Công nghệ phun phủ kháng khuẩn siêu âm: nguyên lý, ứng dụng và triển vọng

Công nghệ phun phủ kháng khuẩn bằng sóng siêu âm: nguyên lý, ứng dụng và triển vọng

Với sự quan tâm ngày càng tăng đối với sức khỏe và an toàn trên toàn thế giới, công nghệ phủ kháng khuẩn ngày càng được sử dụng trong các lĩnh vực như y tế, bao bì thực phẩm, cơ sở công cộng, v.v. Công nghệ phun siêu âm, là một phương pháp chuẩn bị lớp phủ hiệu quả và đồng đều, được sử dụng rộng rãi trong việc chuẩn bị lớp phủ kháng khuẩn. Phun siêu âm là một phương pháp phun dựa trên công nghệ vòi phun nguyên tử hóa siêu âm. So với phun hai chất lỏng bằng khí nén truyền thống, phun nguyên tử hóa siêu âm có thể mang lại độ đồng đều cao hơn, độ dày lớp phủ mỏng hơn và độ chính xác cao hơn. Đồng thời, vì vòi phun siêu âm không cần hỗ trợ áp suất không khí để nguyên tử hóa, phun siêu âm có thể làm giảm đáng kể tình trạng bắn tung tóe sơn do quá trình phun, từ đó làm giảm đáng kể sự lãng phí sơn. Tỷ lệ sử dụng sơn của phun siêu âm cao hơn 4 lần so với phun hai chất lỏng truyền thống. Bài viết này sẽ giới thiệu về nguyên lý, ưu điểm, lĩnh vực ứng dụng và triển vọng phát triển trong tương lai của việc phun phủ kháng khuẩn bằng sóng siêu âm.

Vòi phun siêu âm là một vòi phun sử dụng rung động tần số cao do bộ chuyển đổi áp điện tạo ra để tác động lên đầu vòi phun, từ đó tạo ra sóng mao dẫn trong màng chất lỏng. Khi biên độ của sóng mao dẫn đạt đến một chiều cao tới hạn (do mức năng lượng do máy phát cung cấp), chúng trở nên quá cao để tự hỗ trợ, và những giọt nhỏ rơi ra từ đầu của mỗi sóng, dẫn đến nguyên tử hóa.

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến kích thước giọt ban đầu là tần số rung, sức căng bề mặt và độ nhớt của chất lỏng. Tần số thường nằm trong khoảng 20–180 kHz, nằm ngoài phạm vi nghe của con người và trong phạm vi này, tần số cao nhất tạo ra kích thước giọt nhỏ nhất.

Nguyên lý hoạt động của vòi phun siêu âm là sử dụng bộ chuyển đổi siêu âm để chuyển đổi sóng âm tần số cao thành năng lượng cơ học, sau đó được chuyển đổi thành chất lỏng để tạo ra sóng dừng. Khi chất lỏng rời khỏi bề mặt nguyên tử hóa của vòi phun, nó vỡ thành một sương mù mịn gồm các giọt có kích thước micron đồng đều. Không giống như các vòi phun truyền thống dựa vào áp suất và chuyển động tốc độ cao để phá vỡ chất lỏng thành các hạt nhỏ. Vòi phun siêu âm sử dụng nguyên tử hóa siêu âm chất lỏng và năng lượng rung siêu âm thấp. Chất lỏng có thể được đưa đến vòi phun bằng trọng lượng chết hoặc bơm chất lỏng áp suất thấp để nguyên tử hóa liên tục hoặc không liên tục.

So với các kỹ thuật phun truyền thống (chẳng hạn như phun khí và phun tĩnh điện), phun siêu âm có những ưu điểm sau:

Lớp phủ đồng đều: kích thước giọt nhỏ (10–50 μm), phân bố đồng đều hơn và ít lãng phí vật liệu hơn.
Hiệu quả cao và tiết kiệm năng lượng: không yêu cầu khí áp suất cao, tiêu thụ năng lượng thấp, thích hợp cho lớp phủ chính xác.
Áp dụng cho nhiều loại vật liệu: có thể phun các dung dịch có chứa các chất kháng khuẩn như nano bạc, titan dioxide và muối amoni bậc bốn.

Không tắc nghẽn vòi phun: không phun áp suất cao, giảm mài mòn và các vấn đề tắc nghẽn vòi phun.

Lớp phủ kháng khuẩn bằng phun siêu âm thường chứa các thành phần hoạt tính sau:
Nano bạc (AgNPs): kháng khuẩn phổ rộng, phá hủy màng tế bào vi khuẩn.
Titan dioxide (TiO₂): kháng khuẩn quang xúc tác, phân hủy chất hữu cơ dưới ánh sáng cực tím.
Muối amoni bậc bốn (QACs): tích điện dương, hấp thụ và phá hủy tế bào vi sinh vật.
Chitosan: chất kháng khuẩn tự nhiên có khả năng tương thích sinh học tốt.

Lĩnh vực ứng dụng
1. Thiết bị và dụng cụ y tế
Phun các lớp kháng khuẩn lên bề mặt dụng cụ phẫu thuật, ống thông, khẩu trang, v.v. để giảm nguy cơ nhiễm trùng bệnh viện.
Phủ các bộ phận cấy ghép chỉnh hình để ngăn ngừa nhiễm trùng do vi khuẩn sau phẫu thuật.
2. Bao bì thực phẩm
Phun các chất kháng khuẩn lên thành bên trong của màng bọc thực phẩm và hộp đựng để kéo dài thời hạn sử dụng của thực phẩm.
3. Cơ sở công cộng
Xử lý kháng khuẩn các bề mặt tiếp xúc tần suất cao như nút thang máy, tay nắm cửa và ghế giao thông công cộng.
4. Dệt may
Xử lý lớp phủ kháng khuẩn của quần áo bảo hộ y tế, tất kháng khuẩn và đồ thể thao.