עיקור ופיזור של ציפויים על בסיס מים ללא ביוצידים

ציפויים על בסיס מים נמצאים בשימוש נרחב משום שהם מאפשרים פורמולציות דלות בתרכובות אורגניות נדיפות (VOC), טיפול בטוח יותר וייצור בר־קיימא יותר. בה בעת, תכולת המים שלהם הופכת אותם לרגישים מאוד לזיהום מיקרוביאלי. חיידקים, שמרים ועובשים עלולים לחדור למוצר דרך חומרי גלם, מכלים, צנרת, מערכות מילוי או חשיפה לסביבה במהלך הייצור והאחסון. מרגע שמתרחש זיהום, מיקרואורגניזמים עלולים להתרבות במהירות ולפגוע הן באיכות המוצר והן בחיי המדף שלו.
לכן יציבות מיקרוביאלית היא גורם איכות קריטי בצבעים, בציפויים, בדיו ובדיספרסיות פיגמנטים על בסיס מים.

סוניקציה משלבת פיזור פיגמנטים ובקרה מיקרוביאלית בתהליך תעשייתי אחד

באופן מסורתי, יצרנים מסתמכים על חומרים משמרים ועל ביוצידים לשימור המוצר במכל כדי למנוע קלקול. עם זאת, הלחץ הרגולטורי הגובר והביקוש העולה לפורמולציות נקיות יותר מניעים את החיפוש אחר חלופות. סוניקציה בעוצמה גבוהה מציעה פתרון יעיל ביותר בכך שהיא מאפשרת פיזור ועיקור בו־זמנית בשלב תהליך אחד.
עבור יצרני ציפויים, משמעות הדבר היא שעיבוד אולטרסוני אינו רק טכנולוגיית פיזור. הוא גם כלי תהליכי רב־עוצמה לשיפור היציבות המיקרוביולוגית, התומך באסטרטגיות לפיתוח פורמולציות בעלות תכולת ביוצידים נמוכה או ללא ביוצידים.

מדוע יציבות מיקרוביאלית בצבעים על בסיס מים היא קריטית מבחינה תעשייתית

זיהום מיקרוביאלי משפיע ישירות על איכות המוצר ועל אמינות התהליך: ליציבות המיקרוביאלית של צבעים יש חשיבות תעשייתית רבה, משום שצמיחה מיקרוביאלית עלולה לגרום למגוון פגמים במוצר ובעיות בייצור. פורמולציות על בסיס מים מכילות לעיתים קרובות רכיבים אורגניים כגון חומרי קישור, חומרי פיזור, חומרי הרטבה, מסמיכים ומונעי קצף. רכיבים אלה עלולים ליצור סביבה נוחה לצמיחה מיקרוביאלית אם מתרחש זיהום במהלך העיבוד או האחסון.

ביישומים תעשייתיים, בקרה מיקרוביאלית בלתי מספקת עלולה לגרום ל:

• שינויים הדרגתיים בצמיגות ושינויים ב־pH
• היווצרות גז והתנפחות מכלים
• ריח רע ושינוי צבע
• ירידה ביציבות באחסון
• פגמים בשכבת הציפוי והתנהגות בלתי עקבית בעת היישום
• באמבטיות טבילה – תדירות ניקוי מוגברת וזמני השבתה הקשורים לזיהום

קלקול מיקרוביאלי אינו פוגע רק במוצר. הוא עלול גם ליצור בעיות היגיינה חוזרות במכלים, בצינורות ובלולאות סחרור, ולהוביל לאובדן תפוקה, לעיבוד חוזר, לתלונות לקוחות ולעלויות סילוק. משום כך, יציבות מיקרוביאלית אינה תכונה משנית. היא דרישת יסוד להצלחתם המסחרית של ציפויים על בסיס מים.

כיצד פועלת סוניקציה בציפויים על בסיס מים

קוויטציה אקוסטית יוצרת כוחות גזירה עזים ובכך גורמת לפירוק מיקרואורגניזמים: אולטרסאונד בהספק גבוה פועל באמצעות קוויטציה אקוסטית. כאשר גלים אולטרסוניים עוברים דרך נוזל, נוצרות בועות מיקרוסקופיות, גדלות וקורסות פנימה. אירועי קוויטציה אלה יוצרים כוחות גזירה מקומיים מאוד, מערבולות, שינויי לחץ ומיקרו־סילונים.
בציפויים על בסיס מים, השפעות קוויטציה אלה מועילות משום שהן פועלות בו־זמנית הן על חלקיקים והן על מיקרואורגניזמים. אגלומרטים של פיגמנטים מפורקים ביעילות לחלקיקים דקים יותר, ובמקביל תאים מיקרוביאליים ניזוקים מכנית ועוברים השבתה. הדבר הופך את הסוניקציה לאטרקטיבית במיוחד עבור פורמולציות שבהן הן איכות הפיזור והן היציבות המיקרוביאלית חיוניות.

שלב תהליך אחד ממלא שני תפקידים קריטיים

במקום להתייחס לפיזור פיגמנטים ולבקרה מיקרוביאלית כאל משימות נפרדות, סוניקציה משלבת אותם בפעולה אחת. השפעה כפולה זו מציעה יתרון תעשייתי ברור.

אותה אנרגיה אולטרסונית שמפרקת אגלומרטים של פיגמנטים ומפזרת חלקיקים באופן אחיד יכולה גם להפחית את העומס המיקרוביאלי בר־החיות בציפוי. כתוצאה מכך, סוניקציה תורמת ל:

• פיזור עדין ואחיד יותר של פיגמנטים
• שיפור בעוצמת הצבע ובאחידות האופטית
• הפחתת הזיהום המיקרוביאלי במהלך העיבוד
• שיפור ביציבות האחסון של מוצרים על בסיס מים
• תלות מופחתת בחומרים משמרים ובביוצידים לשימור המוצר במכל

משום כך, סוניקציה רלוונטית ביותר לפיתוח מערכות ציפוי בנות קיימא יותר ובעלות רשימת רכיבים נקייה יותר.
 

צורן דו־חמצני שפוזר באמצעות אולטרסאונד: עקומה אדומה – ללא טיפול; עקומה ירוקה: לאחר פיזור אולטרסוני

היתרונות של פיזור ועיקור בו־זמניים של פיגמנטים לצבע

1. איכות פיזור טובה יותר משפרת את ביצועי הציפוי
   פיגמנטים וחומרי מילוי יוצרים לעיתים קרובות אגלומרטים שקשה לפרק כאשר האנרגיה המכנית אינה מספקת. סוניקציה מספקת גזירה עוצמתית וממוקדת, ולכן היא יעילה ביותר לפירוק אגלומרטים ולהקטנת גודל החלקיקים. פיזור עדין יותר עשוי לשפר כמה ממאפייני הביצועים של הציפוי הסופי, ובהם התפתחות הצבע, כושר הכיסוי, הברק והיציבות לטווח ארוך.
2. עיקור בו־זמני מסייע בהפחתת השימוש בביוצידים
   במקביל, קוויטציה אולטרסונית יכולה לפגוע בתאים מיקרוביאליים המצויים בפאזה הנוזלית. כך מופחת הזיהום בזרם המוצר ומשתפרת היציבות המיקרוביאלית ללא הסתמכות בלעדית על שימור כימי. עבור יצרנים השואפים לפתח מערכות דלות ביוצידים או נטולות ביוצידים, זהו יתרון תהליכי משמעותי.
3. העצמת התהליך מפחיתה את המורכבות
   שילוב של שתי מטרות תהליכיות מרכזיות בשלב אחד בתוך קו הייצור מפשט את הייצור. במקום להוסיף שלבי טיפול נפרדים לפיזור ולבקרה מיקרוביאלית, יצרני ציפויים יכולים לשלב את שניהם בתהליך סוניקציה מבוקר אחד. כך מצטמצמות פעולות הטיפול בחומר, מתאפשר ייצור נקי יותר ומשתפרת היכולת לשחזר את התוצאות.

מדוע חשיבותו של עיבוד ללא ביוצידים הולכת וגוברת

דרישות הרגולציה, הסביבה והשוק מעצבות מחדש את אסטרטגיות הפורמולציה
המעבר לציפויים דלי ביוצידים ונטולי ביוצידים מונע מכמה גורמים תעשייתיים. מסגרות הרגולציה נעשות מחמירות יותר, הציפיות הסביבתיות עולות, והלקוחות מבקשים מוצרים בטוחים יותר ובני קיימא יותר, המכילים פחות חומרים המעוררים חשש.
בהקשר זה, טכנולוגיות עיבוד פיזיקליות מקבלות חשיבות אסטרטגית. סוניקציה אטרקטיבית במיוחד משום שהיא אינה מסתפקת בהחלפת תוסף אחד באחר. היא מציגה עקרון טיפול שאינו כימי, המשפר הן את הפיזור והן את היציבות המיקרוביאלית באמצעות אנרגיה מכנית.

עבור מפתחי פורמולציות ומנהלי ייצור, הדבר מציע כמה יתרונות:

• תמיכה בתפיסות מוצר בנות קיימא יותר
• תלות מופחתת בחומרים משמרים קונבנציונליים
• שיפור בהיגיינת התהליך
• מיצוב חזק יותר לציפויים על בסיס מים מהדור הבא

מדוע מכשירי הסוניקציה של Hielscher הם הפתרון הטוב ביותר לייצור תעשייתי של ציפויים

בקרה מדויקת לתנאי עיבוד הניתנים לשחזור

מכשירי הסוניקציה של Hielscher מתוכננים לבקרת תהליכים תעשייתיים. בייצור ציפויים, בקרה מדויקת של פרמטרי הסוניקציה חיונית משום שהתנהגות הפורמולציה תלויה בסוג הפיגמנט, בתכולת המוצקים, בצמיגות, בטמפרטורה, בספיקת הזרימה ובעוצמת הטיפול.

מערכות Hielscher מאפשרות התאמה מדויקת של פרמטרי תהליך חשובים כגון:

• משרעת
• לחץ
• ספיקת זרימה / זמן שהייה
• טמפרטורה
• תשומת אנרגיה

דיוק זה מאפשר ליצרנים למטב את פיזור הפיגמנטים, לשפר את איכות הפורמולציה ולהשיג הפחתה מיקרוביאלית הניתנת לשחזור.

תמונות SEM של תאים וגטטיביים של B. subtilis לפני (a) ואחרי חשיפה לאולטרסאונד במשך 30 min ‏(b), (c).
מחקר ותמונה: © Hashimoto et al., 2020

תאי זרימה הניתנים להפעלה בלחץ לסוניקציה מוגברת

לחץ מוגבר מגביר את עוצמת הקוויטציה
יתרון מרכזי של טכנולוגיית Hielscher הוא השימוש בריאקטורים מסוג תא זרימה הניתנים להפעלה בלחץ. ללחץ יש השפעה חזקה על התנהגות הקוויטציה. בלחץ מוגבר, הקוויטציה נעשית עוצמתית ויעילה יותר, דבר בעל ערך מיוחד בתהליכי דיספרסיה תובעניים ובהשבתה רציפה של מיקרואורגניזמים.

תאי זרימה הניתנים להפעלה בלחץ תומכים ב:

• טיפול אולטרסוני מוגבר
• פירוק צברים יעיל יותר
• שיפור יעילות התהליך

עבור מפעלים תעשייתיים לייצור ציפויים, משמעות הדבר היא שניתן להתאים את הטיפול האולטרסוני לא רק להוכחת היתכנות בקנה מידה מעבדתי, אלא גם לתפוקת הייצור בפועל ולדרישות המוצר.

עיבוד בקו הייצור לייצור רציף

ניתן לשלב סוניקציה ישירות בקו הייצור
מכשירי הסוניקציה של Hielscher מתאימים מאוד לעיבוד בקו הייצור. הדבר מאפשר לטפל בציפויים על בסיס מים באופן רציף במהלך מעברם במערכת הייצור. סוניקציה בקו הייצור משתלבת היטב בייצור תעשייתי, משום שהיא מונעת טיפול מיותר באצוות וניתן לשלב אותה בלולאות העברה, במערכות סחרור חוזר או בקווי תהליך ייעודיים.

עיבוד בקו הייצור מציע יתרונות תפעוליים ברורים:

• טיפול רציף בתנאים מוגדרים
• שילוב קל במפעלים קיימים
• הפחתת הטיפול הידני
• שיפור יעילות התהליך ועקביותו

עבור יצרני ציפויים, הדבר הופך את הסוניקציה לטכנולוגיית ייצור מעשית.

TiO2 שיובש בריסוס לפני ואחרי טחינה אולטרסונית

הגדלת קנה מידה ליניארית מהמעבדה לייצור תעשייתי

ניתן להעביר פרמטרים של התהליך באופן אמין בין קני מידה
הגדלת קנה המידה היא סוגיה קריטית בפיתוח תהליכים. המערכות האולטרסוניות של Hielscher מתוכננות להגדלת קנה מידה ליניארית, כלומר ניתן להעביר באופן שיטתי לייצור תעשייתי תנאי תהליך שנקבעו בקנה מידה מעבדתי או בקנה מידה של פיילוט.
הדבר חשוב במיוחד לחברות המפתחות ציפויים חדשניים בעלי תכולה נמוכה של ביוצידים, משום שהוא מפחית את הסיכון במהלך היישום ומסייע להאיץ את המסחור.

היתרונות של הגדלת קנה מידה ליניארית כוללים:

• פיתוח תהליכים קל יותר
• מעבר אמין ממחקר ופיתוח לייצור
• ביצועים ניתנים לחיזוי בתפוקה גבוהה יותר
• הפחתת אי־הוודאות בהגדלת קנה המידה

ניקוי קל ותכנון היגייני של התהליך

יכולת הניקוי חשובה כאשר המטרה היא יציבות מיקרוביאלית
אם בקרה מיקרוביאלית היא יעד מרכזי בתהליך, היגיינת הציוד נעשית חשובה עוד יותר. מכשירי הסוניקציה של Hielscher מתוכננים לניקוי תעשייתי מעשי ולשילוב פשוט בסביבות תהליך היגייניות.

ניקוי קל מסייע ליצרנים:

• להפחית את סיכוני הזיהום בציוד
• לעצור צמיחה מיקרוביאלית
• לקצר את עבודות הניקוי והתחזוקה
• לשפר את אמינות התהליך לאורך מחזורי ייצור חוזרים

בציפויים על בסיס מים, שבהם זיהום עלול להישאר במכלים, באזורים ללא זרימה ובמערכות העברה, ציוד אולטרסוני שקל לנקות תורם ישירות ליציבות המוצר ולחוסן התפעולי.

צבע גיר שעבר סוניקציה, המוצג על מד הטחינה, מדגים פירוק צברים והתפלגות גדלים של חלקיקי הפיגמנטים באחידות מושלמת

תוצאות הניתנות לשחזור לצורך הבטחת איכות תעשייתית

עקביות חיונית ליצרני ציפויים
ייצור צבע תעשייתי דורש תוצאות תהליך בעלות רמת שחזור גבוהה מאוד. תכונות אופטיות, ראולוגיה, חיי מדף ויציבות מיקרוביולוגית חייבים להישאר עקביים מאצווה לאצווה ולאורך תקופות ייצור ממושכות.

מכשירי הסוניקציה של Hielscher מספקים תנאים אולטרסוניים הניתנים לשחזור ותומכים ב:

• דיספרסיה אחידה של פיגמנטים
• הקטנה יציבה של גודל החלקיקים
• טיפול מיקרוביאלי עקבי
• איכות מוצר אמינה לאורך סבבי ייצור

יכולת שחזור זו חיונית לתיקוף התהליך, להבטחת איכות ולאימוץ תעשייתי של טכנולוגיה אולטרסונית.

סוניקציה כטכנולוגיה אסטרטגית לציפויים מודרניים על בסיס מים

תעשיית הציפויים מתקדמת לעבר פורמולציות בנות־קיימא יותר, המכילות פחות תוספים מסוכנים ומספקות ביצועים יציבים יותר. סוניקציה מתאימה למגמה זו במידה יוצאת דופן, משום שהיא נותנת מענה לשני אתגרי ייצור מרכזיים בו־זמנית: הצורך בפיזור יעיל של פיגמנטים והצורך ביציבות מיקרוביאלית.
באמצעות שילוב של פעולות אלה בשלב תהליך אחד, סוניקציה מסייעת ליצרנים לפשט את הייצור, לשפר את איכות הציפויים ולהפחית את התלות במערכות שימור קונבנציונליות. הדבר הופך את הטיפול האולטרסוני לאטרקטיבי ביותר עבור צבעים למבנים, ציפויים תעשייתיים, דיספרסיות פונקציונליות, דיו ומערכות נלוות על בסיס מים.
מכשירי הסוניקציה של Hielscher מספקים את הפלטפורמה התעשייתית הדרושה ליישום אסטרטגיה זו בפועל. הבקרה המדויקת שלהם, תאי הזרימה הניתנים להפעלה בלחץ, יכולת העיבוד בקו הייצור, יכולת ההגדלה הליניארית של קנה המידה, הניקוי הקל והתוצאות הניתנות לשחזור הופכים אותם למתאימים במיוחד לייצור צבעים וציפויים.

נצלו את היתרונות של פיזור ועיקור אולטרסוניים של ציפויים

עיקור ופיזור של ציפויים על בסיס מים באמצעות סוניקציה, ללא ביוצידים, הם גישה מבטיחה ביותר לייצור צבעים מודרני. סוניקציה משפרת את פיזור הפיגמנטים, מפחיתה את העומס המיקרוביאלי ותומכת ביציבות מוצר משופרת בתהליך משולב אחד. שילוב זה בעל ערך במיוחד בתעשייה הנתונה ללחץ גובר להפחית את השימוש בחומרים משמרים תוך שמירה על איכות מוצר גבוהה ועל יעילות התהליך.
עבור יצרני צבעים וציפויים על בסיס מים, מכשירי הסוניקציה של Hielscher מציעים פתרון מעשי ומוכח בתעשייה. יכולת הבקרה על התהליך, השילוב בקו הייצור, תכנון תא הזרימה המעצים את הטיפול, היכולת להגדיל את קנה המידה, קלות הניקוי ההיגייני והביצועים הניתנים לשחזור הופכים אותם לבחירה מצוינת לפיזור ולעיקור בו־זמניים של פיגמנטים לצבע.

הטבלה שלהלן נותנת מושג על כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו:

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

המכשירים האולטרסוניים של Hielscher ידועים בסטנדרטים הגבוהים ביותר שלהם לאיכות ולתכנון. עמידות וקלות תפעול מאפשרות שילוב חלק של המכשירים האולטרסוניים שלנו במתקנים תעשייתיים. המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מתמודדים בקלות עם תנאים קשים וסביבות תובעניות.

Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO, והיא שמה דגש מיוחד על מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים, המשלבים טכנולוגיה מתקדמת ביותר וידידותיות למשתמש. כמובן, המכשירים האולטרסוניים של Hielscher תואמים לדרישות CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו־RoHs.

ספרות / מקורות

• 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.