Sterilizácia a dispergovanie náterových hmôt na báze vody bez biocídov

Náterové hmoty na báze vody sa široko používajú, pretože umožňujú vytvárať formulácie s nízkym obsahom prchavých organických zlúčenín (VOC), bezpečnejšiu manipuláciu a udržateľnejšiu výrobu. Zároveň sú v dôsledku obsahu vody veľmi náchylné na mikrobiálnu kontamináciu. Baktérie, kvasinky a plesne sa môžu do výrobku dostať prostredníctvom surovín, nádrží, potrubí, plniacich systémov alebo pôsobením okolitého prostredia počas výroby a skladovania. Po vzniku kontaminácie sa mikroorganizmy môžu rýchlo množiť a ohroziť kvalitu aj trvanlivosť výrobku.
Preto je mikrobiálna stabilita kľúčovým faktorom kvality farieb, náterových hmôt, tlačiarenských farieb a pigmentových disperzií na báze vody.

Sonikácia spája dispergovanie pigmentov a mikrobiálnu kontrolu v jednom priemyselnom procese

Výrobcovia sa pri predchádzaní znehodnoteniu tradične spoliehajú na konzervačné látky a biocídy na konzerváciu výrobkov v obale. Rastúci regulačný tlak a zvyšujúci sa dopyt po čistejších formuláciách však podnecujú hľadanie alternatív. Sonikácia s vysokou intenzitou ponúka vysoko účinné riešenie tým, že umožňuje súčasné dispergovanie a sterilizáciu v jednom procesnom kroku.
Pre výrobcov náterových hmôt to znamená, že ultrazvukové spracovanie nie je len technológiou dispergovania. Je aj účinným procesným nástrojom na zlepšenie mikrobiologickej stability, ktorý zároveň podporuje stratégie tvorby formulácií s nízkym obsahom biocídov alebo bez biocídov.

Prečo je mikrobiálna stabilita farieb na báze vody v priemysle kľúčová

Mikrobiálna kontaminácia priamo ovplyvňuje kvalitu výrobku a spoľahlivosť procesu: mikrobiálna stabilita farieb má veľký priemyselný význam, pretože mikrobiálny rast môže vyvolať celý rad chýb výrobku a problémov vo výrobe. Formulácie na báze vody často obsahujú organické zložky, ako sú spojivá, dispergačné činidlá, zmáčadlá, zahusťovadlá a odpeňovače. Tieto zložky môžu vytvárať priaznivé prostredie pre mikrobiálny rast, ak počas spracovania alebo skladovania dôjde ku kontaminácii.

V priemyselnej praxi môže nedostatočná mikrobiálna kontrola viesť k:

• postupným zmenám viskozity a zmenám pH
• tvorbe plynu a vydúvaniu obalov
• nepríjemnému zápachu a nežiaducim zmenám sfarbenia
• zníženej stabilite pri skladovaní
• chybám náterového filmu a nevyrovnaným vlastnostiam pri nanášaní
• pri ponorných kúpeľoch – zvýšenej frekvencii čistenia a prestojom súvisiacim s kontamináciou

Mikrobiálne znehodnotenie nepoškodzuje iba výrobok. Môže tiež spôsobovať opakujúce sa hygienické problémy v nádržiach, potrubiach a recirkulačných okruhoch, čo vedie k výrobným stratám, potrebe prepracovania výrobkov, reklamáciám zákazníkov a nákladom na likvidáciu. Z tohto dôvodu mikrobiálna stabilita nie je druhoradou vlastnosťou. Je základnou požiadavkou na komerčne úspešné náterové hmoty na báze vody.

Ako funguje sonikácia v náterových hmotách na báze vody

Akustická kavitácia vytvára intenzívny šmyk, a tým narúša mikroorganizmy: vysokovýkonný ultrazvuk pôsobí prostredníctvom akustickej kavitácie. Keď ultrazvukové vlny prechádzajú kvapalinou, vznikajú mikroskopické bubliny, ktoré rastú a implodujú. Tieto kavitačné javy vytvárajú silne lokalizované šmykové sily, turbulencie, zmeny tlaku a mikroprúdy.
V náterových hmotách na báze vody sú tieto kavitačné účinky cenné, pretože pôsobia súčasne na častice aj mikroorganizmy. Aglomeráty pigmentov sa účinne rozrušujú na jemnejšie častice, zatiaľ čo mikrobiálne bunky sa mechanicky poškodzujú a inaktivujú. Vďaka tomu je sonikácia obzvlášť atraktívna pre formulácie, pri ktorých sú kvalita disperzie aj mikrobiálna stabilita zásadné.

Jeden procesný krok zabezpečuje dve kľúčové funkcie

Namiesto riešenia dispergovania pigmentov a mikrobiálnej kontroly ako samostatných úloh ich sonikácia spája do jednej operácie. Tento dvojitý účinok ponúka jasnú priemyselnú výhodu.

Tá istá ultrazvuková energia, ktorá rozrušuje aglomeráty pigmentov a rovnomerne disperguje častice, môže tiež znížiť množstvo životaschopných mikroorganizmov v náterovej hmote. Sonikácia tak podporuje:

• jemnejšiu a rovnomernejšiu disperziu pigmentov
• vyššiu farbiacu silu a lepšiu stálosť optických vlastností
• nižšiu mikrobiálnu kontamináciu počas spracovania
• lepšiu skladovaciu stabilitu výrobkov na báze vody
• nižšiu závislosť od konzervačných látok a biocídov na ochranu výrobku v obale

Vďaka tomu má sonikácia veľký význam pri vývoji udržateľnejších náterových systémov s čistejším deklarovaným zložením.
 

Ultrazvukovo dispergovaný oxid kremičitý: červená krivka – neošetrený; zelená krivka: po ultrazvukovej dispergácii

Výhody súčasnej dispergácie a sterilizácie pigmentov do farieb

1. Lepšia kvalita disperzie zlepšuje úžitkové vlastnosti náteru
   Pigmenty a plnivá často tvoria aglomeráty, ktoré sa pri nedostatočnej mechanickej energii ťažko rozrušujú. Sonikácia vytvára intenzívne a cielené šmykové pôsobenie, vďaka čomu je veľmi účinná pri deaglomerácii a zmenšovaní veľkosti častíc. Jemnejšia disperzia môže zlepšiť viaceré úžitkové vlastnosti výsledného náteru vrátane vyfarbenia, krycej schopnosti, lesku a dlhodobej stability.
2. Súčasná sterilizácia podporuje znižovanie množstva biocídov
   Ultrazvuková kavitácia môže zároveň poškodzovať mikrobiálne bunky prítomné v kvapalnej fáze. Tým sa znižuje kontaminácia v prúde produktu a pomáha sa zlepšovať mikrobiálna stabilita bez výlučného spoliehania sa na chemickú konzerváciu. Pre výrobcov usilujúcich sa o systémy s nízkym obsahom biocídov alebo bez biocídov je to významná procesná výhoda.
3. Intenzifikácia procesu znižuje zložitosť
   Spojenie dvoch kľúčových procesných cieľov do jedného kroku v prietokovom režime zjednodušuje výrobu. Namiesto pridávania samostatných stupňov spracovania na dispergáciu a kontrolu mikrobiálnej kontaminácie môžu výrobcovia náterových hmôt integrovať obe funkcie do jedného riadeného procesu sonikácie. Tým sa obmedzuje manipulácia, podporuje čistejšia výroba a zlepšuje reprodukovateľnosť.

Prečo spracovanie bez biocídov nadobúda na význame

Regulačné, environmentálne a trhové požiadavky menia stratégie formulácie
Prechod k náterovým hmotám s nízkym obsahom biocídov a bez biocídov je poháňaný viacerými priemyselnými faktormi. Regulačné rámce sa sprísňujú, environmentálne očakávania rastú a zákazníci požadujú bezpečnejšie a udržateľnejšie výrobky s menším množstvom látok vzbudzujúcich obavy.
V tomto kontexte získavajú fyzikálne procesné technológie strategický význam. Sonikácia je obzvlášť atraktívna, pretože nenahrádza iba jednu prísadu inou. Zavádza nechemický princíp spracovania, ktorý prostredníctvom mechanickej energie zlepšuje disperziu aj mikrobiálnu stabilitu.

Pre odborníkov na formuláciu a vedúcich výroby to prináša niekoľko výhod:

• podpora udržateľnejších koncepcií výrobkov
• nižšia závislosť od bežných konzervačných látok
• lepšia hygiena procesu
• silnejšie postavenie náterových hmôt novej generácie na báze vody na trhu

Prečo sú sonikátory Hielscher najlepším riešením pre priemyselnú výrobu náterových hmôt

Presné riadenie pre reprodukovateľné podmienky spracovania

Sonikátory Hielscher sú navrhnuté na riadenie priemyselných procesov. Pri výrobe náterových hmôt je presné riadenie parametrov sonikácie nevyhnutné, pretože správanie formulácie závisí od typu pigmentu, obsahu sušiny, viskozity, teploty, prietoku a intenzity spracovania.

Systémy Hielscher umožňujú presné nastavenie dôležitých procesných parametrov, ako sú:

• amplitúda
• tlak
• prietok / doba zdržania
• teplota
• prívod energie

Táto presnosť umožňuje výrobcom optimalizovať dispergáciu pigmentov, zlepšovať kvalitu formulácie a dosahovať reprodukovateľné zníženie mikrobiálnej záťaže.

Snímky vegetatívnych buniek B. subtilis zo skenovacieho elektrónového mikroskopu (SEM) pred pôsobením ultrazvuku (a) a po jeho pôsobení počas 30 min (b), (c).
Štúdia a snímka: © Hashimoto et al., 2020

Prietokové cely s možnosťou tlakovania na intenzívnejšiu sonikáciu

Zvýšený tlak zvyšuje intenzitu kavitácie
Kľúčovou výhodou technológie Hielscher je použitie prietokových reaktorov, ktoré možno prevádzkovať pod tlakom. Tlak výrazne ovplyvňuje kavitačné správanie. Pri zvýšenom tlaku je kavitácia intenzívnejšia a účinnejšia, čo je obzvlášť cenné pri náročných disperziách a kontinuálnej inaktivácii mikroorganizmov.

Prietokové cely, ktoré možno prevádzkovať pod tlakom, podporujú:

• intenzívnejšie ultrazvukové spracovanie
• účinnejšiu deaglomeráciu
• vyššiu účinnosť procesu

Pre priemyselné závody na výrobu náterových hmôt to znamená, že ultrazvukové spracovanie možno prispôsobiť nielen požiadavkám na uskutočniteľnosť v laboratórnom meradle, ale aj skutočnej výrobnej kapacite a požiadavkám na výrobok.

Inline spracovanie pre kontinuálnu výrobu

Sonikáciu možno integrovať priamo do výrobnej linky
Sonikátory Hielscher sú veľmi vhodné na inline spracovanie. To umožňuje kontinuálne spracovanie náterových hmôt na báze vody počas ich prechodu výrobným systémom. Inline sonikácia sa dobre hodí do priemyselnej výroby, pretože eliminuje zbytočnú manipuláciu so šaržami a možno ju integrovať do prepravných okruhov, recirkulačných systémov alebo vyhradených procesných liniek.

Inline spracovanie ponúka jasné prevádzkové výhody:

• kontinuálne spracovanie za definovaných podmienok
• jednoduchú integráciu do existujúcich závodov
• menej manuálnej manipulácie
• vyššiu účinnosť a konzistentnosť procesu

Vďaka tomu je sonikácia pre výrobcov náterových hmôt praktickou výrobnou technológiou.

TiO2 sušený rozprašovaním pred ultrazvukovým mletím a po ňom

Lineárne škálovanie od laboratória po priemyselnú výrobu

Procesné parametre možno spoľahlivo prenášať medzi rôznymi mierkami
Prechod na väčšiu mierku je zásadnou otázkou pri vývoji procesov. Ultrazvukové systémy Hielscher sú navrhnuté na lineárne škálovanie, čo znamená, že procesné podmienky stanovené v laboratórnom alebo poloprevádzkovom meradle možno systematicky preniesť do priemyselnej výroby.
To je obzvlášť dôležité pre spoločnosti vyvíjajúce inovatívne náterové hmoty s nízkym obsahom biocídov, pretože to znižuje riziko pri zavádzaní do praxe a pomáha urýchliť uvedenie na trh.

Medzi výhody lineárneho škálovania patria:

• jednoduchší vývoj procesov
• spoľahlivý prenos z výskumu a vývoja do výroby
• predvídateľný výkon pri vyššej kapacite spracovania
• menšia neistota pri prechode na väčšiu mierku

Jednoduché čistenie a hygienické riešenie procesu

Možnosť čistenia je dôležitá, keď je cieľom mikrobiálna stabilita
Ak je kontrola mikroorganizmov kľúčovým cieľom procesu, hygiena zariadení nadobúda ešte väčší význam. Sonikátory Hielscher sú navrhnuté tak, aby umožňovali praktické priemyselné čistenie a jednoduchú integráciu do hygienických procesných prostredí.

Jednoduché čistenie pomáha výrobcom:

• znížiť riziká kontaminácie v zariadeniach
• zastaviť rast mikroorganizmov
• skrátiť čas potrebný na čistenie a údržbu
• zlepšiť spoľahlivosť procesu počas opakovaných výrobných cyklov

Pri náterových hmotách na báze vody, kde môže kontaminácia pretrvávať v nádržiach, mŕtvych zónach a prepravných systémoch, prispievajú ľahko čistiteľné ultrazvukové zariadenia priamo k stabilite výrobku a prevádzkovej odolnosti.

Kriedová farba spracovaná sonikáciou na grindometri preukazuje dokonale rovnomernú deaglomeráciu a distribúciu veľkosti častíc pigmentov

Reprodukovateľné výsledky pre priemyselné zabezpečenie kvality

Konzistentnosť je pre výrobcov náterových hmôt nevyhnutná
Priemyselná výroba farieb vyžaduje vysoko reprodukovateľné výsledky procesov. Optické vlastnosti, reológia, skladovateľnosť a mikrobiologická stabilita musia zostať konzistentné medzi jednotlivými šaržami aj počas dlhých výrobných období.

Sonikátory Hielscher poskytujú reprodukovateľné podmienky ultrazvukového spracovania, ktoré podporujú:

• rovnomernú dispergáciu pigmentov
• stabilné zmenšovanie veľkosti častíc
• konzistentné ošetrenie proti mikroorganizmom
• spoľahlivú kvalitu výrobkov naprieč výrobnými cyklami

Táto reprodukovateľnosť je nevyhnutná na validáciu procesov, zabezpečenie kvality a zavedenie ultrazvukovej technológie v priemysle.

Sonikácia ako strategická technológia pre moderné náterové hmoty na báze vody

Odvetvie náterových látok smeruje k formuláciám, ktoré sú udržateľnejšie, obsahujú menej nebezpečných prísad a majú spoľahlivejšie úžitkové vlastnosti. Sonikácia mimoriadne dobre zodpovedá tomuto smerovaniu, pretože rieši dve hlavné výrobné výzvy súčasne: potrebu účinnej dispergácie pigmentov a potrebu mikrobiálnej stability.
Spojením týchto funkcií do jedného procesného kroku pomáha sonikácia výrobcom zjednodušiť výrobu, zlepšiť kvalitu náterových látok a znížiť závislosť od konvenčných konzervačných systémov. Vďaka tomu je ultrazvukové spracovanie veľmi atraktívne pre stavebné farby, priemyselné náterové látky, funkčné disperzie, atramenty a príbuzné systémy na vodnej báze.
Sonikátory Hielscher poskytujú priemyselnú platformu potrebnú na zavedenie tejto stratégie do praxe. Vďaka presnému riadeniu, prietokovým celám umožňujúcim prevádzku pod tlakom, možnosti spracovania priamo vo výrobnej linke, lineárnej škálovateľnosti, jednoduchému čisteniu a reprodukovateľným výsledkom sú obzvlášť vhodné na výrobu farieb a náterových látok.

Využite výhody ultrazvukovej dispergácie a sterilizácie náterových látok

Sterilizácia a dispergácia náterových látok na vodnej báze pomocou sonikácie bez použitia biocídov je veľmi sľubným prístupom k modernej výrobe farieb. Sonikácia zlepšuje dispergáciu pigmentov, znižuje mikrobiálnu záťaž a podporuje vyššiu stabilitu výrobku v jednom integrovanom procese. Táto kombinácia je obzvlášť cenná v odvetví, ktoré je pod rastúcim tlakom na znižovanie množstva konzervačných látok pri zachovaní vysokej kvality výrobkov a efektívnosti procesu.
Výrobcom farieb a náterových látok na vodnej báze ponúkajú sonikátory Hielscher praktické a priemyselne overené riešenie. Vďaka možnosti riadenia procesu, integrácii priamo do výrobnej linky, konštrukcii prietokových ciel zvyšujúcej intenzitu spracovania, škálovateľnosti, možnosti hygienického čistenia a reprodukovateľnému výkonu sú vynikajúcou voľbou na súčasnú dispergáciu a sterilizáciu pigmentov do farieb.

Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových zariadení:

Návrh, výroba a poradenstvo – kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové zariadenia Hielscher sú známe svojimi najvyššími štandardmi kvality a konštrukcie. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových zariadení do priemyselných prevádzok. Ultrazvukové zariadenia Hielscher ľahko zvládajú drsné podmienky a náročné prostredia.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia, ktoré sa vyznačujú najmodernejšou technológiou a používateľskou prívetivosťou. Ultrazvukové zariadenia Hielscher sú samozrejme v zhode s požiadavkami CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.

Literatúra / Referencie

• 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.