Biocidevrije sterilisatie en dispersie van coatings op waterbasis

Coatings op waterbasis worden veel gebruikt omdat ze formuleringen met een laag VOS-gehalte, veiliger gebruik en duurzamere productie ondersteunen. Tegelijkertijd maakt hun watergehalte ze zeer gevoelig voor microbiële besmetting. Bacteriën, gisten en schimmels kunnen tijdens productie en opslag via grondstoffen, tanks, leidingen, afvulsystemen of blootstelling aan de omgeving in het product terechtkomen. Zodra besmetting optreedt, kunnen micro-organismen zich snel vermenigvuldigen en zowel de productkwaliteit als de houdbaarheid aantasten.
Daarom is microbiële stabiliteit een cruciale kwaliteitsfactor voor verven, coatings, inkten en pigmentdispersies op waterbasis.

Sonicatie combineert pigmentdispersie en microbiële beheersing in één industrieel proces

Traditioneel vertrouwen fabrikanten op conserveermiddelen en biociden voor conservering in de verpakking om bederf te beheersen. Toenemende druk vanuit de regelgeving en een groeiende vraag naar schonere formuleringen stimuleren echter de zoektocht naar alternatieven. Sonicatie met hoge intensiteit biedt een zeer effectieve oplossing doordat dispersie en sterilisatie gelijktijdig in één processtap kunnen plaatsvinden.
Voor coatingfabrikanten betekent dit dat ultrasone verwerking niet alleen een dispersietechnologie is. Het is ook een krachtig procesinstrument om de microbiologische stabiliteit te verbeteren en tegelijkertijd formuleringsstrategieën met weinig of geen biociden te ondersteunen.

Waarom microbiële stabiliteit industrieel cruciaal is bij verven op waterbasis

Microbiële besmetting beïnvloedt de productkwaliteit en procesbetrouwbaarheid rechtstreeks: de microbiële stabiliteit van verven is van groot industrieel belang, omdat microbiële groei uiteenlopende productdefecten en productieproblemen kan veroorzaken. Formuleringen op waterbasis bevatten vaak organische bestanddelen zoals bindmiddelen, dispergeermiddelen, bevochtigingsmiddelen, verdikkingsmiddelen en ontschuimers. Deze componenten kunnen een gunstige omgeving voor microbiële groei creëren als tijdens verwerking of opslag besmetting wordt geïntroduceerd.

In de industriële praktijk kan onvoldoende microbiële beheersing leiden tot:

• viscositeitsdrift en pH-veranderingen
• gasvorming en opzwellen van verpakkingen
• onaangename geur en verkleuring
• verminderde opslagstabiliteit
• defecten in de verffilm en inconsistent applicatiegedrag
• bij dompelbaden – hogere reinigingsfrequentie en stilstand door besmetting

Microbieel bederf beschadigt niet alleen het product. Het kan ook terugkerende hygiëneproblemen in tanks, leidingen en recirculatiecircuits veroorzaken, met productieverliezen, herverwerking, klachten van klanten en afvoerkosten tot gevolg. Daarom is microbiële stabiliteit geen bijkomstige eigenschap. Het is een kernvereiste voor commercieel succesvolle coatings op waterbasis.

Hoe sonicatie werkt in coatings op waterbasis

Akoestische cavitatie veroorzaakt intense afschuiving en daardoor beschadiging van micro-organismen: ultrageluid met hoog vermogen werkt via akoestische cavitatie. Wanneer ultrasone golven door een vloeistof gaan, ontstaan microscopische bellen die groeien en imploderen. Deze cavitatiegebeurtenissen genereren sterk gelokaliseerde afschuifkrachten, turbulentie, drukveranderingen en microjets.
In coatings op waterbasis zijn deze cavitatie-effecten waardevol omdat ze tegelijkertijd op deeltjes en micro-organismen inwerken. Pigmentagglomeraten worden efficiënt afgebroken tot fijnere deeltjes, terwijl microbiële cellen mechanisch worden beschadigd en geïnactiveerd. Dit maakt sonicatie bijzonder aantrekkelijk voor formuleringen waarbij zowel de dispersiekwaliteit als de microbiële stabiliteit essentieel is.

Eén processtap vervult twee cruciale functies

In plaats van pigmentdispersie en microbiële beheersing als afzonderlijke taken te behandelen, combineert sonicatie ze in één bewerking. Dit dubbele effect biedt een duidelijk industrieel voordeel.

Dezelfde ultrasone energie die pigmentclusters deagglomereert en deeltjes gelijkmatig dispergeert, kan ook de belasting door levensvatbare micro-organismen in de coating verminderen. Daardoor ondersteunt sonicatie:

• fijnere en gelijkmatigere pigmentdispersie
• verbeterde kleurkracht en optische consistentie
• verminderde microbiële besmetting tijdens de verwerking
• verbeterde opslagstabiliteit van producten op waterbasis
• minder afhankelijkheid van conserveermiddelen en biociden voor conservering in de verpakking

Dit maakt sonicatie zeer relevant voor de ontwikkeling van duurzamere coatingsystemen met een schonere ingrediëntenlijst.
 

Ultrasoon gedispergeerd siliciumdioxide: rode curve – onbehandeld; groene curve: na ultrasone dispersie

Voordelen van gelijktijdige dispersie en sterilisatie van verfpigmenten

1. Een betere dispersiekwaliteit verbetert de prestaties van de coating
   Pigmenten en vulstoffen vormen vaak agglomeraten die bij onvoldoende mechanische energie moeilijk af te breken zijn. Sonicatie zorgt voor intense en gerichte afschuiving, waardoor deze zeer effectief is voor deagglomeratie en verkleining van de deeltjesgrootte. Een fijnere dispersie kan verschillende prestatiekenmerken van de uiteindelijke coating verbeteren, waaronder kleurontwikkeling, dekkracht, glans en stabiliteit op lange termijn.
2. Gelijktijdige sterilisatie ondersteunt vermindering van biociden
   Tegelijkertijd kan ultrasone cavitatie microbiële cellen in de vloeibare fase beschadigen. Dit vermindert besmetting in de productstroom en helpt de microbiële stabiliteit te verbeteren zonder uitsluitend op chemische conservering te vertrouwen. Voor fabrikanten die systemen met weinig of geen biociden nastreven, is dit een aanzienlijk procesvoordeel.
3. Procesintensivering vermindert de complexiteit
   Het combineren van twee belangrijke procesdoelen in één inline stap vereenvoudigt de productie. In plaats van afzonderlijke behandelingsstappen voor dispersie en microbiële beheersing toe te voegen, kunnen coatingproducenten beide integreren in één gecontroleerd sonicatieproces. Dit vermindert het aantal handelingen, ondersteunt een schonere productie en verbetert de reproduceerbaarheid.

Waarom biocidevrije verwerking steeds belangrijker wordt

Eisen vanuit regelgeving, milieu en markt veranderen formuleringsstrategieën
De verschuiving naar coatings met weinig of geen biociden wordt door verschillende industriële factoren gestimuleerd. Regelgevingskaders worden strenger, milieuverwachtingen nemen toe en klanten vragen om veiligere, duurzamere producten met minder zorgwekkende stoffen.
In deze context krijgen fysische procestechnologieën strategisch belang. Sonicatie is bijzonder aantrekkelijk omdat deze niet simpelweg het ene additief door het andere vervangt. Sonicatie introduceert een niet-chemisch behandelingsprincipe dat zowel de dispersie als de microbiële stabiliteit door middel van mechanische energie verbetert.

Voor formuleerders en productiemanagers biedt dit verschillende voordelen:

• ondersteuning van duurzamere productconcepten
• verminderde afhankelijkheid van conventionele conserveermiddelen
• verbeterde proceshygiëne
• sterkere positionering voor de volgende generatie coatings op waterbasis

Waarom sonicatoren van Hielscher de beste oplossing zijn voor industriële coatingproductie

Nauwkeurige regeling voor reproduceerbare verwerkingsomstandigheden

Sonicatoren van Hielscher zijn ontworpen voor industriële procesregeling. Bij coatingproductie is nauwkeurige regeling van sonicatieparameters essentieel, omdat het gedrag van de formulering afhangt van het pigmenttype, het gehalte aan vaste stoffen, de viscositeit, de temperatuur, het debiet en de behandelingsintensiteit.

Systemen van Hielscher maken nauwkeurige instelling van belangrijke procesparameters mogelijk, zoals:

• amplitude
• druk
• debiet / verblijftijd
• temperatuur
• energietoevoer

Dankzij deze nauwkeurigheid kunnen fabrikanten de pigmentdispersie optimaliseren, de kwaliteit van de formulering verbeteren en een reproduceerbare microbiële reductie bereiken.

SEM-beelden van vegetatieve cellen van B. subtilis vóór (a) en na ultrasone bestraling gedurende 30 min (b), (c).
Onderzoek en afbeelding: © Hashimoto et al., 2020

Doorstroomcellen die onder druk kunnen worden gezet voor intensievere sonicatie

Verhoogde druk verhoogt de cavitatie-intensiteit
Een belangrijk voordeel van de technologie van Hielscher is het gebruik van reactoren met een doorstroomcel die onder druk kunnen worden gezet. Druk heeft een sterk effect op het cavitatiegedrag. Bij verhoogde druk wordt cavitatie intenser en effectiever, wat bijzonder waardevol is voor veeleisende dispersies en continue microbiële inactivatie.

Doorstroomcellen die onder druk kunnen worden gezet ondersteunen:

• intensievere ultrasone behandeling
• effectievere deagglomeratie
• verbeterde procesefficiëntie

Voor industriële coatinginstallaties betekent dit dat de ultrasone behandeling niet alleen op haalbaarheid op laboratoriumschaal kan worden afgestemd, maar ook op de werkelijke productiecapaciteit en producteisen.

Inline verwerking voor continue productie

Sonicatie kan rechtstreeks in de productielijn worden geïntegreerd
Sonicatoren van Hielscher zijn zeer geschikt voor inline verwerking. Hierdoor kunnen coatings op waterbasis continu worden behandeld terwijl ze door het productiesysteem stromen. Inline sonicatie sluit goed aan op industriële productie omdat deze onnodige batchhandelingen voorkomt en in overdrachtscircuits, recirculatiesystemen of specifieke proceslijnen kan worden geïntegreerd.

Inline verwerking biedt duidelijke operationele voordelen:

• continue behandeling onder gedefinieerde omstandigheden
• eenvoudige integratie in bestaande installaties
• minder handmatige handelingen
• verbeterde procesefficiëntie en consistentie

Voor coatingfabrikanten maakt dit sonicatie tot een praktische productietechnologie.

Sproeigedroogd TiO2 vóór en na ultrasoon malen

Lineaire schaalbaarheid van laboratorium tot industriële productie

Procesparameters kunnen betrouwbaar tussen schalen worden overgedragen
Opschaling is een cruciaal aandachtspunt bij procesontwikkeling. Ultrasone systemen van Hielscher zijn ontworpen voor lineaire schaalbaarheid, wat betekent dat procesomstandigheden die op laboratorium- of pilotschaal zijn vastgesteld, systematisch naar industriële productie kunnen worden vertaald.
Dit is vooral belangrijk voor bedrijven die innovatieve coatings met weinig biociden ontwikkelen, omdat het risico tijdens de implementatie vermindert en helpt de commercialisering te versnellen.

De voordelen van lineaire schaalbaarheid omvatten:

• eenvoudigere procesontwikkeling
• betrouwbare overdracht van R&D naar productie
• voorspelbare prestaties bij een grotere verwerkingscapaciteit
• minder onzekerheid bij opschaling

Eenvoudige reiniging en hygiënisch procesontwerp

Reinigbaarheid is belangrijk wanneer microbiële stabiliteit het doel is
Als microbiële beheersing een belangrijk procesdoel is, wordt de hygiëne van de apparatuur nog belangrijker. Sonicatoren van Hielscher zijn ontworpen voor praktische industriële reiniging en eenvoudige integratie in hygiënische procesomgevingen.

Eenvoudige reiniging helpt fabrikanten om:

• besmettingsrisico’s in apparatuur te verminderen
• microbiële groei te stoppen
• de tijd voor reiniging en onderhoud te verkorten
• de procesbetrouwbaarheid gedurende herhaalde productiecycli te verbeteren

Bij coatings op waterbasis, waar besmetting in tanks, dode zones en overdrachtssystemen kan blijven bestaan, draagt eenvoudig te reinigen ultrasone apparatuur rechtstreeks bij aan productstabiliteit en operationele robuustheid.

Met sonicatie behandelde krijtverf op de grindometer toont de volkomen uniforme deagglomeratie en deeltjesgrootteverdeling van de pigmenten aan

Reproduceerbare resultaten voor industriële kwaliteitsborging

Consistentie is essentieel voor coatingfabrikanten
Industriële verfproductie vereist zeer reproduceerbare procesresultaten. Optische eigenschappen, reologie, houdbaarheid en microbiologische stabiliteit moeten van batch tot batch en gedurende lange productieperioden consistent blijven.

Sonicatoren van Hielscher bieden reproduceerbare ultrasone omstandigheden die het volgende ondersteunen:

• uniforme pigmentdispersie
• stabiele verkleining van de deeltjesgrootte
• consistente microbiële behandeling
• betrouwbare productkwaliteit gedurende productieruns

Deze reproduceerbaarheid is essentieel voor procesvalidatie, kwaliteitsborging en de industriële toepassing van ultrasone technologie.

Sonicatie als strategische technologie voor moderne coatings op waterbasis

De coatingindustrie beweegt in de richting van formuleringen die duurzamer zijn, minder gevaarlijke additieven bevatten en robuustere prestaties leveren. Sonicatie sluit uitzonderlijk goed aan bij deze ontwikkeling omdat deze twee belangrijke productie-uitdagingen tegelijk aanpakt: de behoefte aan efficiënte pigmentdispersie en de behoefte aan microbiële stabiliteit.
Door deze functies in één processtap te combineren, helpt sonicatie fabrikanten de productie te vereenvoudigen, de coatingkwaliteit te verbeteren en de afhankelijkheid van conventionele conserveringssystemen te verminderen. Dit maakt ultrasone behandeling zeer aantrekkelijk voor bouwverven, industriële coatings, functionele dispersies, inkten en verwante systemen op waterbasis.
Sonicatoren van Hielscher bieden het industriële platform dat nodig is om deze strategie in de praktijk te brengen. Hun nauwkeurige regeling, doorstroomcellen die onder druk kunnen worden gezet, geschiktheid voor inline verwerking, lineaire schaalbaarheid, eenvoudige reiniging en reproduceerbare resultaten maken ze bijzonder geschikt voor de productie van verven en coatings.

Profiteer van ultrasone dispersie en sterilisatie van coatings

Biocidevrije sterilisatie en dispersie van coatings op waterbasis met behulp van sonicatie is een zeer veelbelovende aanpak voor moderne verfproductie. Sonicatie verbetert de pigmentdispersie, vermindert de microbiële belasting en ondersteunt een hogere productstabiliteit in één geïntegreerd proces. Deze combinatie is bijzonder waardevol in een industrie die onder toenemende druk staat om het gebruik van conserveermiddelen te verminderen en tegelijkertijd een hoge productkwaliteit en procesefficiëntie te behouden.
Voor fabrikanten van verven en coatings op waterbasis bieden sonicatoren van Hielscher een praktische en industrieel bewezen oplossing. Hun procesregelbaarheid, inline integratie, ontwerp van de doorstroomcel voor intensievere behandeling, schaalbaarheid, hygiënische reinigbaarheid en reproduceerbare prestaties maken ze tot een uitstekende keuze voor gelijktijdige dispersie en sterilisatie van verfpigmenten.

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren:

Ontwerp, productie en advies – kwaliteit uit Duitsland

Sonicatoren van Hielscher staan bekend om hun hoogste kwaliteits- en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening maken een soepele integratie van onze sonicatoren in industriële installaties mogelijk. Sonicatoren van Hielscher kunnen zware omstandigheden en veeleisende omgevingen moeiteloos aan.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt bijzondere nadruk op sonicatoren met hoge prestaties, die de modernste technologie en gebruiksvriendelijkheid bieden. Uiteraard voldoen sonicatoren van Hielscher aan de CE-eisen en aan de vereisten van UL, CSA en RoHs.

Literatuur / referenties

• 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.