Sterilizarea și dispersarea fără biocide a acoperirilor pe bază de apă

Acoperirile pe bază de apă sunt utilizate pe scară largă deoarece permit formulări cu conținut redus de COV, o manipulare mai sigură și o producție mai sustenabilă. În același timp, conținutul lor de apă le face foarte susceptibile la contaminarea microbiană. Bacteriile, drojdiile și mucegaiurile pot pătrunde în produs prin materiile prime, rezervoare, conducte, sistemele de umplere sau prin expunerea la mediul ambiant în timpul fabricației și depozitării. Odată ce apare contaminarea, microorganismele se pot înmulți rapid și pot compromite atât calitatea produsului, cât și durata de valabilitate.
De aceea, stabilitatea microbiană este un factor de calitate critic pentru vopselele, acoperirile, cernelurile și dispersiile de pigmenți pe bază de apă.

Sonicarea combină dispersarea pigmenților și controlul microbian într-un singur proces industrial

În mod tradițional, producătorii se bazează pe conservanți și pe biocide de conservare în recipient pentru a controla alterarea. Totuși, presiunea de reglementare tot mai mare și cererea crescândă de formulări mai curate determină căutarea unor alternative. Sonicarea de mare intensitate oferă o soluție foarte eficientă, permițând dispersarea și sterilizarea simultane într-o singură etapă de proces.
Pentru producătorii de acoperiri, aceasta înseamnă că procesarea cu ultrasunete nu este doar o tehnologie de dispersare. Este, de asemenea, un instrument de proces puternic pentru îmbunătățirea stabilității microbiologice, susținând totodată strategii de formulare cu conținut redus de biocide sau fără biocide.

De ce stabilitatea microbiană este critică la nivel industrial în vopselele pe bază de apă

Contaminarea microbiană afectează direct calitatea produsului și fiabilitatea procesului: stabilitatea microbiană a vopselelor are o relevanță industrială majoră, deoarece dezvoltarea microbiană poate declanșa o serie de defecte ale produsului și probleme de producție. Formulările pe bază de apă conțin adesea ingrediente organice precum lianți, dispersanți, agenți de umectare, agenți de îngroșare și antispumanți. Aceste componente pot crea un mediu favorabil dezvoltării microbiene dacă se introduce contaminare în timpul procesării sau depozitării.

În practica industrială, un control microbian insuficient poate duce la:

• deriva vâscozității și modificări ale pH-ului
• formare de gaze și umflarea recipientelor
• miros neplăcut și decolorare
• stabilitate redusă la depozitare
• defecte ale peliculei și comportament neuniform la aplicare
• pentru băile de imersie – frecvență crescută a curățării și timpi de oprire cauzați de contaminare

Alterarea microbiană nu deteriorează doar produsul. Ea poate crea, de asemenea, probleme de igienă recurente în rezervoare, conducte și circuite de recirculare, ducând la pierderi de producție, reprelucrare, reclamații ale clienților și costuri de eliminare. Din acest motiv, stabilitatea microbiană nu este o proprietate secundară. Este o cerință esențială pentru acoperirile pe bază de apă de succes comercial.

Cum funcționează sonicarea în acoperirile pe bază de apă

Cavitația acustică generează forfecare intensă și, prin aceasta, dezintegrare microbiană: ultrasunetele de mare putere acționează prin cavitație acustică. Când undele ultrasonice traversează un lichid, se formează bule microscopice, care cresc și implodează. Aceste evenimente de cavitație generează forțe de forfecare puternic localizate, turbulență, variații de presiune și microjeturi.
În acoperirile pe bază de apă, aceste efecte cavitaționale sunt valoroase deoarece acționează simultan atât asupra particulelor, cât și asupra microorganismelor. Aglomeratele de pigmenți sunt descompuse eficient în particule mai fine, în timp ce celulele microbiene sunt deteriorate mecanic și inactivate. Acest lucru face sonicarea deosebit de atractivă pentru formulările în care atât calitatea dispersiei, cât și stabilitatea microbiană sunt esențiale.

O singură etapă de proces îndeplinește două funcții critice

În loc să trateze dispersarea pigmenților și controlul microbian ca sarcini separate, sonicarea le combină într-o singură operație. Acest efect dublu oferă un avantaj industrial clar.

Aceeași energie ultrasonică ce dezaglomerează grupurile de pigmenți și dispersează uniform particulele poate reduce, de asemenea, încărcătura microbiană viabilă din acoperire. Ca urmare, sonicarea favorizează:

• dispersarea mai fină și mai uniformă a pigmenților
• putere de colorare și consistență optică îmbunătățite
• contaminare microbiană redusă în timpul procesării
• stabilitate îmbunătățită la depozitare a produselor pe bază de apă
• dependență mai redusă de conservanți și de biocide de conservare în recipient

Acest lucru face ca sonicarea să fie foarte relevantă pentru dezvoltarea unor sisteme de acoperire mai sustenabile și cu o listă de ingrediente mai curată.

Dioxid de siliciu dispersat cu ultrasunete: curba roșie – netratat; curba verde: după dispersarea cu ultrasunete

Avantajele dispersării și sterilizării simultane a pigmenților pentru vopsele

1. O calitate mai bună a dispersiei îmbunătățește performanța acoperirii
   Pigmenții și materialele de umplutură formează adesea aglomerate greu de spart cu energie mecanică insuficientă. Sonicarea furnizează o forfecare intensă și țintită, fiind astfel foarte eficientă pentru dezaglomerare și reducerea dimensiunii particulelor. O dispersie mai fină poate îmbunătăți mai multe caracteristici de performanță ale acoperirii finale, inclusiv dezvoltarea culorii, opacitatea, luciul și stabilitatea pe termen lung.
2. Sterilizarea simultană favorizează reducerea biocidelor
   În același timp, cavitația ultrasonică poate deteriora celulele microbiene prezente în faza lichidă. Aceasta reduce contaminarea din fluxul de produs și contribuie la îmbunătățirea stabilității microbiene fără a depinde exclusiv de conservarea chimică. Pentru producătorii care urmăresc sisteme cu conținut redus de biocide sau fără biocide, acesta este un avantaj de proces semnificativ.
3. Intensificarea proceselor reduce complexitatea
   Combinarea a două obiective-cheie de proces într-o singură etapă inline simplifică producția. În loc să adauge etape de tratament separate pentru dispersare și controlul microbian, producătorii de acoperiri le pot integra pe amândouă într-un singur proces de sonicare controlat. Acest lucru reduce manipularea, favorizează o producție mai curată și îmbunătățește reproductibilitatea.

De ce procesarea fără biocide câștigă importanță

Cerințele de reglementare, de mediu și ale pieței remodelează strategiile de formulare
Trecerea către acoperiri cu conținut redus de biocide și fără biocide este determinată de mai mulți factori industriali. Cadrele de reglementare devin mai stricte, așteptările privind mediul cresc, iar clienții solicită produse mai sigure și mai sustenabile, cu mai puține substanțe care prezintă motive de îngrijorare.
În acest context, tehnologiile de proces fizice capătă relevanță strategică. Sonicarea este deosebit de atractivă deoarece nu înlocuiește pur și simplu un aditiv cu altul. Ea introduce un principiu de tratament nechimic, care îmbunătățește atât dispersia, cât și stabilitatea microbiană prin energie mecanică.

Pentru formulatori și managerii de producție, aceasta oferă mai multe beneficii:

• sprijin pentru concepte de produs mai sustenabile
• dependență redusă de conservanții convenționali
• igienă îmbunătățită a procesului
• o poziționare mai puternică pentru acoperirile pe bază de apă de generație următoare

De ce sonicatoarele Hielscher sunt cea mai bună soluție pentru producția industrială de acoperiri

Control precis pentru condiții de procesare reproductibile

Sonicatoarele Hielscher sunt proiectate pentru controlul proceselor industriale. În producția de acoperiri, controlul precis al parametrilor de sonicare este esențial, deoarece comportamentul formulării depinde de tipul de pigment, conținutul de substanță solidă, vâscozitate, temperatură, debit și intensitatea tratamentului.

Sistemele Hielscher permit reglarea exactă a unor parametri de proces importanți, precum:

• amplitudinea
• presiunea
• debitul / timpul de staționare
• temperatura
• aportul de energie

Această precizie le permite producătorilor să optimizeze dispersarea pigmenților, îmbunătățind calitatea formulării și obținând o reducere microbiană reproductibilă.

Imagini SEM ale celulelor vegetative de B. subtilis înainte (a) și după iradierea cu ultrasunete timp de 30 min (b), (c).
Studiu și imagine: © Hashimoto et al., 2020

Celule de flux presurizabile pentru sonicare intensificată

Presiunea ridicată crește intensitatea cavitației
Un avantaj-cheie al tehnologiei Hielscher este utilizarea reactoarelor cu celulă de flux presurizabile. Presiunea are un efect puternic asupra comportamentului cavitației. Sub presiune ridicată, cavitația devine mai intensă și mai eficientă, ceea ce este deosebit de valoros pentru dispersiile solicitante și inactivarea microbiană continuă.

Celulele de flux presurizabile favorizează:

• tratament ultrasonic intensificat
• dezaglomerare mai eficientă
• eficiență îmbunătățită a procesului

Pentru instalațiile industriale de acoperiri, aceasta înseamnă că tratamentul cu ultrasunete poate fi ajustat nu doar pentru fezabilitatea la scară de laborator, ci și pentru capacitatea de procesare reală din producție și cerințele produsului.

Procesare inline pentru fabricație continuă

Sonicarea poate fi integrată direct în linia de producție
Sonicatoarele Hielscher sunt foarte potrivite pentru procesarea inline. Aceasta permite tratarea continuă a acoperirilor pe bază de apă pe măsură ce trec prin sistemul de producție. Sonicarea inline se integrează bine în fabricația industrială, deoarece evită manipularea inutilă în șarje și poate fi integrată în circuite de transfer, sisteme de recirculare sau linii de proces dedicate.

Procesarea inline oferă avantaje operaționale clare:

• tratament continuu în condiții definite
• integrare ușoară în instalațiile existente
• manipulare manuală redusă
• eficiență și consecvență îmbunătățite ale procesului

Pentru producătorii de acoperiri, acest lucru face din sonicare o tehnologie de producție practică.

TiO2 uscat prin pulverizare înainte și după măcinarea cu ultrasunete

Scalabilitate liniară de la laborator la producția industrială

Parametrii de proces pot fi transferați în mod fiabil între scări
Extinderea la scară este o problemă critică în dezvoltarea proceselor. Sistemele cu ultrasunete Hielscher sunt proiectate pentru scalabilitate liniară, ceea ce înseamnă că condițiile de proces stabilite la scară de laborator sau pilot pot fi transpuse sistematic în producția industrială.
Acest lucru este deosebit de important pentru companiile care dezvoltă acoperiri inovatoare cu conținut redus de biocide, deoarece reduce riscul în timpul implementării și contribuie la accelerarea comercializării.

Avantajele scalabilității liniare includ:

• dezvoltare mai ușoară a proceselor
• transfer fiabil din cercetare-dezvoltare în producție
• performanță previzibilă la capacități de procesare mai mari
• incertitudine mai redusă la extinderea la scară

Curățare ușoară și design igienic al procesului

Ușurința curățării contează atunci când obiectivul este stabilitatea microbiană
Dacă controlul microbian este un obiectiv-cheie al procesului, igiena echipamentelor devine și mai importantă. Sonicatoarele Hielscher sunt proiectate pentru o curățare industrială practică și o integrare simplă în medii de proces igienice.

Curățarea ușoară îi ajută pe producători să:

• reducă riscurile de contaminare în echipamente
• oprească dezvoltarea microbiană
• reducă eforturile de curățare și întreținere
• îmbunătățească fiabilitatea procesului pe parcursul ciclurilor de producție repetate

În acoperirile pe bază de apă, unde contaminarea poate persista în rezervoare, zone moarte și sisteme de transfer, echipamentele cu ultrasunete ușor de curățat contribuie direct la stabilitatea produsului și la robustețea operațională.

Vopseaua cretată sonicată, pe grindometru, demonstrează dezaglomerarea și distribuția dimensiunii particulelor perfect uniforme ale pigmenților

Rezultate reproductibile pentru asigurarea calității industriale

Consecvența este esențială pentru producătorii de acoperiri
Producția industrială de vopsele necesită rezultate de proces foarte reproductibile. Proprietățile optice, reologia, durata de valabilitate și stabilitatea microbiologică trebuie să rămână constante de la o șarjă la alta și pe perioade lungi de producție.

Sonicatoarele Hielscher asigură condiții ultrasonice reproductibile, care favorizează:

• dispersarea uniformă a pigmenților
• reducerea stabilă a dimensiunii particulelor
• tratament microbian consecvent
• calitate fiabilă a produsului de la un ciclu de producție la altul

Această reproductibilitate este esențială pentru validarea proceselor, asigurarea calității și adoptarea industrială a tehnologiei cu ultrasunete.

Sonicarea ca tehnologie strategică pentru acoperirile moderne pe bază de apă

Industria acoperirilor evoluează către formulări mai sustenabile, cu un conținut mai redus de aditivi periculoși și cu o performanță mai robustă. Sonicarea se potrivește excepțional de bine acestei direcții, deoarece abordează simultan două provocări majore de producție: necesitatea unei dispersări eficiente a pigmenților și necesitatea stabilității microbiene.
Prin combinarea acestor funcții într-o singură etapă de proces, sonicarea îi ajută pe producători să simplifice producția, să îmbunătățească calitatea acoperirilor și să reducă dependența de sistemele de conservare convenționale. Acest lucru face tratamentul cu ultrasunete foarte atractiv pentru vopselele pentru construcții, acoperirile industriale, dispersiile funcționale, cernelurile și sistemele similare pe bază de apă.
Sonicatoarele Hielscher oferă platforma industrială necesară pentru a pune în practică această strategie. Controlul precis, celulele de flux presurizabile, capacitatea de procesare inline, scalabilitatea liniară, curățarea ușoară și rezultatele reproductibile le fac deosebit de potrivite pentru producția de vopsele și acoperiri.

Profitați de dispersarea și sterilizarea cu ultrasunete a acoperirilor

Sterilizarea și dispersarea fără biocide a acoperirilor pe bază de apă prin sonicare reprezintă o abordare foarte promițătoare pentru fabricarea modernă a vopselelor. Sonicarea îmbunătățește dispersarea pigmenților, reduce încărcătura microbiană și susține o stabilitate mai mare a produsului într-un singur proces integrat. Această combinație este deosebit de valoroasă într-o industrie supusă unei presiuni tot mai mari de a reduce conservanții, menținând în același timp o calitate ridicată a produselor și o eficiență ridicată a proceselor.
Pentru producătorii de vopsele și acoperiri pe bază de apă, sonicatoarele Hielscher oferă o soluție practică și dovedită industrial. Controlabilitatea procesului, integrarea inline, designul intensificat al celulei de flux, scalabilitatea, curățabilitatea igienică și performanța reproductibilă le fac o alegere excelentă pentru dispersarea și sterilizarea simultane a pigmenților pentru vopsele.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:

Proiectare, fabricație și consultanță – calitate Made in Germany

Ultrasonicatoarele Hielscher sunt bine cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și operarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicatoarelor noastre în instalații industriale. Condițiile dificile și mediile solicitante sunt gestionate cu ușurință de ultrasonicatoarele Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicatoare de înaltă performanță, dotate cu tehnologie de ultimă generație și ușor de utilizat. Desigur, ultrasonicatoarele Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.

Literatură / Referințe

• 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.