Vesipohjaisten pinnoitteiden biosiditon sterilointi ja dispergointi

Vesipohjaisia pinnoitteita käytetään laajalti, koska ne mahdollistavat vähän haihtuvia orgaanisia yhdisteitä (VOC) sisältävät koostumukset, turvallisemman käsittelyn ja kestävämmän tuotannon. Samalla niiden vesipitoisuus tekee niistä erittäin alttiita mikrobikontaminaatiolle. Bakteereja, hiivoja ja homeita voi päästä tuotteeseen raaka-aineiden, säiliöiden, putkistojen, täyttöjärjestelmien tai ympäristölle altistumisen kautta valmistuksen ja varastoinnin aikana. Kontaminaation tapahduttua mikro-organismit voivat lisääntyä nopeasti ja vaarantaa sekä tuotteen laadun että säilyvyyden.
Siksi mikrobistabiilisuus on kriittinen laatutekijä vesipohjaisissa maaleissa, pinnoitteissa, painoväreissä ja pigmenttidispersioissa.

Ultraäänikäsittely yhdistää pigmenttien dispergoinnin ja mikrobien hallinnan yhteen teolliseen prosessiin

Valmistajat ovat perinteisesti turvautuneet säilöntäaineisiin ja pakkauksessa suojaaviin biosideihin pilaantumisen hallinnassa. Lisääntyvä sääntelypaine ja puhtaampien koostumusten kasvava kysyntä kuitenkin edistävät vaihtoehtojen etsintää. Voimakas ultraäänikäsittely tarjoaa erittäin tehokkaan ratkaisun mahdollistamalla samanaikaisen dispergoinnin ja steriloinnin yhdessä prosessivaiheessa.
Pinnoitevalmistajille tämä tarkoittaa, että ultraäänikäsittely ei ole pelkästään dispergointitekniikka. Se on myös tehokas prosessityökalu mikrobiologisen stabiilisuuden parantamiseen ja tukee samalla vähäbiosidisiin tai biosidittomiin koostumuksiin tähtääviä strategioita.

Miksi mikrobistabiilisuus on teollisesti kriittistä vesipohjaisissa maaleissa

Mikrobikontaminaatio vaikuttaa suoraan tuotteen laatuun ja prosessin luotettavuuteen: maalien mikrobistabiilisuudella on suuri teollinen merkitys, koska mikrobien kasvu voi aiheuttaa monenlaisia tuotevirheitä ja tuotanto-ongelmia. Vesipohjaiset koostumukset sisältävät usein orgaanisia ainesosia, kuten sideaineita, dispergointiaineita, kostutusaineita, sakeutusaineita ja vaahdonestoaineita. Nämä komponentit voivat luoda mikrobien kasvulle suotuisan ympäristön, jos kontaminaatiota pääsee tuotteeseen käsittelyn tai varastoinnin aikana.

Teollisessa käytännössä riittämätön mikrobien hallinta voi aiheuttaa:

• viskositeetin ajautumista ja pH:n muutoksia
• kaasun muodostumista ja pakkausten pullistumista
• pahaa hajua ja värimuutoksia
• heikentynyttä varastointistabiilisuutta
• kalvovirheitä ja epäyhtenäistä levityskäyttäytymistä
• upotuskylvyissä – tihentynyttä puhdistustarvetta ja kontaminaatioon liittyviä seisokkeja

Mikrobien aiheuttama pilaantuminen ei vahingoita vain tuotetta. Se voi myös aiheuttaa toistuvia hygieniaongelmia säiliöissä, putkissa ja kierrätyspiireissä, mikä johtaa tuotantotappioihin, uudelleenkäsittelyyn, asiakasreklamaatioihin ja hävityskustannuksiin. Siksi mikrobistabiilisuus ei ole toissijainen ominaisuus. Se on kaupallisesti menestyvien vesipohjaisten pinnoitteiden keskeinen vaatimus.

Miten ultraäänikäsittely toimii vesipohjaisissa pinnoitteissa

Akustinen kavitaatio synnyttää voimakasta leikkausta ja siten mikrobien hajotusta: suuritehoinen ultraääni toimii akustisen kavitaation kautta. Kun ultraääniaallot kulkevat nesteen läpi, mikroskooppisia kuplia muodostuu, kasvaa ja luhistuu. Nämä kavitaatiotapahtumat synnyttävät voimakkaasti paikallisia leikkausvoimia, turbulenssia, paineenvaihteluita ja mikrosuihkuja.
Vesipohjaisissa pinnoitteissa nämä kavitaatiovaikutukset ovat arvokkaita, koska ne kohdistuvat samanaikaisesti sekä hiukkasiin että mikro-organismeihin. Pigmenttiagglomeraatit hajotetaan tehokkaasti hienommiksi hiukkasiksi, samalla kun mikrobisolut vaurioituvat mekaanisesti ja inaktivoituvat. Tämä tekee ultraäänikäsittelystä erityisen houkuttelevan koostumuksille, joissa sekä dispersion laatu että mikrobistabiilisuus ovat olennaisia.

Yksi prosessivaihe toteuttaa kaksi kriittistä toimintoa

Sen sijaan, että pigmenttien dispergointia ja mikrobien hallintaa käsiteltäisiin erillisinä tehtävinä, ultraäänikäsittely yhdistää ne yhteen työvaiheeseen. Tämä kaksoisvaikutus tarjoaa selkeän teollisen edun.

Sama ultraäänienergia, joka hajottaa pigmenttiagglomeraatteja ja dispergoi hiukkaset tasaisesti, voi myös vähentää pinnoitteen elinkykyisten mikrobien kuormaa. Näin ultraäänikäsittely edistää:

• hienompaa ja tasaisempaa pigmenttidispersiota
• parempaa värivoimaa ja optista tasalaatuisuutta
• vähäisempää mikrobikontaminaatiota käsittelyn aikana
• vesipohjaisten tuotteiden parempaa varastointistabiilisuutta
• vähäisempää riippuvuutta säilöntäaineista ja pakkauksessa suojaavista biosideista

Tämä tekee ultraäänikäsittelystä erittäin merkityksellisen kehitettäessä kestävämpiä pinnoitejärjestelmiä, joiden ainesosaluettelo on puhtaampi.
 

Ultraäänellä dispergoitu piidioksidi: punainen käyrä – käsittelemätön; vihreä käyrä: ultraäänidispergoinnin jälkeen

Maalipigmenttien samanaikaisen dispergoinnin ja steriloinnin edut

1. Parempi dispersion laatu parantaa pinnoitteen suorituskykyä
   Pigmentit ja täyteaineet muodostavat usein agglomeraatteja, joita on vaikea hajottaa riittämättömällä mekaanisella energialla. Ultraäänikäsittely tuottaa voimakasta ja kohdennettua leikkausta, joten se on erittäin tehokas agglomeraattien hajottamisessa ja hiukkaskoon pienentämisessä. Hienompi dispersio voi parantaa valmiin pinnoitteen useita suorituskykyominaisuuksia, kuten värin kehittymistä, peittävyyttä, kiiltoa ja pitkäaikaista stabiilisuutta.
2. Samanaikainen sterilointi tukee biosidien vähentämistä
   Samalla ultraäänikavitaatio voi vaurioittaa nestefaasissa olevia mikrobisoluja. Tämä vähentää kontaminaatiota tuotevirrassa ja auttaa parantamaan mikrobistabiilisuutta turvautumatta yksinomaan kemialliseen säilöntään. Vähäbiosidisiin tai biosidittomiin järjestelmiin pyrkiville valmistajille tämä on merkittävä prosessietu.
3. Prosessin tehostaminen vähentää monimutkaisuutta
   Kahden keskeisen prosessitavoitteen yhdistäminen yhteen jatkuvatoimiseen vaiheeseen yksinkertaistaa tuotantoa. Sen sijaan, että pinnoitevalmistajat lisäisivät erillisiä käsittelyvaiheita dispergointia ja mikrobien hallintaa varten, he voivat yhdistää molemmat yhteen hallittuun ultraäänikäsittelyprosessiin. Tämä vähentää käsittelytoimia, tukee puhtaampaa tuotantoa ja parantaa toistettavuutta.

Miksi biosidittoman käsittelyn merkitys kasvaa

Sääntelyn, ympäristön ja markkinoiden vaatimukset muokkaavat koostumusstrategioita
Siirtymistä vähäbiosidisiin ja biosidittomiin pinnoitteisiin edistävät useat teolliset tekijät. Sääntelykehykset tiukentuvat, ympäristöodotukset kasvavat ja asiakkaat pyytävät turvallisempia ja kestävämpiä tuotteita, joissa on vähemmän huolta aiheuttavia aineita.
Tässä tilanteessa fysikaalisten prosessitekniikoiden strateginen merkitys kasvaa. Ultraäänikäsittely on erityisen houkutteleva, koska se ei pelkästään korvaa yhtä lisäainetta toisella. Se tuo käyttöön ei-kemiallisen käsittelyperiaatteen, joka parantaa sekä dispersiota että mikrobistabiilisuutta mekaanisen energian avulla.

Koostumusten kehittäjille ja tuotantopäälliköille tämä tarjoaa useita etuja:

• tukea kestävämmille tuotekonsepteille
• vähäisempää riippuvuutta perinteisistä säilöntäaineista
• parempaa prosessihygieniaa
• vahvempaa markkina-asemaa seuraavan sukupolven vesipohjaisille pinnoitteille

Miksi Hielscher-ultraäänilaitteet ovat paras ratkaisu teolliseen pinnoitetuotantoon

Tarkka säätö toistettavia käsittelyolosuhteita varten

Hielscher tarjoaa teolliseen prosessinohjaukseen suunniteltuja ultraäänilaitteita. Pinnoitetuotannossa ultraäänikäsittelyn parametrien tarkka säätö on välttämätöntä, koska koostumuksen käyttäytyminen riippuu pigmenttityypistä, kuiva-ainepitoisuudesta, viskositeetista, lämpötilasta, tilavuusvirrasta ja käsittelyn voimakkuudesta.

Hielscher mahdollistaa järjestelmillään tärkeiden prosessiparametrien tarkan säädön, esimerkiksi:

• amplitudin
• paineen
• tilavuusvirran / viipymäajan
• lämpötilan
• syötetyn energian

Tämän tarkkuuden ansiosta valmistajat voivat optimoida pigmenttien dispergointia, parantaa koostumuksen laatua ja saavuttaa toistettavan mikrobimäärän vähenemisen.

SEM-kuvia B. subtilis -bakteerin vegetatiivisista soluista ennen ultraäänialtistusta (a) ja 30 min kestäneen ultraäänialtistuksen jälkeen (b), (c).
Tutkimus ja kuva: © Hashimoto et al., 2020

Paineistettavat virtauskennot tehostettuun ultraäänikäsittelyyn

Korotettu paine lisää kavitaation voimakkuutta
Hielscher käyttää tekniikassaan paineistettavia virtauskennoreaktoreita, mikä on keskeinen etu. Paine vaikuttaa voimakkaasti kavitaation käyttäytymiseen. Korotetussa paineessa kavitaatiosta tulee voimakkaampaa ja tehokkaampaa, mikä on erityisen arvokasta vaativassa dispergoinnissa ja jatkuvassa mikrobien inaktivoinnissa.

Paineistettavat virtauskennot tukevat:

• tehostettua ultraäänikäsittelyä
• tehokkaampaa agglomeraattien hajotusta
• parempaa prosessitehokkuutta

Teollisille pinnoitetehtaille tämä tarkoittaa, että ultraäänikäsittely voidaan säätää paitsi laboratoriomittakaavan toteutettavuuden myös todellisen tuotantokapasiteetin ja tuotevaatimusten mukaan.

Jatkuvatoiminen käsittely jatkuvaan valmistukseen

Ultraäänikäsittely voidaan integroida suoraan tuotantolinjaan
Hielscher-ultraäänilaitteet soveltuvat erittäin hyvin jatkuvatoimiseen käsittelyyn. Näin vesipohjaisia pinnoitteita voidaan käsitellä jatkuvasti niiden kulkiessa tuotantojärjestelmän läpi. Jatkuvatoiminen ultraäänikäsittely sopii hyvin teolliseen valmistukseen, koska se välttää tarpeetonta eräkäsittelyä ja voidaan integroida siirtopiireihin, kierrätysjärjestelmiin tai erillisiin prosessilinjoihin.

Jatkuvatoiminen käsittely tarjoaa selkeitä toiminnallisia etuja:

• jatkuvan käsittelyn määritellyissä olosuhteissa
• helpon integroinnin olemassa oleviin tuotantolaitoksiin
• vähemmän manuaalista käsittelyä
• paremman prosessitehokkuuden ja tasalaatuisuuden

Pinnoitevalmistajille tämä tekee ultraäänikäsittelystä käytännöllisen tuotantotekniikan.

Sumutuskuivattu TiO2 ennen ultraäänijauhatusta ja sen jälkeen

Lineaarinen skaalautuvuus laboratoriosta teolliseen tuotantoon

Prosessiparametrit voidaan siirtää luotettavasti mittakaavasta toiseen
Mittakaavan suurentaminen on kriittinen kysymys prosessikehityksessä. Hielscher-ultraäänijärjestelmät on suunniteltu skaalautumaan lineaarisesti, mikä tarkoittaa, että laboratorio- tai pilot-mittakaavassa määritetyt prosessiolosuhteet voidaan siirtää järjestelmällisesti teolliseen tuotantoon.
Tämä on erityisen tärkeää innovatiivisia vähäbiosidisia pinnoitteita kehittäville yrityksille, koska se vähentää käyttöönoton riskejä ja auttaa nopeuttamaan kaupallistamista.

Lineaarisen skaalautuvuuden etuja ovat:

• helpompi prosessikehitys
• luotettava siirtyminen tutkimuksesta ja kehityksestä tuotantoon
• ennakoitava suorituskyky suuremmalla käsittelykapasiteetilla
• vähäisempi epävarmuus mittakaavaa suurennettaessa

Helppo puhdistus ja hygieeninen prosessisuunnittelu

Puhdistettavuudella on merkitystä, kun tavoitteena on mikrobistabiilisuus
Jos mikrobien hallinta on keskeinen prosessitavoite, laitteiston hygieniasta tulee entistä tärkeämpää. Hielscher-ultraäänilaitteet on suunniteltu käytännölliseen teolliseen puhdistukseen ja helppoon integrointiin hygieenisiin prosessiympäristöihin.

Helppo puhdistus auttaa valmistajia:

• vähentämään laitteiston kontaminaatioriskejä
• pysäyttämään mikrobien kasvun
• vähentämään puhdistukseen ja huoltoon tarvittavaa työmäärää
• parantamaan prosessin luotettavuutta toistuvissa tuotantosykleissä

Vesipohjaisissa pinnoitteissa, joissa kontaminaatio voi säilyä säiliöissä, kuolleissa vyöhykkeissä ja siirtojärjestelmissä, helposti puhdistettava ultraäänilaitteisto edistää suoraan tuotteen stabiilisuutta ja toiminnan kestävyyttä.

Ultraäänikäsitelty liitumaali grindometrissä osoittaa pigmenttien agglomeraattien täydellisen tasaisen hajotuksen ja hiukkaskokojakauman

Toistettavat tulokset teolliseen laadunvarmistukseen

Tasalaatuisuus on välttämätöntä pinnoitevalmistajille
Teollinen maalituotanto edellyttää erittäin toistettavia prosessituloksia. Optisten ominaisuuksien, reologian, säilyvyyden ja mikrobiologisen stabiilisuuden on pysyttävä tasaisina erästä toiseen ja pitkien tuotantojaksojen ajan.

Hielscher-ultraäänilaitteet tarjoavat toistettavat ultraääniolosuhteet, jotka tukevat:

• tasaista pigmenttidispersiota
• vakaata hiukkaskoon pienentämistä
• yhdenmukaista mikrobien käsittelyä
• luotettavaa tuotelaatua eri tuotantoajoissa

Tämä toistettavuus on välttämätöntä prosessin validoinnille, laadunvarmistukselle ja ultraäänitekniikan teolliselle käyttöönotolle.

Ultraäänikäsittely nykyaikaisten vesipohjaisten pinnoitteiden strategisena tekniikkana

Pinnoiteteollisuus siirtyy kohti koostumuksia, jotka ovat kestävämpiä, sisältävät vähemmän vaarallisia lisäaineita ja joiden suorituskyky on vakaampi. Ultraäänikäsittely sopii tähän kehityssuuntaan poikkeuksellisen hyvin, koska se vastaa samanaikaisesti kahteen merkittävään tuotantohaasteeseen: tehokkaan pigmenttien dispergoinnin tarpeeseen ja mikrobistabiilisuuden tarpeeseen.
Yhdistämällä nämä toiminnot yhteen prosessivaiheeseen ultraäänikäsittely auttaa valmistajia yksinkertaistamaan tuotantoa, parantamaan pinnoitteiden laatua ja vähentämään riippuvuutta perinteisistä säilöntäjärjestelmistä. Tämä tekee ultraäänikäsittelystä erittäin houkuttelevan rakennusmaaleille, teollisuuspinnoitteille, toiminnallisille dispersioille, painoväreille ja vastaaville vesipohjaisille järjestelmille.
Hielscher-ultraäänilaitteet tarjoavat teollisen alustan, jota tarvitaan tämän strategian käytännön toteutukseen. Niiden tarkka säätö, paineistettavat virtauskennot, jatkuvatoiminen käsittely, lineaarinen skaalautuvuus, helppo puhdistus ja toistettavat tulokset tekevät niistä erityisen sopivia maalien ja pinnoitteiden tuotantoon.

Hyödynnä pinnoitteiden ultraäänidispergointia ja sterilointia

Vesipohjaisten pinnoitteiden biosiditon sterilointi ja dispergointi ultraäänikäsittelyllä on erittäin lupaava lähestymistapa nykyaikaiseen maalivalmistukseen. Ultraäänikäsittely parantaa pigmenttidispersiota, vähentää mikrobikuormaa ja tukee parempaa tuotestabiilisuutta yhdessä integroidussa prosessissa. Tämä yhdistelmä on erityisen arvokas alalla, johon kohdistuu kasvava paine vähentää säilöntäaineita samalla kun säilytetään korkea tuotelaatu ja prosessitehokkuus.
Vesipohjaisten maalien ja pinnoitteiden valmistajille Hielscher-ultraäänilaitteet tarjoavat käytännöllisen ja teollisessa käytössä toimivaksi osoitetun ratkaisun. Niiden prosessin säädettävyys, integrointi jatkuvatoimiseen tuotantoon, tehostettu virtauskennorakenne, skaalautuvuus, hygieeninen puhdistettavuus ja toistettava suorituskyky tekevät niistä erinomaisen valinnan maalipigmenttien samanaikaiseen dispergointiin ja sterilointiin.

Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Saksassa valmistettua laatua

Hielscher-ultraäänilaitteet tunnetaan korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscher-ultraäänilaitteet selviytyvät helposti ankarista olosuhteista ja vaativista ympäristöistä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka painottaa erityisesti tehokkaita ultraäänilaitteita, joissa yhdistyvät huipputekniikka ja käyttäjäystävällisyys. Hielscher-ultraäänilaitteet ovat luonnollisesti CE-vaatimusten mukaisia ja täyttävät UL:n, CSA:n ja RoHs:n vaatimukset.

Kirjallisuus / Viitteet

• 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.