Біоцид-вільна стерилізація та диспергування фарб на водній основі

Фарби на водній основі широко використовуються, оскільки вони підтримують формуляції з низьким вмістом ЛОВ, безпечніше поводження та більш сталу виробництво. Водночас їхній вміст води робить їх дуже сприйнятливими до мікробного забруднення. Бактерії, дріжджі та цвілі можуть потрапляти в продукт через сировину, резервуари, трубопроводи, системи розливу або через навколишнє середовище під час виробництва та зберігання. Після виникнення забруднення мікроорганізми можуть швидко розмножуватися та погіршувати як якість продукту, так і термін придатності.
Саме тому мікробна стабільність є критичним фактором якості для фарб, покриттів, чорнил на водній основі та дисперсій пігментів.

Ультразвукова обробка поєднує диспергування пігментів і контроль мікробів в одному промисловому процесі

Традиційно виробники покладаються на консерванти та біоциди всередині тари для контролю псування. Однак зростаючий регуляторний тиск і попит на чистіші формуляції спонукають до пошуку альтернатив. Високоінтенсивна ультразвукова обробка пропонує високоефективне рішення, забезпечуючи одночасне диспергування та стерилізацію в одному технологічному етапі.
Для виробників покриттів це означає, що ультразвукова обробка є не лише технологією диспергування. Це також потужний інструмент процесу для покращення мікробіологічної стабільності, підтримуючи стратегії формуляції з низьким вмістом біоцидів або без них.

Чому мікробна стабільність є критично важливою в промисловості для фарб на водній основі

Мікробне забруднення безпосередньо впливає на якість продукту та надійність процесу: Мікробна стабільність фарб має велике промислове значення, оскільки ріст мікробів може спричинити низку дефектів продукту та виробничих проблем. Формуляції на водній основі часто містять органічні інгредієнти, такі як в’яжучі речовини, диспергатори, змочувачі, загусники та піногасники. Ці компоненти можуть створювати сприятливе середовище для росту мікробів, якщо забруднення потрапляє під час обробки або зберігання.

У промисловій практиці недостатній контроль мікробів може призвести до:

• дрейфу в’язкості та змін pH
• утворення газу та набухання тари
• неприємного запаху та зміни кольору
• зниженої стабільності при зберіганні
• дефектів плівки та невідповідної поведінки при нанесенні
• для ванн занурення – збільшення частоти очищення та простоїв, пов’язаних із забрудненням

Мікробне псування не лише пошкоджує продукт. Воно також може створювати повторювані проблеми з гігієною в резервуарах, трубах і контурах рециркуляції, що призводить до втрат виробництва, переробки, скарг клієнтів і витрат на утилізацію. З цієї причини мікробна стабільність не є вторинною властивістю. Це основна вимога для комерційно успішних покриттів на водній основі.

Як працює ультразвукова обробка у фарбах на водній основі

Акустична кавітація створює інтенсивний зсув і, таким чином, руйнування мікробів: Потужний ультразвук діє через акустичну кавітацію. Коли ультразвукові хвилі проходять через рідину, утворюються, ростуть і імлодуються мікроскопічні бульбашки. Ці кавітаційні події генерують високо локалізовані зсувні сили, турбулентність, зміни тиску та мікроджети.
У фарбах на водній основі ці кавітаційні ефекти є цінними, оскільки вони діють одночасно на частинки та мікроорганізми. Агломерати пігментів ефективно розбиваються на більш дрібні частинки, тоді як мікробні клітини механічно пошкоджуються та інактивуються. Це робить ультразвукову обробку особливо привабливою для формуляцій, де важливі як якість дисперсії, так і мікробна стабільність.

Один технологічний етап виконує дві критичні функції

Замість того, щоб розглядати диспергування пігментів і контроль мікробів як окремі завдання, ультразвукова обробка поєднує їх в одній операції. Цей подвійний ефект дає чітку промислову перевагу.

Та сама ультразвукова енергія, яка дезагломерує кластери пігментів і рівномірно диспергує частинки, також може зменшувати життєздатне мікробне навантаження в покритті. В результаті ультразвукова обробка сприяє:

• більш дрібна та однорідна дисперсія пігментів
• покращена коліростійкість та оптична однорідність
• зменшене мікробне забруднення під час обробки
• покращена стабільність при зберіганні водорозчинних продуктів
• менша залежність від консервантів та біоцидів у тарі

Це робить ультразвукову обробку надзвичайно актуальною для розробки більш сталих та екологічно чистих систем покриттів.

Ультразвукова дисперсія діоксиду кремнію: червона крива – необроблений; зелена крива: після ультразвукової дисперсії

Переваги одночасної дисперсії та стерилізації пігментів фарб

1. Краща якість дисперсії покращує характеристики покриття
   Пігменти та наповнювачі часто утворюють агломерати, які важко розбити за недостатньої механічної енергії. Ультразвукова обробка забезпечує інтенсивний та цільовий зсув, що робить її надзвичайно ефективною для деагломерації та зменшення розміру частинок. Більш дрібна дисперсія може покращити кілька характеристик кінцевого покриття, включаючи розвиток кольору, непрозорість, блиск та довгострокову стабільність.
2. Одночасна стерилізація сприяє зменшенню біоцидів
   Водночас ультразвукова кавітація може пошкоджувати мікробні клітини, присутні в рідкій фазі. Це зменшує забруднення в потоці продукту та допомагає покращити мікробну стабільність без виключної залежності від хімічного консервування. Для виробників, які прагнуть систем з низьким вмістом біоцидів або без них, це є значною технологічною перевагою.
3. Інтенсифікація процесу зменшує складність
   Поєднання двох ключових цілей процесу в одному інлайн-етапі спрощує виробництво. Замість додавання окремих етапів обробки для дисперсії та мікробного контролю, виробники покриттів можуть інтегрувати обидва в один контрольований процес ультразвукової обробки. Це зменшує кількість операцій з переміщення, сприяє чистішому виробництву та покращує відтворюваність.

Чому обробка без біоцидів набуває важливості

Регуляторні, екологічні та ринкові вимоги змінюють стратегії формулювання
Перехід до покриттів з низьким вмістом біоцидів або без них зумовлений кількома промисловими факторами. Регуляторні рамки стають суворішими, екологічні очікування зростають, а клієнти вимагають безпечніших, більш сталих продуктів з меншою кількістю речовин, що викликають занепокоєння.
У цьому контексті фізичні технології обробки набувають стратегічної актуальності. Ультразвукова обробка є особливо привабливою, оскільки вона не просто замінює одну добавку іншою. Вона вводить нехімічний принцип обробки, який покращує як дисперсію, так і мікробну стабільність за рахунок механічної енергії.

Для розробників формул та виробничих менеджерів це пропонує кілька переваг:

• підтримка більш сталих концепцій продуктів
• зменшена залежність від звичайних консервантів
• покращена гігієна процесу
• сильніша позиція для водорозчинних покриттів наступного покоління

Чому ультразвукові апарати Hielscher є найкращим рішенням для промислового виробництва покриттів

Точне керування для відтворюваних умов обробки

Ультразвукові апарати Hielscher розроблені для промислового керування процесом. У виробництві покриттів точне керування параметрами ультразвукової обробки є важливим, оскільки поведінка формули залежить від типу пігменту, вмісту твердих речовин, в’язкості, температури, об’ємної витрати та інтенсивності обробки.

Системи Hielscher дозволяють точно налаштовувати важливі параметри процесу, такі як:

• амплітуда
• тиск
• об’ємна витрата / час перебування
• температура
• енерговитрати

Ця точність дозволяє виробникам оптимізувати дисперсію пігментів, покращуючи якість формули та досягаючи відтворюваного зменшення мікробного забруднення.

Зображення СЕМ вегетативних клітин B. subtilis до (a) та після (b), (c) ультразвукового опромінення протягом 30 хв.
Дослідження та зображення: © Hashimoto et al., 2020

Проточні комірки під тиском для інтенсифікованої ультразвукової обробки

Підвищений тиск збільшує інтенсивність кавітації
Ключовою перевагою технології Hielscher є використання проточних реакторів із комірками, що працюють під тиском. Тиск чинить сильний вплив на поведінку кавітації. Під підвищеним тиском кавітація стає більш інтенсивною та ефективнішою, що є особливо цінним для складних дисперсій та безперервної мікробної інактивації.

Проточні комірки, що працюють під тиском, підтримують:

• інтенсифіковану ультразвукову обробку
• ефективніше дезагломерування
• покращену ефективність процесу

Для промислових заводів з виробництва покриттів це означає, що ультразвукову обробку можна налаштувати не лише для перевірки можливості в лабораторних масштабах, а й для реального виробничого потоку та вимог до продукту.

Інлайн-обробка для безперервного виробництва

Ультразвукову обробку можна інтегрувати безпосередньо у виробничу лінію
Ультразвукові системи Hielscher надзвичайно підходять для інлайн-обробки. Це дозволяє обробляти водорозчинні покриття безперервно під час їх проходження через виробничу систему. Інлайн-ультразвукова обробка добре вписується в промислове виробництво, оскільки уникає зайвої роботи з партіями та може бути інтегрована в контури передачі, системи рециркуляції або виділені технологічні лінії.

Інлайн-обробка пропонує чіткі експлуатаційні переваги:

• безперервна обробка за визначених умов
• легка інтеграція в існуючі заводи
• зменшення ручного обслуговування
• покращена ефективність та стабільність процесу

Для виробників покриттів це робить ультразвукову обробку практичною виробничою технологією.

TiO2, висушений розпиленням, до та після ультразвукового млину

Лінійна масштабованість від лабораторного до промислового виробництва

Параметри процесу можна надійно переносити між масштабами
Масштабування є критичним питанням у розробці процесів. Ультразвукові системи Hielscher розроблені для лінійної масштабованості, що означає, що умови процесу, встановлені на лабораторному або пілотному етапі, можна систематично перенести на промислове виробництво.
Це особливо важливо для компаній, які розробляють інноваційні покриття з низьким вмістом біоцидів, оскільки це знижує ризики під час впровадження та допомагає прискорити комерціалізацію.

Переваги лінійної масштабованості включають:

• спрощену розробку процесу
• надійний перехід від R&D до виробництва
• передбачувану продуктивність при більшому потоці
• меншу невизначеність при масштабуванні

Легке очищення та гігієнічний дизайн процесу

Можливість очищення має значення, коли метою є мікробна стабільність
Якщо контроль мікробів є ключовою метою процесу, гігієна обладнання стає ще важливішою. Ультразвукові системи Hielscher розроблені для практичного промислового очищення та простої інтеграції в гігієнічні середовища процесу.

Легке очищення допомагає виробникам:

• зменшити ризики забруднення в обладнанні
• зупинити мікробне зростання
• скоротити зусилля з очищення та обслуговування
• покращити надійність процесу протягом повторюваних виробничих циклів

У водорозчинних покриттях, де забруднення може зберігатися в резервуарах, мертвих зонах та системах передачі, легко очищуване ультразвукове обладнання безпосередньо сприяє стабільності продукту та експлуатаційній надійності.

Ультразвуково оброблена крейда на гріндометрі демонструє ідеально однорідне дезагломерування та розподіл частинок за розміром пігментів

Відтворювані результати для промислового контролю якості

Стабільність є необхідною для виробників покриттів
Промислове виробництво фарб вимагає високо відтворюваних результатів процесу. Оптичні властивості, реологія, термін придатності та мікробіологічна стабільність повинні залишатися стабільними від партії до партії та протягом тривалих періодів виробництва.

Ультразвукові системи Hielscher забезпечують відтворювані ультразвукові умови, які підтримують:

• однорідну дисперсію пігментів
• стабільне зменшення розміру частинок
• послідовну мікробну обробку
• надійну якість продукту протягом виробничих циклів

Ця відтворюваність є необхідною для валідації процесу, забезпечення якості та промислового впровадження ультразвукової технології.

Ультразвукова обробка як стратегічна технологія для сучасних водорозчинних покриттів

Індустрія покриттів рухається до формуляцій, які є більш сталими, мають менше небезпечних добавок і демонструють вищу ефективність. Ультразвукова обробка чудово відповідає цьому напрямку, оскільки одночасно вирішує дві основні виробничі проблеми: потребу в ефективному диспергуванні пігментів та потребу в мікробній стабільності.
Поєднуючи ці функції в одному технологічному етапі, ультразвукова обробка допомагає виробникам спрощувати виробництво, покращувати якість покриттів і зменшувати залежність від традиційних систем консервації. Це робить ультразвукову обробку надзвичайно привабливою для архітектурних фарб, промислових покриттів, функціональних дисперсій, чорнил і споріднених систем на водній основі.
Ультразвукові пристрої Hielscher забезпечують промислову платформу, необхідну для впровадження цієї стратегії на практиці. Їх точне керування, проточні комірки, що працюють під тиском, можливість інлайн-обробки, лінійна масштабованість, легке очищення та відтворювані результати роблять їх особливо придатними для виробництва фарб і покриттів.

Скористайтеся перевагами ультразвукового диспергування та стерилізації покриттів

Біоцид-вільна стерилізація та диспергування покриттів на водній основі за допомогою ультразвукової обробки є надзвичайно перспективним підходом для сучасного виробництва фарб. Ультразвукова обробка покращує диспергування пігментів, зменшує мікробне навантаження та сприяє більшій стабільності продукту в рамках одного інтегрованого процесу. Така комбінація особливо цінна в галузі, яка перебуває під зростаючим тиском щодо зменшення кількості консервантів при збереженні високої якості продукту та ефективності процесу.
Для виробників фарб і покриттів на водній основі ультразвукові пристрої Hielscher пропонують практичне та промислово перевірене рішення. Їхня керованість процесу, інлайн-інтеграція, інтенсифікована конструкція проточної комірки, масштабованість, гігієнічна можливість очищення та відтворювана ефективність роблять їх чудовим вибором для одночасного диспергування та стерилізації пігментів фарб.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну пропускну здатність наших ультразвукових пристроїв:

Проєктування, виробництво та консалтинг – Якість, зроблена в Німеччині

Ультразвукові пристрої Hielscher відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і простота експлуатації дозволяють легко інтегрувати наші ультразвукові пристрої в промислові об’єкти. Ультразвукові пристрої Hielscher легко витримують жорсткі умови та складне середовище.

Hielscher Ultrasonics – це компанія, сертифікована за ISO, яка приділяє особливу увагу високоефективним ультразвуковим пристроям, що мають передові технології та зручність у використанні. Звісно, ультразвукові пристрої Hielscher відповідають вимогам CE та вимогам UL, CSA і RoHs.

Література / Посилання

• 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.