Tiệt trùng và phân tán chất phủ gốc nước không dùng chất diệt sinh vật

Chất phủ gốc nước được sử dụng rộng rãi vì cho phép tạo ra các công thức có hàm lượng hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) thấp, thao tác an toàn hơn và sản xuất bền vững hơn. Đồng thời, hàm lượng nước khiến chúng rất dễ bị nhiễm vi sinh vật. Vi khuẩn, nấm men và nấm mốc có thể xâm nhập vào sản phẩm qua nguyên liệu thô, bồn chứa, đường ống, hệ thống chiết rót hoặc do tiếp xúc với môi trường xung quanh trong quá trình sản xuất và bảo quản. Một khi xảy ra nhiễm vi sinh vật, chúng có thể sinh sôi nhanh chóng và làm suy giảm cả chất lượng sản phẩm lẫn thời hạn sử dụng.
Đây là lý do độ ổn định vi sinh là một yếu tố chất lượng then chốt đối với sơn, chất phủ, mực in và hệ phân tán bột màu gốc nước.

Xử lý bằng siêu âm kết hợp phân tán bột màu và kiểm soát vi sinh vật trong một quy trình công nghiệp

Theo cách truyền thống, các nhà sản xuất dựa vào chất bảo quản và chất diệt sinh vật bảo quản trong thùng để kiểm soát sự hư hỏng. Tuy nhiên, áp lực ngày càng tăng từ các quy định và nhu cầu ngày càng cao về các công thức sạch hơn đang thúc đẩy việc tìm kiếm các giải pháp thay thế. Xử lý bằng siêu âm cường độ cao mang đến một giải pháp có hiệu quả cao bằng cách cho phép thực hiện đồng thời quá trình phân tán và tiệt trùng trong một bước xử lý.
Đối với các nhà sản xuất chất phủ, điều này có nghĩa là xử lý bằng siêu âm không chỉ là công nghệ phân tán. Đây còn là một công cụ xử lý mạnh mẽ để cải thiện độ ổn định vi sinh, đồng thời hỗ trợ các chiến lược xây dựng công thức ít hoặc không dùng chất diệt sinh vật.

Vì sao độ ổn định vi sinh có vai trò then chốt trong sản xuất sơn gốc nước công nghiệp

Nhiễm vi sinh vật ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và độ tin cậy của quy trình: Độ ổn định vi sinh của sơn có ý nghĩa rất lớn trong công nghiệp vì sự phát triển của vi sinh vật có thể gây ra hàng loạt lỗi sản phẩm và vấn đề trong sản xuất. Các công thức gốc nước thường chứa các thành phần hữu cơ như chất kết dính, chất phân tán, chất thấm ướt, chất làm đặc và chất phá bọt. Những thành phần này có thể tạo môi trường thuận lợi cho vi sinh vật phát triển nếu vi sinh vật xâm nhập trong quá trình xử lý hoặc bảo quản.

Trong thực tiễn công nghiệp, việc kiểm soát vi sinh vật không đầy đủ có thể dẫn đến:

• độ nhớt bị trôi và pH thay đổi
• sinh khí và phồng bao bì chứa
• mùi hôi và biến màu
• giảm độ ổn định khi bảo quản
• khuyết tật màng phủ và đặc tính thi công không nhất quán
• đối với bể sơn nhúng – tăng tần suất vệ sinh và thời gian ngừng hoạt động liên quan đến nhiễm vi sinh vật

Sự hư hỏng do vi sinh vật không chỉ làm hỏng sản phẩm. Nó còn có thể gây ra các vấn đề vệ sinh tái diễn trong bồn chứa, đường ống và vòng tuần hoàn, dẫn đến tổn thất sản xuất, phải xử lý lại, khiếu nại của khách hàng và chi phí thải bỏ. Vì lý do này, độ ổn định vi sinh không phải là một đặc tính thứ yếu. Đây là yêu cầu cốt lõi để chất phủ gốc nước thành công về mặt thương mại.

Cơ chế hoạt động của xử lý bằng siêu âm trong chất phủ gốc nước

Xâm thực âm tạo ra tác động cắt mạnh, qua đó phá vỡ vi sinh vật: Siêu âm công suất cao hoạt động thông qua hiện tượng xâm thực âm. Khi sóng siêu âm truyền qua chất lỏng, các bọt khí cực nhỏ hình thành, phát triển rồi sụp đổ. Những sự kiện xâm thực này tạo ra lực cắt, dòng chảy rối, biến đổi áp suất và các vi tia chất lỏng có tính cục bộ rất cao.
Trong chất phủ gốc nước, những hiệu ứng xâm thực này có giá trị vì chúng đồng thời tác động lên cả hạt và vi sinh vật. Các khối kết tụ bột màu được phá vỡ hiệu quả thành các hạt mịn hơn, trong khi tế bào vi sinh vật bị tổn thương cơ học và bị bất hoạt. Điều này khiến xử lý bằng siêu âm đặc biệt hấp dẫn đối với các công thức đòi hỏi cả chất lượng phân tán lẫn độ ổn định vi sinh.

Một bước xử lý thực hiện hai chức năng then chốt

Thay vì coi phân tán bột màu và kiểm soát vi sinh vật là các nhiệm vụ riêng biệt, xử lý bằng siêu âm kết hợp cả hai trong một công đoạn duy nhất. Tác dụng kép này mang lại lợi thế rõ rệt trong công nghiệp.

Cùng một nguồn năng lượng siêu âm dùng để phá vỡ các cụm kết tụ bột màu và phân tán hạt đồng đều cũng có thể làm giảm lượng vi sinh vật còn sống trong chất phủ. Nhờ đó, xử lý bằng siêu âm hỗ trợ:

• phân tán sắc tố mịn hơn và đồng đều hơn
• cải thiện cường độ màu và tính đồng nhất về quang học
• giảm nhiễm vi sinh vật trong quá trình xử lý
• cải thiện độ ổn định khi bảo quản của các sản phẩm gốc nước
• giảm sự phụ thuộc vào chất bảo quản và chất diệt sinh vật dùng để bảo quản trong thùng chứa

Điều này khiến xử lý siêu âm có vai trò rất quan trọng trong việc phát triển các hệ sơn phủ bền vững hơn và có nhãn thành phần sạch hơn.
 

Silic đioxit được phân tán bằng siêu âm: đường cong màu đỏ – chưa xử lý; đường cong màu xanh lá: sau khi phân tán bằng siêu âm

Ưu điểm của việc phân tán và tiệt trùng đồng thời sắc tố sơn

1. Chất lượng phân tán tốt hơn giúp cải thiện tính năng của lớp phủ
   Sắc tố và chất độn thường tạo thành các khối kết tụ khó phá vỡ khi năng lượng cơ học không đủ. Xử lý siêu âm tạo ra tác động cắt mạnh và có mục tiêu, nhờ đó đạt hiệu quả cao trong việc phá kết tụ và giảm kích thước hạt. Hệ phân tán mịn hơn có thể cải thiện một số đặc tính của lớp phủ thành phẩm, bao gồm khả năng phát triển màu, độ che phủ, độ bóng và độ ổn định lâu dài.
2. Tiệt trùng đồng thời hỗ trợ giảm sử dụng chất diệt sinh vật
   Đồng thời, hiện tượng xâm thực siêu âm có thể làm tổn thương các tế bào vi sinh vật có trong pha lỏng. Điều này làm giảm nhiễm vi sinh vật trong dòng sản phẩm và giúp cải thiện độ ổn định vi sinh mà không phụ thuộc hoàn toàn vào biện pháp bảo quản bằng hóa chất. Đối với các nhà sản xuất hướng tới các hệ sử dụng ít hoặc không sử dụng chất diệt sinh vật, đây là một lợi thế đáng kể về quy trình.
3. Tăng cường quá trình giúp giảm độ phức tạp
   Kết hợp hai mục tiêu chính của quy trình trong một bước xử lý trực tiếp trên đường ống giúp đơn giản hóa sản xuất. Thay vì bổ sung các công đoạn xử lý riêng biệt để phân tán và kiểm soát vi sinh vật, các nhà sản xuất sơn phủ có thể tích hợp cả hai vào một quy trình xử lý siêu âm được kiểm soát. Điều này giảm thao tác, hỗ trợ sản xuất sạch hơn và cải thiện khả năng tái lập kết quả.

Vì sao quy trình xử lý không sử dụng chất diệt sinh vật ngày càng quan trọng

Các yêu cầu về quy định, môi trường và thị trường đang định hình lại chiến lược xây dựng công thức
Sự chuyển dịch sang các loại sơn phủ sử dụng ít hoặc không sử dụng chất diệt sinh vật được thúc đẩy bởi nhiều yếu tố trong ngành. Các khuôn khổ pháp lý ngày càng nghiêm ngặt, kỳ vọng về môi trường ngày càng cao và khách hàng đang yêu cầu những sản phẩm an toàn hơn, bền vững hơn với ít chất đáng quan ngại hơn.
Trong bối cảnh này, các công nghệ xử lý vật lý ngày càng có ý nghĩa chiến lược. Xử lý siêu âm đặc biệt hấp dẫn vì công nghệ này không đơn thuần thay thế một phụ gia bằng một phụ gia khác. Công nghệ này đưa vào một nguyên lý xử lý không dùng hóa chất, cải thiện cả khả năng phân tán lẫn độ ổn định vi sinh thông qua năng lượng cơ học.

Đối với các chuyên gia xây dựng công thức và nhà quản lý sản xuất, điều này mang lại một số lợi ích:

• hỗ trợ các ý tưởng sản phẩm bền vững hơn
• giảm sự phụ thuộc vào các chất bảo quản thông thường
• cải thiện vệ sinh quy trình
• nâng cao vị thế của các loại sơn phủ gốc nước thế hệ tiếp theo

Vì sao máy siêu âm Hielscher là giải pháp tốt nhất cho sản xuất sơn phủ công nghiệp

Kiểm soát chính xác để có điều kiện xử lý có thể tái lập

Máy siêu âm Hielscher được thiết kế để kiểm soát quy trình công nghiệp. Trong sản xuất sơn phủ, việc kiểm soát chính xác các thông số xử lý siêu âm là thiết yếu vì đặc tính của công thức phụ thuộc vào loại sắc tố, hàm lượng chất rắn, độ nhớt, nhiệt độ, lưu lượng và cường độ xử lý.

Các hệ thống Hielscher cho phép điều chỉnh chính xác các thông số quan trọng của quy trình như:

• biên độ
• áp suất
• lưu lượng / thời gian lưu
• nhiệt độ
• năng lượng đầu vào

Độ chính xác này cho phép các nhà sản xuất tối ưu hóa quá trình phân tán sắc tố, cải thiện chất lượng công thức và đạt được mức giảm vi sinh vật có thể tái lập.

Ảnh SEM của tế bào sinh dưỡng B. subtilis trước (a) và sau khi chiếu siêu âm trong 30 min (b), (c).
Nghiên cứu và hình ảnh: © Hashimoto et al., 2020

Buồng dòng chảy có thể tăng áp để tăng cường xử lý siêu âm

Áp suất cao hơn làm tăng cường độ xâm thực
Một ưu điểm chính của công nghệ Hielscher là sử dụng các thiết bị phản ứng dạng buồng dòng chảy có thể tăng áp. Áp suất ảnh hưởng mạnh đến đặc tính xâm thực. Dưới áp suất cao, hiện tượng xâm thực trở nên mạnh hơn và hiệu quả hơn, điều này đặc biệt có giá trị đối với các hệ phân tán đòi hỏi cao và quá trình bất hoạt vi sinh vật liên tục.

Các buồng dòng chảy có thể tăng áp hỗ trợ:

• tăng cường xử lý bằng siêu âm
• phá kết tụ hiệu quả hơn
• cải thiện hiệu suất quy trình

Đối với các nhà máy sản xuất lớp phủ công nghiệp, điều này có nghĩa là quá trình xử lý bằng siêu âm có thể được điều chỉnh không chỉ để đáp ứng tính khả thi ở quy mô phòng thí nghiệm mà còn để đáp ứng năng suất xử lý thực tế trong sản xuất và các yêu cầu đối với sản phẩm.

Xử lý trực tiếp trên dây chuyền cho sản xuất liên tục

Quá trình xử lý bằng siêu âm có thể được tích hợp trực tiếp vào dây chuyền sản xuất
Các thiết bị siêu âm Hielscher rất phù hợp để xử lý trực tiếp trên dây chuyền. Điều này cho phép xử lý liên tục các lớp phủ gốc nước khi chúng đi qua hệ thống sản xuất. Xử lý bằng siêu âm trực tiếp trên dây chuyền rất phù hợp với sản xuất công nghiệp vì giúp tránh các thao tác theo mẻ không cần thiết và có thể được tích hợp vào các vòng chuyển liệu, hệ thống tuần hoàn hoặc dây chuyền xử lý chuyên dụng.

Xử lý trực tiếp trên dây chuyền mang lại những ưu điểm rõ rệt về vận hành:

• xử lý liên tục trong các điều kiện xác định
• dễ dàng tích hợp vào các nhà máy hiện có
• giảm thao tác thủ công
• cải thiện hiệu suất và tính nhất quán của quy trình

Đối với các nhà sản xuất lớp phủ, điều này giúp xử lý bằng siêu âm trở thành một công nghệ sản xuất thiết thực.

TiO2 sấy phun trước và sau khi nghiền bằng siêu âm

Khả năng mở rộng quy mô tuyến tính từ phòng thí nghiệm đến sản xuất công nghiệp

Các thông số quy trình có thể được chuyển giao một cách tin cậy giữa các quy mô
Mở rộng quy mô là một vấn đề then chốt trong phát triển quy trình. Các hệ thống siêu âm Hielscher được thiết kế với khả năng mở rộng quy mô tuyến tính, nghĩa là các điều kiện quy trình được thiết lập ở quy mô phòng thí nghiệm hoặc thí điểm có thể được áp dụng một cách có hệ thống vào sản xuất công nghiệp.
Điều này đặc biệt quan trọng đối với các công ty phát triển lớp phủ cải tiến có hàm lượng chất diệt sinh vật thấp, vì giúp giảm rủi ro trong quá trình triển khai và đẩy nhanh thương mại hóa.

Những ưu điểm của khả năng mở rộng quy mô tuyến tính bao gồm:

• phát triển quy trình dễ dàng hơn
• chuyển giao tin cậy từ nghiên cứu và phát triển sang sản xuất
• hiệu năng có thể dự đoán ở năng suất xử lý cao hơn
• giảm mức độ bất định khi mở rộng quy mô

Dễ vệ sinh và thiết kế quy trình bảo đảm vệ sinh

Khả năng vệ sinh có ý nghĩa quan trọng khi mục tiêu là độ ổn định vi sinh
Nếu kiểm soát vi sinh vật là mục tiêu chính của quy trình, vệ sinh thiết bị càng trở nên quan trọng. Các thiết bị siêu âm Hielscher được thiết kế để thuận tiện cho việc vệ sinh trong công nghiệp và dễ dàng tích hợp vào môi trường quy trình bảo đảm vệ sinh.

Việc vệ sinh dễ dàng giúp các nhà sản xuất:

• giảm nguy cơ nhiễm bẩn trong thiết bị
• ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật
• rút ngắn công việc vệ sinh và bảo trì
• cải thiện độ tin cậy của quy trình qua các chu kỳ sản xuất lặp lại

Trong các lớp phủ gốc nước, nơi tình trạng nhiễm bẩn có thể tồn tại dai dẳng trong bồn chứa, vùng chết và hệ thống chuyển liệu, thiết bị siêu âm dễ vệ sinh góp phần trực tiếp vào độ ổn định của sản phẩm và tính vững chắc trong vận hành.

Sơn phấn được xử lý bằng siêu âm trên thước đo độ mịn cho thấy sự phá kết tụ và phân bố kích thước hạt hoàn toàn đồng đều của các hạt sắc tố

Kết quả có tính tái lập để bảo đảm chất lượng công nghiệp

Tính nhất quán là yếu tố thiết yếu đối với các nhà sản xuất lớp phủ
Sản xuất sơn công nghiệp đòi hỏi kết quả quy trình có tính tái lập cao. Các tính chất quang học, tính lưu biến, thời hạn bảo quản và độ ổn định vi sinh phải duy trì nhất quán giữa các mẻ và trong suốt thời gian sản xuất dài.

Các thiết bị siêu âm Hielscher cung cấp các điều kiện siêu âm có tính tái lập, hỗ trợ:

• phân tán sắc tố đồng đều
• giảm kích thước hạt ổn định
• xử lý vi sinh vật nhất quán
• chất lượng sản phẩm đáng tin cậy qua các đợt sản xuất

Tính tái lập này là yếu tố thiết yếu để thẩm định quy trình, bảo đảm chất lượng và ứng dụng công nghệ siêu âm trong công nghiệp.

Xử lý bằng siêu âm như một công nghệ chiến lược cho các lớp phủ gốc nước hiện đại

Ngành sơn phủ đang hướng tới các công thức bền vững hơn, chứa ít phụ gia nguy hại hơn và có tính năng ổn định hơn. Xử lý siêu âm đặc biệt phù hợp với định hướng này vì giải quyết đồng thời hai thách thức lớn trong sản xuất: nhu cầu phân tán sắc tố hiệu quả và nhu cầu duy trì độ ổn định vi sinh.
Bằng cách kết hợp các chức năng này trong một bước xử lý, siêu âm giúp các nhà sản xuất đơn giản hóa quy trình sản xuất, cải thiện chất lượng lớp phủ và giảm sự phụ thuộc vào các hệ bảo quản thông thường. Điều này khiến xử lý siêu âm trở nên rất hấp dẫn đối với sơn kiến trúc, lớp phủ công nghiệp, hệ phân tán chức năng, mực in và các hệ gốc nước liên quan.
Các thiết bị siêu âm Hielscher cung cấp nền tảng công nghiệp cần thiết để triển khai chiến lược này trong thực tế. Khả năng kiểm soát chính xác, buồng dòng chảy có thể tăng áp, khả năng xử lý trực tiếp trên dây chuyền, khả năng mở rộng quy mô tuyến tính, khả năng vệ sinh dễ dàng và kết quả có độ tái lập cao khiến các thiết bị này đặc biệt phù hợp cho sản xuất sơn và lớp phủ.

Tận dụng lợi ích của phân tán và tiệt trùng sơn phủ bằng siêu âm

Tiệt trùng và phân tán sơn phủ gốc nước bằng siêu âm mà không dùng chất diệt sinh vật là một phương pháp rất triển vọng cho sản xuất sơn hiện đại. Xử lý siêu âm cải thiện sự phân tán sắc tố, giảm tải lượng vi sinh vật và hỗ trợ tăng độ ổn định của sản phẩm trong một quy trình tích hợp. Sự kết hợp này đặc biệt có giá trị trong một ngành đang chịu áp lực ngày càng tăng về việc giảm chất bảo quản trong khi vẫn duy trì chất lượng sản phẩm và hiệu quả quy trình ở mức cao.
Đối với các nhà sản xuất sơn và lớp phủ gốc nước, thiết bị siêu âm Hielscher mang đến một giải pháp thiết thực đã được kiểm chứng trong công nghiệp. Khả năng kiểm soát quy trình, tích hợp trực tiếp vào dây chuyền, thiết kế buồng dòng chảy giúp tăng cường xử lý, khả năng mở rộng quy mô, khả năng làm sạch đáp ứng yêu cầu vệ sinh và hiệu năng có độ tái lập cao khiến các thiết bị này trở thành lựa chọn tuyệt vời để đồng thời phân tán và tiệt trùng sắc tố sơn.

Bảng dưới đây cho biết công suất xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:

Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng sản xuất tại Đức

Các thiết bị siêu âm Hielscher nổi tiếng với các tiêu chuẩn cao nhất về chất lượng và thiết kế. Độ bền và khả năng vận hành dễ dàng cho phép tích hợp thuận lợi các thiết bị siêu âm của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Các thiết bị siêu âm Hielscher dễ dàng đáp ứng những điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi cao.

Hielscher Ultrasonics là công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng đến các thiết bị siêu âm hiệu năng cao có công nghệ tiên tiến nhất và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, các thiết bị siêu âm Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• 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.