارزش ویژه‌ای دارد.

سلول‌های جریان قابل‌فشارگذاری به موارد زیر کمک می‌کنند:

• تیمار فراصوتی تشدیدشده
• کلوخه‌زدایی مؤثرتر
• بهبود بازده فرایند

برای کارخانه‌های صنعتی تولید پوشش، این بدان معناست که تیمار فراصوتی را می‌توان نه‌فقط برای امکان‌سنجی در مقیاس آزمایشگاهی، بلکه برای ظرفیت واقعی تولید و الزامات محصول نیز تنظیم کرد.

پردازش درون‌خطی برای تولید پیوسته

فراصوت‌دهی را می‌توان مستقیماً در خط تولید ادغام کرد
سونیکاتورهای Hielscher برای پردازش درون‌خطی بسیار مناسب‌اند. این قابلیت اجازه می‌دهد پوشش‌های پایه‌آب هنگام عبور از سامانه تولید، به‌صورت پیوسته تیمار شوند. فراصوت‌دهی درون‌خطی به‌خوبی با تولید صنعتی سازگار است، زیرا از جابه‌جایی غیرضروری بچ‌ها جلوگیری می‌کند و می‌توان آن را در حلقه‌های انتقال، سامانه‌های بازگردش یا خطوط فرایندی اختصاصی ادغام کرد.

پردازش درون‌خطی مزایای عملیاتی روشنی دارد:

• تیمار پیوسته در شرایط تعریف‌شده
• ادغام آسان در کارخانه‌های موجود
• کاهش جابه‌جایی دستی
• بهبود بازده و یکنواختی فرایند

این ویژگی، فراصوت‌دهی را برای تولیدکنندگان پوشش به یک فناوری عملی تولید تبدیل می‌کند.

TiO2 خشک‌شده به روش پاششی، پیش و پس از آسیاب‌کاری فراصوتی

مقیاس‌پذیری خطی از آزمایشگاه تا تولید صنعتی

پارامترهای فرایند را می‌توان به‌طور قابل‌اعتماد میان مقیاس‌ها انتقال داد
افزایش مقیاس موضوعی حیاتی در توسعه فرایند است. سامانه‌های فراصوتی Hielscher برای مقیاس‌پذیری خطی طراحی شده‌اند؛ یعنی شرایط فرایندی تعیین‌شده در مقیاس آزمایشگاهی یا پایلوت را می‌توان به‌صورت نظام‌مند به تولید صنعتی انتقال داد.
این ویژگی برای شرکت‌هایی که پوشش‌های نوآورانه با زیست‌کش کم توسعه می‌دهند اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا ریسک مرحله اجرا را کاهش می‌دهد و به تسریع تجاری‌سازی کمک می‌کند.

مزایای مقیاس‌پذیری خطی عبارت‌اند از:

• توسعه آسان‌تر فرایند
• انتقال قابل‌اعتماد از تحقیق و توسعه به تولید
• عملکرد پیش‌بینی‌پذیر در ظرفیت پردازش بالاتر
• عدم قطعیت کمتر در افزایش مقیاس

تمیزکاری آسان و طراحی بهداشتی فرایند

وقتی هدف پایداری میکروبی است، قابلیت تمیزکاری اهمیت دارد
اگر کنترل میکروبی یکی از اهداف کلیدی فرایند باشد، بهداشت تجهیزات اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. سونیکاتورهای Hielscher برای تمیزکاری عملی در صنعت و ادغام آسان در محیط‌های فرایندی بهداشتی طراحی شده‌اند.

تمیزکاری آسان به تولیدکنندگان کمک می‌کند:

• خطرات آلودگی در تجهیزات را کاهش دهند
• رشد میکروبی را متوقف کنند
• زمان و زحمت تمیزکاری و نگهداری را کاهش دهند
• قابلیت اطمینان فرایند را طی چرخه‌های مکرر تولید بهبود دهند

در پوشش‌های پایه‌آب، که آلودگی می‌تواند در مخازن، نواحی مرده و سامانه‌های انتقال باقی بماند، تجهیزات فراصوتی با قابلیت تمیزکاری آسان مستقیماً به پایداری محصول و استحکام عملیاتی کمک می‌کنند.

رنگ گچی فراصوت‌دهی‌شده روی گرایندومتر، کلوخه‌زدایی و توزیع اندازه ذرات کاملاً یکنواخت رنگدانه‌ها را نشان می‌دهد

نتایج تکرارپذیر برای تضمین کیفیت صنعتی

یکنواختی برای تولیدکنندگان پوشش ضروری است
تولید صنعتی رنگ به نتایج فرایندی با تکرارپذیری بالا نیاز دارد. خواص نوری، رئولوژی، عمر ماندگاری و پایداری میکروبیولوژیکی باید از یک بچ به بچ دیگر و در دوره‌های طولانی تولید ثابت بمانند.

سونیکاتورهای Hielscher شرایط فراصوتی تکرارپذیری فراهم می‌کنند که به موارد زیر کمک می‌کند:

• پراکندگی یکنواخت رنگدانه
• کاهش پایدار اندازه ذرات
• تیمار میکروبی یکنواخت
• کیفیت قابل‌اعتماد محصول در نوبت‌های مختلف تولید

این تکرارپذیری برای اعتبارسنجی فرایند، تضمین کیفیت و به‌کارگیری صنعتی فناوری فراصوت ضروری است.

فراصوت‌دهی به‌عنوان فناوری راهبردی برای پوشش‌های نوین پایه‌آب

صنعت پوشش به‌سوی فرمولاسیون‌هایی حرکت می‌کند که پایدارترند، افزودنی‌های خطرناک کمتری دارند و از عملکرد باثبات‌تری برخوردارند. فراصوت‌دهی سازگاری بسیار خوبی با این مسیر دارد، زیرا هم‌زمان به دو چالش عمده تولید پاسخ می‌دهد: نیاز به پراکنده‌سازی مؤثر رنگدانه و نیاز به پایداری میکروبی.
فراصوت‌دهی با ترکیب این کارکردها در یک مرحله فرایندی، به تولیدکنندگان کمک می‌کند تولید را ساده کنند، کیفیت پوشش را بهبود دهند و وابستگی به سامانه‌های متداول نگهدارندگی را کاهش دهند. این ویژگی، تیمار فراصوتی را برای رنگ‌های ساختمانی، پوشش‌های صنعتی، دیسپرسیون‌های عملکردی، مرکب‌ها و سامانه‌های مرتبط پایه‌آب بسیار جذاب می‌کند.
سونیکاتورهای Hielscher بستر صنعتی لازم برای اجرای عملی این راهبرد را فراهم می‌کنند. کنترل دقیق، سلول‌های جریان قابل‌فشارگذاری، قابلیت درون‌خطی، مقیاس‌پذیری خطی، تمیزکاری آسان و نتایج تکرارپذیر آن‌ها، این تجهیزات را به‌ویژه برای تولید رنگ و پوشش مناسب می‌سازد.

از مزایای پراکنده‌سازی و استریل‌سازی فراصوتی پوشش بهره‌مند شوید

استریل‌سازی و پراکنده‌سازی پوشش‌های پایه‌آب بدون زیست‌کش با استفاده از فراصوت‌دهی، رویکردی بسیار امیدبخش برای تولید نوین رنگ است. فراصوت‌دهی در یک فرایند یکپارچه، پراکندگی رنگدانه را بهبود می‌دهد، بار میکروبی را کاهش می‌دهد و به پایداری بیشتر محصول کمک می‌کند. این ترکیب به‌ویژه در صنعتی ارزشمند است که برای کاهش نگهدارنده‌ها و در عین حال حفظ کیفیت بالای محصول و بازده فرایند، با فشار فزاینده‌ای روبه‌روست.
سونیکاتورهای Hielscher برای تولیدکنندگان رنگ‌ها و پوشش‌های پایه‌آب، راهکاری عملی و اثبات‌شده در صنعت ارائه می‌دهند. کنترل‌پذیری فرایند، ادغام درون‌خطی، طراحی سلول جریان برای تشدید فرایند، مقیاس‌پذیری، قابلیت تمیزکاری بهداشتی و عملکرد تکرارپذیر آن‌ها، این تجهیزات را به انتخابی عالی برای پراکنده‌سازی و استریل‌سازی هم‌زمان رنگدانه‌های رنگ تبدیل می‌کند.

جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوت ما ارائه می‌دهد:

طراحی، ساخت و مشاوره – کیفیت ساخت آلمان

دستگاه‌های فراصوت Hielscher به بالاترین استانداردهای کیفیت و طراحی شناخته می‌شوند. استحکام و کاربری آسان، ادغام بی‌دردسر دستگاه‌های فراصوت ما در تأسیسات صنعتی را امکان‌پذیر می‌کنند. دستگاه‌های فراصوت Hielscher به‌آسانی از عهده شرایط سخت و محیط‌های دشوار برمی‌آیند.

Hielscher Ultrasonics شرکتی دارای گواهینامه ISO است و بر دستگاه‌های فراصوت با عملکرد بالا، مجهز به فناوری روز و برخوردار از سهولت کاربری تأکید ویژه‌ای دارد. البته دستگاه‌های فراصوت Hielscher با CE انطباق دارند و الزامات UL، CSA و RoHs را برآورده می‌کنند.

منابع علمی / مراجع

• 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.