Стерилизация и диспергирование покрытий на водной основе без биоцидов

Покрытия на водной основе широко используются, поскольку позволяют создавать рецептуры с низким содержанием летучих органических соединений (ЛОС), обеспечивают более безопасное обращение и более экологичное производство. В то же время содержание воды делает их весьма восприимчивыми к микробному загрязнению. Бактерии, дрожжи и плесневые грибы могут попадать в продукт через сырьё, резервуары, трубопроводы, системы розлива или при контакте с окружающей средой во время производства и хранения. После возникновения загрязнения микроорганизмы могут быстро размножаться, ухудшая качество продукта и сокращая срок его хранения.
Именно поэтому микробиологическая стабильность является критически важным фактором качества красок, покрытий, чернил и пигментных дисперсий на водной основе.

Обработка ультразвуком объединяет диспергирование пигментов и контроль микроорганизмов в одном промышленном процессе

Традиционно производители используют консерванты и биоциды для защиты продукта в таре от порчи. Однако ужесточение нормативных требований и растущий спрос на более чистые рецептуры стимулируют поиск альтернатив. Высокоинтенсивная обработка ультразвуком предлагает высокоэффективное решение, позволяя одновременно выполнять диспергирование и стерилизацию за одну технологическую стадию.
Для производителей покрытий это означает, что обработка ультразвуком служит не только технологией диспергирования. Она также является мощным технологическим инструментом для повышения микробиологической стабильности, поддерживая стратегии разработки рецептур с низким содержанием биоцидов или без них.

Почему микробиологическая стабильность красок на водной основе критически важна для промышленности

Микробное загрязнение напрямую влияет на качество продукта и надёжность процесса: микробиологическая стабильность красок имеет большое промышленное значение, поскольку рост микроорганизмов может вызывать различные дефекты продукта и производственные проблемы. Рецептуры на водной основе часто содержат органические компоненты, такие как связующие, диспергаторы, смачиватели, загустители и пеногасители. Эти компоненты могут создавать благоприятную среду для роста микроорганизмов, если загрязнение попадает в продукт при обработке или хранении.

В промышленной практике недостаточный контроль микроорганизмов может приводить к следующим последствиям:

• дрейф вязкости и изменения pH
• газообразование и вздутие тары
• неприятный запах и изменение цвета
• снижение стабильности при хранении
• дефекты плёнки и непостоянство характеристик при нанесении
• для ванн окрашивания погружением – увеличение частоты очистки и простои, связанные с загрязнением

Микробная порча не только повреждает продукт. Она также может вызывать повторяющиеся гигиенические проблемы в резервуарах, трубах и рециркуляционных контурах, приводя к производственным потерям, повторной переработке, претензиям клиентов и затратам на утилизацию. Поэтому микробиологическая стабильность не является второстепенным свойством. Это основное требование для коммерчески успешных покрытий на водной основе.

Как работает обработка ультразвуком в покрытиях на водной основе

Акустическая кавитация создаёт интенсивный сдвиг и тем самым вызывает разрушение микроорганизмов: ультразвук высокой мощности действует посредством акустической кавитации. Когда ультразвуковые волны проходят через жидкость, образуются микроскопические пузырьки, которые растут и схлопываются. Эти кавитационные явления создают высоколокализованные силы сдвига, турбулентность, изменения давления и микроструи.
В покрытиях на водной основе эти кавитационные эффекты ценны тем, что одновременно воздействуют и на частицы, и на микроорганизмы. Агломераты пигментов эффективно разрушаются до более мелких частиц, а микробные клетки механически повреждаются и инактивируются. Это делает обработку ультразвуком особенно привлекательной для рецептур, в которых существенны и качество диспергирования, и микробиологическая стабильность.

Одна технологическая стадия выполняет две критически важные функции

Вместо того чтобы рассматривать диспергирование пигментов и контроль микроорганизмов как отдельные задачи, обработка ультразвуком объединяет их в одной операции. Такое двойное действие даёт явное промышленное преимущество.

Та же ультразвуковая энергия, которая обеспечивает деагломерацию скоплений пигмента и равномерно диспергирует частицы, может также снижать количество жизнеспособных микроорганизмов в покрытии. В результате обработка ультразвуком способствует:

• получению более тонкой и равномерной дисперсии пигментов
• повышению красящей способности и однородности оптических характеристик
• снижению микробного загрязнения во время обработки
• повышению стабильности продуктов на водной основе при хранении
• снижению зависимости от консервантов и биоцидов для защиты продукта в таре

Это делает обработку ультразвуком весьма значимой для разработки более экологичных систем покрытий с более чистым перечнем ингредиентов.
 

Диоксид кремния, диспергированный ультразвуком: красная кривая – без обработки; зелёная кривая: после ультразвукового диспергирования

Преимущества одновременного диспергирования и стерилизации пигментов для красок

1. Более высокое качество диспергирования улучшает эксплуатационные характеристики покрытия
   Пигменты и наполнители часто образуют агломераты, которые трудно разрушить при недостаточной механической энергии. Обработка ультразвуком обеспечивает интенсивный и направленный сдвиг, что делает её высокоэффективной для деагломерации и уменьшения размера частиц. Более тонкая дисперсия может улучшить ряд эксплуатационных характеристик конечного покрытия, включая проявление цвета, укрывистость, блеск и долговременную стабильность.
2. Одновременная стерилизация способствует сокращению использования биоцидов
   В то же время ультразвуковая кавитация может повреждать микробные клетки, присутствующие в жидкой фазе. Это снижает загрязнение в потоке продукта и помогает повысить микробиологическую стабильность, не полагаясь исключительно на химическое консервирование. Для производителей, стремящихся создавать системы с низким содержанием биоцидов или без них, это существенное технологическое преимущество.
3. Интенсификация процесса снижает сложность
   Объединение двух ключевых технологических задач в одной поточной стадии упрощает производство. Вместо добавления отдельных стадий обработки для диспергирования и контроля микроорганизмов производители покрытий могут объединить обе задачи в одном контролируемом процессе обработки ультразвуком. Это сокращает операции по обращению с продуктом, способствует более чистому производству и улучшает воспроизводимость.

Почему обработка без биоцидов приобретает всё большее значение

Нормативные, экологические и рыночные требования меняют стратегии разработки рецептур
Переход к покрытиям с низким содержанием биоцидов и без биоцидов обусловлен несколькими промышленными факторами. Нормативные требования ужесточаются, экологические ожидания растут, а клиенты запрашивают более безопасные и экологичные продукты с меньшим количеством веществ, вызывающих опасения.
В этом контексте технологии физической обработки приобретают стратегическое значение. Обработка ультразвуком особенно привлекательна, поскольку не просто заменяет одну добавку другой. Она вводит нехимический принцип обработки, который за счёт механической энергии улучшает и диспергирование, и микробиологическую стабильность.

Для разработчиков рецептур и руководителей производства это даёт ряд преимуществ:

• поддержка более экологичных концепций продуктов
• снижение зависимости от традиционных консервантов
• улучшение гигиены процесса
• укрепление рыночных позиций покрытий на водной основе нового поколения

Почему ультразвуковые аппараты Hielscher являются лучшим решением для промышленного производства покрытий

Точный контроль для воспроизводимых условий обработки

Ультразвуковые аппараты Hielscher разработаны для управления промышленными процессами. При производстве покрытий точный контроль параметров обработки ультразвуком необходим, поскольку поведение рецептуры зависит от типа пигмента, содержания твёрдых веществ, вязкости, температуры, расхода и интенсивности обработки.

Системы Hielscher позволяют точно регулировать важные параметры процесса, такие как:

• амплитуда
• давление
• расход / время пребывания
• температура
• подводимая энергия

Такая точность позволяет производителям оптимизировать диспергирование пигментов, повышая качество рецептуры и достигая воспроизводимого снижения количества микроорганизмов.

Изображения вегетативных клеток B. subtilis, полученные методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), до (a) и после ультразвукового облучения в течение 30 min (b), (c).
Исследование и изображение: © Hashimoto et al., 2020

Проточные ячейки, работающие под давлением, для интенсификации обработки ультразвуком

Повышенное давление увеличивает интенсивность кавитации
Ключевым преимуществом технологии Hielscher является использование реакторов с проточными ячейками, работающими под давлением. Давление сильно влияет на характер кавитации. При повышенном давлении кавитация становится более интенсивной и эффективной, что особенно ценно для сложных задач диспергирования и непрерывной инактивации микроорганизмов.

Проточные ячейки, работающие под давлением, обеспечивают:

• интенсификацию обработки ультразвуком
• более эффективную деагломерацию
• повышение эффективности процесса

Для промышленных предприятий по производству покрытий это означает, что обработку ультразвуком можно настраивать не только для проверки осуществимости в лабораторном масштабе, но и с учётом реальной производительности и требований к продукту.

Поточная обработка для непрерывного производства

Обработку ультразвуком можно интегрировать непосредственно в производственную линию
Ультразвуковые аппараты Hielscher прекрасно подходят для поточной обработки. Это позволяет непрерывно обрабатывать покрытия на водной основе при их прохождении через производственную систему. Поточная обработка ультразвуком хорошо вписывается в промышленное производство, поскольку исключает лишние операции с партиями продукта и может быть интегрирована в контуры перекачки, рециркуляционные системы или специализированные технологические линии.

Поточная обработка даёт явные эксплуатационные преимущества:

• непрерывная обработка в заданных условиях
• простая интеграция в существующие предприятия
• сокращение ручных операций
• повышение эффективности и стабильности процесса

Для производителей покрытий это делает обработку ультразвуком практичной производственной технологией.

TiO2, высушенный распылением, до и после ультразвукового измельчения

Линейное масштабирование от лаборатории до промышленного производства

Параметры процесса можно надёжно переносить между масштабами
Масштабирование – критически важный вопрос при разработке процессов. Ультразвуковые системы Hielscher рассчитаны на линейное масштабирование, что означает возможность систематического переноса условий процесса, установленных в лабораторном или пилотном масштабе, на промышленное производство.
Это особенно важно для компаний, разрабатывающих инновационные покрытия с низким содержанием биоцидов, поскольку снижает риски при внедрении и помогает ускорить вывод продукта на рынок.

Преимущества линейного масштабирования включают:

• более простую разработку процесса
• надёжный переход от исследований и разработок к производству
• предсказуемые результаты при большей производительности
• меньшую неопределённость при масштабировании

Простая очистка и гигиеничное проектирование процесса

Возможность очистки важна, когда целью является микробиологическая стабильность
Если контроль микроорганизмов является ключевой задачей процесса, гигиена оборудования становится ещё важнее. Ультразвуковые аппараты Hielscher разработаны для практичной промышленной очистки и простой интеграции в гигиеничные технологические среды.

Простая очистка помогает производителям:

• снижать риски загрязнения оборудования
• останавливать рост микроорганизмов
• сокращать затраты времени и труда на очистку и техническое обслуживание
• повышать надёжность процесса при повторяющихся производственных циклах

При производстве покрытий на водной основе, где загрязнение может сохраняться в резервуарах, застойных зонах и системах перекачки, легко очищаемое ультразвуковое оборудование напрямую способствует стабильности продукта и эксплуатационной надёжности.

Меловая краска, обработанная ультразвуком, на гриндометре демонстрирует совершенно равномерную деагломерацию и распределение частиц пигментов по размерам

Воспроизводимые результаты для промышленного обеспечения качества

Постоянство характеристик необходимо производителям покрытий
Промышленное производство красок требует высокой воспроизводимости результатов процесса. Оптические свойства, реология, срок хранения и микробиологическая стабильность должны оставаться постоянными от партии к партии и на протяжении длительных производственных периодов.

Ультразвуковые аппараты Hielscher обеспечивают воспроизводимые условия обработки ультразвуком, способствующие:

• равномерному диспергированию пигментов
• стабильному уменьшению размера частиц
• постоянству обработки для контроля микроорганизмов
• надёжному качеству продукта в разных производственных циклах

Такая воспроизводимость необходима для валидации процесса, обеспечения качества и промышленного внедрения ультразвуковой технологии.

Обработка ультразвуком как стратегическая технология для современных покрытий на водной основе

Промышленность покрытий переходит к рецептурам, которые более экологичны, содержат меньше опасных добавок и обладают более устойчивыми эксплуатационными характеристиками. Обработка ультразвуком исключительно хорошо соответствует этому направлению, поскольку одновременно решает две важные производственные задачи: необходимость эффективного диспергирования пигментов и необходимость микробиологической стабильности.
Объединяя эти функции в одной технологической стадии, обработка ультразвуком помогает производителям упростить производство, повысить качество покрытий и снизить зависимость от традиционных систем консервирования. Это делает обработку ультразвуком весьма привлекательной для архитектурных красок, промышленных покрытий, функциональных дисперсий, чернил и аналогичных систем на водной основе.
Ультразвуковые аппараты Hielscher предоставляют промышленную платформу, необходимую для практической реализации этой стратегии. Точный контроль, проточные ячейки, работающие под давлением, возможность поточной обработки, линейное масштабирование, простая очистка и воспроизводимые результаты делают их особенно подходящими для производства красок и покрытий.

Воспользуйтесь преимуществами ультразвукового диспергирования и стерилизации покрытий

Стерилизация и диспергирование покрытий на водной основе без биоцидов с помощью обработки ультразвуком – весьма перспективный подход для современного производства красок. Обработка ультразвуком улучшает диспергирование пигментов, снижает микробную нагрузку и способствует повышению стабильности продукта в рамках единого интегрированного процесса. Такое сочетание особенно ценно в отрасли, которая испытывает растущее давление в пользу сокращения использования консервантов при сохранении высокого качества продукта и эффективности процесса.
Для производителей красок и покрытий на водной основе ультразвуковые аппараты Hielscher предлагают практичное решение, проверенное в промышленности. Управляемость процесса, интеграция в поточную линию, конструкция проточной ячейки для интенсификации обработки, масштабируемость, возможность гигиенической очистки и воспроизводимые результаты делают их отличным выбором для одновременного диспергирования и стерилизации пигментов для красок.

В приведённой ниже таблице представлена ориентировочная производительность наших ультразвуковых аппаратов:

Проектирование, производство и консультирование – качество из Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны высочайшим качеством и стандартами проектирования. Прочность и простота эксплуатации позволяют легко интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные предприятия. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и требовательными производственными средами.

Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, сочетающим самые современные технологии и удобство использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE, а также требованиям UL, CSA и RoHs.

Литература / Ссылки

• 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.