Vízbázisú bevonatok biocidmentes sterilizálása és diszpergálása

A vízbázisú bevonatokat széles körben alkalmazzák, mert lehetővé teszik az alacsony VOC-tartalmú formulációkat, a biztonságosabb kezelést és a fenntarthatóbb gyártást. Ugyanakkor víztartalmuk miatt rendkívül érzékenyek a mikrobiális szennyeződésre. Baktériumok, élesztőgombák és penészgombák kerülhetnek a termékbe a nyersanyagokból, tartályokból, csővezetékekből, töltőrendszerekből, illetve a gyártás és tárolás során a környezettel való érintkezés révén. A szennyeződés bekövetkezése után a mikroorganizmusok gyorsan elszaporodhatnak, és veszélyeztethetik mind a termék minőségét, mind az eltarthatóságát.
Ezért a mikrobiális stabilitás a vízbázisú festékek, bevonatok, nyomdafestékek és pigmentdiszperziók kritikus minőségi tényezője.

Az ultrahangos kezelés egyetlen ipari folyamatban egyesíti a pigmentdiszpergálást és a mikroorganizmusok elleni védekezést

A gyártók hagyományosan tartósítószerekre és a csomagoláson belüli tartósítást biztosító biocidekre támaszkodnak a romlás megelőzésében. A fokozódó szabályozási nyomás és a tisztább formulációk iránti növekvő igény azonban alternatívák keresésére ösztönöz. A nagy intenzitású ultrahangos kezelés rendkívül hatékony megoldást kínál azzal, hogy egyetlen folyamatlépésben teszi lehetővé az egyidejű diszpergálást és sterilizálást.
A bevonatgyártók számára ez azt jelenti, hogy az ultrahangos feldolgozás nem csupán diszpergálási technológia. Hatékony technológiai eszköz a mikrobiológiai stabilitás javítására is, miközben támogatja az alacsony biocidtartalmú vagy biocidmentes formulációs stratégiákat.

Miért kritikus ipari szempontból a mikrobiális stabilitás a vízbázisú festékekben?

A mikrobiális szennyeződés közvetlenül befolyásolja a termék minőségét és a folyamat megbízhatóságát: a festékek mikrobiális stabilitása kiemelt ipari jelentőségű, mert a mikroorganizmusok szaporodása számos termékhibát és gyártási problémát idézhet elő. A vízbázisú formulációk gyakran tartalmaznak szerves összetevőket, például kötőanyagokat, diszpergálószereket, nedvesítőszereket, sűrítőanyagokat és habzásgátlókat. Ezek az összetevők kedvező környezetet teremthetnek a mikroorganizmusok szaporodásához, ha a feldolgozás vagy tárolás során szennyeződés kerül a termékbe.

Az ipari gyakorlatban a mikroorganizmusok elleni elégtelen védekezés az alábbiakat eredményezheti:

• a viszkozitás eltolódása és pH-változások
• gázképződés és a tárolóedények felduzzadása
• kellemetlen szag és elszíneződés
• csökkent tárolási stabilitás
• filmhibák és ingadozó felhordási viselkedés
• merítőfürdők esetében – gyakoribb tisztítás és szennyeződés miatti állásidő

A mikrobiális romlás nem csupán a terméket károsítja. Visszatérő higiéniai problémákat is okozhat a tartályokban, csövekben és recirkulációs körökben, ami termelési veszteségekhez, utómunkához, vevői reklamációkhoz és ártalmatlanítási költségekhez vezethet. Emiatt a mikrobiális stabilitás nem másodlagos tulajdonság. A kereskedelmileg sikeres vízbázisú bevonatok alapvető követelménye.

Hogyan működik az ultrahangos kezelés a vízbázisú bevonatokban?

Az akusztikus kavitáció intenzív nyíróhatást, és ezáltal mikrobiális sejtfeltárást hoz létre: a nagy teljesítményű ultrahang akusztikus kavitáció révén fejti ki hatását. Amikor az ultrahanghullámok áthaladnak egy folyadékon, mikroszkopikus buborékok képződnek, növekednek, majd beroppannak. Ezek a kavitációs események erősen lokalizált nyíróerőket, turbulenciát, nyomásváltozásokat és mikrofolyadéksugarakat hoznak létre.
A vízbázisú bevonatokban ezek a kavitációs hatások azért értékesek, mert egyszerre hatnak a részecskékre és a mikroorganizmusokra. A pigmentagglomerátumok hatékonyan finomabb részecskékre bomlanak, miközben a mikrobiális sejtek mechanikailag károsodnak és inaktiválódnak. Ez különösen vonzóvá teszi az ultrahangos kezelést olyan formulációk esetében, amelyeknél mind a diszpergálás minősége, mind a mikrobiális stabilitás alapvető fontosságú.

Egyetlen folyamatlépés két kritikus funkciót lát el

Az ultrahangos kezelés a pigmentdiszpergálást és a mikroorganizmusok elleni védekezést külön feladatok helyett egyetlen műveletben egyesíti. Ez a kettős hatás egyértelmű ipari előnyt kínál.

Ugyanaz az ultrahangenergia, amely felbontja a pigmenthalmazok agglomerátumait és egyenletesen eloszlatja a részecskéket, a bevonatban lévő életképes mikroorganizmusok mennyiségét is csökkentheti. Ennek eredményeként az ultrahangos kezelés elősegíti az alábbiakat:

• finomabb és egyenletesebb pigmentdiszpergálás
• jobb színezőerő és egyenletesebb optikai tulajdonságok
• csökkent mikrobiális szennyeződés a feldolgozás során
• a vízbázisú termékek jobb tárolási stabilitása
• kisebb függőség a tartósítószerektől és a csomagoláson belüli tartósítást biztosító biocidektől

Ez kiemelt jelentőségűvé teszi az ultrahangos kezelést a fenntarthatóbb, tisztább összetevőlistájú bevonatrendszerek fejlesztésében.
 

Ultrahanggal diszpergált szilícium-dioxid: piros görbe – kezeletlen; zöld görbe: ultrahangos diszpergálás után

A festékpigmentek egyidejű diszpergálásának és sterilizálásának előnyei

1. A jobb diszpergálási minőség javítja a bevonat teljesítményét
   A pigmentek és töltőanyagok gyakran képeznek olyan agglomerátumokat, amelyeket elégtelen mechanikai energiával nehéz felbontani. Az ultrahangos kezelés intenzív és célzott nyíróhatást biztosít, így rendkívül hatékony az agglomerátumok felbontásában és a részecskeméret csökkentésében. A finomabb diszperzió a kész bevonat több teljesítményjellemzőjét is javíthatja, beleértve a színkialakulást, a fedőképességet, a fényességet és a hosszú távú stabilitást.
2. Az egyidejű sterilizálás elősegíti a biocidhasználat csökkentését
   Ezzel egyidejűleg az ultrahangos kavitáció károsíthatja a folyadékfázisban jelen lévő mikrobiális sejteket. Ez csökkenti a termékáram szennyezettségét, és segít javítani a mikrobiális stabilitást anélkül, hogy kizárólag kémiai tartósításra támaszkodna. Az alacsony biocidtartalmú vagy biocidmentes rendszerekre törekvő gyártók számára ez jelentős technológiai előny.
3. A folyamatintenzifikálás csökkenti a komplexitást
   Két kulcsfontosságú folyamatcél egyetlen, gyártósorba épített lépésben történő egyesítése egyszerűsíti a gyártást. A bevonatgyártók a diszpergálás és a mikroorganizmusok elleni védekezés külön kezelési szakaszai helyett mindkettőt egyetlen szabályozott ultrahangos kezelési folyamatba integrálhatják. Ez csökkenti az anyagkezelési műveleteket, támogatja a tisztább gyártást és javítja a reprodukálhatóságot.

Miért nő a biocidmentes feldolgozás jelentősége?

A szabályozási, környezeti és piaci követelmények átalakítják a formulációs stratégiákat
Az alacsony biocidtartalmú és biocidmentes bevonatok felé való elmozdulást több ipari tényező ösztönzi. A szabályozási keretek szigorodnak, a környezeti elvárások növekednek, és a vásárlók biztonságosabb, fenntarthatóbb, kevesebb aggályos anyagot tartalmazó termékeket igényelnek.
Ebben a környezetben a fizikai elven működő feldolgozási technológiák stratégiai jelentőségre tesznek szert. Az ultrahangos kezelés különösen vonzó, mert nem pusztán egy másik adalékanyaggal helyettesít egy meglévőt. Olyan nem kémiai kezelési elvet vezet be, amely mechanikai energiával javítja mind a diszpergálást, mind a mikrobiális stabilitást.

A formulációfejlesztők és gyártásvezetők számára ez több előnyt kínál:

• a fenntarthatóbb termékkoncepciók támogatása
• kisebb függőség a hagyományos tartósítószerektől
• jobb folyamathigiénia
• erősebb piaci pozíció a következő generációs vízbázisú bevonatok számára

Miért a Hielscher ultrahangos kezelőberendezései jelentik a legjobb megoldást az ipari bevonatgyártáshoz?

Precíz szabályozás a reprodukálható feldolgozási körülményekért

A Hielscher ultrahangos kezelőberendezéseit ipari folyamatszabályozásra tervezték. A bevonatgyártásban elengedhetetlen az ultrahangos kezelési paraméterek pontos szabályozása, mert a formuláció viselkedése a pigment típusától, a szárazanyag-tartalomtól, a viszkozitástól, a hőmérséklettől, a térfogatáramtól és a kezelés intenzitásától függ.

A Hielscher rendszerek lehetővé teszik a fontos folyamatparaméterek pontos beállítását, például:

• amplitúdó
• nyomás
• térfogatáram / tartózkodási idő
• hőmérséklet
• energiabevitel

Ez a pontosság lehetővé teszi a gyártók számára a pigmentdiszpergálás optimalizálását, ezáltal a formuláció minőségének javítását és a mikroorganizmusok mennyiségének reprodukálható csökkentését.

A B. subtilis vegetatív sejtjeinek SEM-felvételei 30 min ultrahangos besugárzás előtt (a) és után (b), (c).
Tanulmány és kép: © Hashimoto et al., 2020

Nyomás alá helyezhető átfolyó cellák az intenzívebb ultrahangos kezeléshez

A megemelt nyomás növeli a kavitáció intenzitását
A Hielscher technológia egyik fő előnye a nyomás alá helyezhető, átfolyó cellás reaktorok alkalmazása. A nyomás erősen befolyásolja a kavitáció viselkedését. Megemelt nyomáson a kavitáció intenzívebbé és hatékonyabbá válik, ami különösen értékes a nagy igénybevételt jelentő diszpergálási feladatok és a folyamatos mikrobiális inaktiválás esetében.

A nyomás alá helyezhető átfolyó cellák elősegítik az alábbiakat:

• intenzívebb ultrahangos kezelés
• az agglomerátumok hatékonyabb felbontása
• jobb folyamathatékonyság

Az ipari bevonatgyártó üzemek számára ez azt jelenti, hogy az ultrahangos kezelés nemcsak a laboratóriumi megvalósíthatósághoz, hanem a tényleges gyártási átbocsátási kapacitáshoz és a termékkövetelményekhez is hozzáigazítható.

Gyártósorba épített feldolgozás a folyamatos gyártáshoz

Az ultrahangos kezelés közvetlenül integrálható a gyártósorba
A Hielscher ultrahangos kezelőberendezései kiválóan alkalmasak a gyártósorba épített feldolgozásra. Ez lehetővé teszi a vízbázisú bevonatok folyamatos kezelését, miközben áthaladnak a gyártási rendszeren. A gyártósorba épített ultrahangos kezelés jól illeszkedik az ipari gyártáshoz, mert elkerüli a szükségtelen szakaszos anyagkezelést, és integrálható az anyagtovábbító körökbe, a recirkulációs rendszerekbe vagy az erre a célra kialakított feldolgozósorokba.

A gyártósorba épített feldolgozás egyértelmű üzemi előnyöket kínál:

• folyamatos kezelés meghatározott körülmények között
• egyszerű integráció a meglévő üzemekbe
• kevesebb kézi anyagkezelés
• jobb folyamathatékonyság és egyenletesség

A bevonatgyártók számára ez az ultrahangos kezelést a gyakorlatban alkalmazható gyártási technológiává teszi.

Porlasztva szárított TiO2 ultrahangos őrlés előtt és után

Lineáris méretnövelhetőség a laboratóriumtól az ipari gyártásig

A folyamatparaméterek megbízhatóan átvihetők a különböző léptékek között
A méretnövelés kritikus kérdés a folyamatfejlesztésben. A Hielscher ultrahangos rendszereit lineáris méretnövelhetőségre tervezték, ami azt jelenti, hogy a laboratóriumi vagy kísérleti üzemi léptékben kialakított folyamatkörülmények szisztematikusan átvihetők az ipari gyártásba.
Ez különösen fontos az innovatív, alacsony biocidtartalmú bevonatokat fejlesztő vállalatok számára, mert csökkenti a bevezetés kockázatát, és segít felgyorsítani a kereskedelmi forgalomba hozatalt.

A lineáris méretnövelhetőség előnyei közé tartoznak:

• egyszerűbb folyamatfejlesztés
• megbízható átadás a K+F-ből a gyártásba
• kiszámítható teljesítmény nagyobb átbocsátási kapacitás mellett
• kisebb bizonytalanság a méretnövelés során

Egyszerű tisztítás és higiénikus folyamattervezés

A tisztíthatóság fontos, ha a cél a mikrobiális stabilitás
Ha a mikroorganizmusok elleni védekezés a folyamat egyik fő célja, a berendezések higiéniája még fontosabbá válik. A Hielscher ultrahangos kezelőberendezéseit a gyakorlatban könnyen megvalósítható ipari tisztításra és a higiénikus technológiai környezetbe való egyszerű integrációra tervezték.

Az egyszerű tisztítás segíti a gyártókat az alábbiakban:

• a berendezések szennyeződési kockázatának csökkentése
• a mikroorganizmusok szaporodásának megállítása
• a tisztításra és karbantartásra fordított idő lerövidítése
• a folyamat megbízhatóságának javítása ismétlődő gyártási ciklusok során

A vízbázisú bevonatok esetében, ahol a szennyeződés fennmaradhat a tartályokban, holtterekben és anyagtovábbító rendszerekben, a könnyen tisztítható ultrahangos berendezések közvetlenül hozzájárulnak a termék stabilitásához és az üzemi működés robusztusságához.

A grindométeren vizsgált, ultrahanggal kezelt krétafesték a pigmentek tökéletesen egyenletes agglomerátumfelbontását és részecskeméret-eloszlását szemlélteti

Reprodukálható eredmények az ipari minőségbiztosításhoz

Az egyenletesség elengedhetetlen a bevonatgyártók számára
Az ipari festékgyártás nagymértékben reprodukálható folyamateredményeket igényel. Az optikai tulajdonságoknak, a reológiának, az eltarthatóságnak és a mikrobiológiai stabilitásnak gyártási tételről gyártási tételre, valamint hosszú gyártási időszakokon át is egyenletesnek kell maradnia.

A Hielscher ultrahangos kezelőberendezései reprodukálható ultrahangos körülményeket biztosítanak, amelyek támogatják az alábbiakat:

• egyenletes pigmentdiszpergálás
• stabil részecskeméret-csökkentés
• egyenletes mikrobiális kezelés
• megbízható termékminőség a különböző gyártási sorozatokban

Ez a reprodukálhatóság elengedhetetlen a folyamatvalidáláshoz, a minőségbiztosításhoz és az ultrahangos technológia ipari bevezetéséhez.

Az ultrahangos kezelés mint stratégiai technológia a korszerű vízbázisú bevonatokhoz

A bevonatipar a fenntarthatóbb, kevesebb veszélyes adalékanyagot tartalmazó és megbízhatóbb teljesítményű formulációk felé halad. Az ultrahangos kezelés kivételesen jól illeszkedik ehhez az irányhoz, mert egyszerre két jelentős gyártási kihívást kezel: a hatékony pigmentdiszpergálás és a mikrobiális stabilitás igényét.
E funkciók egyetlen folyamatlépésben történő egyesítésével az ultrahangos kezelés segít a gyártóknak egyszerűsíteni a gyártást, javítani a bevonat minőségét és csökkenteni a hagyományos tartósítási rendszerektől való függőséget. Ez rendkívül vonzóvá teszi az ultrahangos kezelést az építészeti festékek, ipari bevonatok, funkcionális diszperziók, nyomdafestékek és kapcsolódó vízbázisú rendszerek esetében.
A Hielscher ultrahangos kezelőberendezései biztosítják az e stratégia gyakorlati megvalósításához szükséges ipari platformot. Precíz szabályozásuk, nyomás alá helyezhető átfolyó celláik, gyártósorba építhetőségük, lineáris méretnövelhetőségük, egyszerű tisztíthatóságuk és reprodukálható eredményeik különösen alkalmassá teszik őket a festékek és bevonatok gyártására.

Használja ki a bevonatok ultrahangos diszpergálásának és sterilizálásának előnyeit

A vízbázisú bevonatok ultrahangos kezeléssel végzett biocidmentes sterilizálása és diszpergálása rendkívül ígéretes megközelítés a korszerű festékgyártásban. Az ultrahangos kezelés egyetlen integrált folyamatban javítja a pigmentdiszpergálást, csökkenti a mikrobiális terhelést és elősegíti a termék nagyobb stabilitását. Ez a kombináció különösen értékes egy olyan iparágban, amelyre egyre nagyobb nyomás nehezedik a tartósítószerek csökkentése érdekében, miközben fenn kell tartania a magas termékminőséget és folyamathatékonyságot.
A vízbázisú festékek és bevonatok gyártói számára a Hielscher ultrahangos kezelőberendezései a gyakorlatban alkalmazható, ipari körülmények között bizonyított megoldást kínálnak. Folyamatszabályozhatóságuk, gyártósorba integrálhatóságuk, az intenzívebb kezelést biztosító átfolyócella-kialakításuk, méretnövelhetőségük, higiénikus tisztíthatóságuk és reprodukálható teljesítményük kiváló választássá teszik őket a festékpigmentek egyidejű diszpergálásához és sterilizálásához.

Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:

Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban készült minőség

A Hielscher ultrahangos készülékei a legmagasabb minőségi és tervezési színvonalukról ismertek. Robusztusságuk és egyszerű kezelhetőségük lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását az ipari létesítményekbe. A Hielscher ultrahangos készülékei könnyedén megbirkóznak a zord körülményekkel és az igényes üzemi környezettel.

A Hielscher Ultrasonics ISO-tanúsítvánnyal rendelkező vállalat, amely különös hangsúlyt helyez a korszerű technológiát és felhasználóbarát működést biztosító, nagy teljesítményű ultrahangos készülékekre. A Hielscher ultrahangos készülékei természetesen megfelelnek a CE-előírásoknak, és teljesítik az UL, CSA és RoHs követelményeit.

Szakirodalom / Hivatkozások

• 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.