| Popis: |
Indvendige overflader af industrielt procesudstyr til fødevarer er ofte forsynet med en belægning for at give overfladerne særlige egenskaber med hensyn til vedhæftning og rengørlighed. Eksisterende belægningsmaterialer (PTFE (Teflon ®) eller silikonebaserede polymerer) har imidlertid nogle ulemper, når de anvendes til kontaktstegning, da disse belægninger ikke er mekanisk stabile, de tolererer ikke temperaturer, der altid er høje nok (over 260ºC) til at frembringe den rette produktkvalitet, og overfladerne slides nemt, hvilket kræver regelmæssig service af udstyret. Nærværende projekt omhandler en undersøgelse af mulighederne for erstatning af den udbredt anvendte PTFE belægning med nye løsninger på overfladebehandlinger til kontaktstegningsprocesser, hvor maden steges ved kontakt med en varm overflade (pandestegning, wokstegning). Hovedformålet med indeværende arbejde er at udvikle egnede, videnskabeligt baserede metoder til udvælgelse og afprøvning af forskellige overfladematerialer til brug ved kontaktstegningsprocesser. Overfladerne, som blev valgt til dette formål, dækker et bredt spektrum af materialer, der spænder fra hydrofobe til hydrofile materialer. De forskellige undersøgte materialer omfatter rustfrit stål (reference), aluminium (Al Mg 5754), PTFE (polytetrafluorethylen), silikone, quasikrystallinske legeringer (Al, Fe, Cr) og keramiske belægninger: zirconium oxid (ZrO2), zirconium nitrid (ZrN) og titan aluminium nitrid (TiAlN) med to forskellige grader af overfladeruhed. For at kunne undersøge de forskellige overfladers non-stick egenskaber såvel som rengørlighed blev der konstrueret en forsøgsopstilling, som gjorde det muligt at skabe en kontrolleret tilsmudsning af de forskellige belægninger på stål- og aluminiumsubstrater under realistiske stegningsbetingelser. Der blev anvendt en subjektiv bedømmelsesprocedure til screeningen af de forskellige overflader i henhold til deres non-stick egenskaber, når de anvendes til stegning af en model pandekage. For at kunne validere den subjektive vurdering ved hjælp af en objektiv metode, blev der udviklet en teknik til at måle vedhæftningskraften mellem pandekagen og de forskellige overflader; en god korrelation blev opnået mellem den subjektive og den objektive metode op til en begrænsende vedhæftningskraft. Ved mekanisk påvirkning over denne grænseværdi ødelagdes pandekagen ved et indre brud. Forskelle i de forskellige keramiske overfladers non-stick egenskaber kunne overvejende forklares med forskelle i overfladetopografien. Grænsefladekontakten mellem pandekagen og stegeoverfladen var lavere for en ru overflade end for en glat overflade, og dermed resulterede en ru overflade i en betydeligt mindre fastklæbende overflade end en glat (elektro-poleret) overflade. Relevansen af at bruge en ovn til at påvise de forskellige overfladers non-stick- og rengøringsegenskaber ved kontaktstegningsprocesser blev også undersøgt, og vores resultater viste, at det ikke er realistisk at afprøve non-stick egenskaber ved kontaktstegningsprocesser ved hjælp af en konvektionsovn, hvilket ellers er en fast praksis i industrien. De forskellige overflader blev analyseret for deres rengørlighed ved at udføre kontaktstegningseksperimenter med forskellige fødevarer, her kalkunkød, gulerødder og søde kartofler ved forskellige temperaturer med og uden brug af olie; de forskellige overflader blev rengjort med en kombination af kemisk og mekanisk rensning, og overfladerne blev subjektivt vurderet for deres rengørlighed. Resultaterne viste, at rengørligheden for de forskellige overflader blev kraftigt reduceret ved brug af olie, især ved høje temperaturer. De forskellige overflader blev genbrugt efter hvert stegeforsøg, og efter afslutningen af hele serien af forsøg blev de rengjort og analyseret ved hjælp af scanning elektronmikroskopi (SEM) for at inspicere deres rengørlighed. Energy dispersive spectroscopy (EDS) blev anvendt til at belyse forskellen i koncentrationerne af forskellige grundstoffer mellem de forskellige overfladers plettede og uplettede steder, som var synlige i SEM. I de fleste af overfladerne blev kulstofholdige rester tilbageholdt i overfladefejl, riller og ridser, hvilket bekræftede at mekanisk sammenlåsning (mechanical interlocking) har stor betydning for rengørligheden. Der blev foretaget målinger af kontaktvinkler af vegetabilsk olie på forskellige overflader ved forskellige temperaturer for at studere sammenhængen mellem befugtningsevne og rengørlighed. De målte kontaktvinkelværdier gav brugbare oplysninger til at gruppere og adskille de rengøringsvenlige polymermaterialer fra de andre materialer; for sidstnævnte gruppe var der imidlertid ingen direkte korrelation mellem kontaktvinkel og renseevne. Undersøgelsen af forskellige faktorer, der er forbundet med befugtningsevnen, viste, at foruden karakteren af overfladematerialet spiller også overfladedefekter og overfladeruhed en væsentlig rolle. Belægningernes slidstyrke blev testet ved at udføre slibeafprøvninger med måling af massetabet. De keramiske belægninger: TiAlN og ZrN viste sig at have de bedste slidstyrkeegenskaber. Eksperimenterne afslørede også dårlige slidstyrker for rustfrit stål, aluminium, PTFE, silikone, zirconiumoxid og quasikrystallinske overflader. Den viden, man har opnået gennem dette projektforløb, samt de metoder der er blevet udviklet til systematisk at teste og evaluere overflader for deres non-stick evner og rengøringsevner, har givet et bedre grundlag for valg og afprøvning af nye overflader til kontaktstegningsprocesser. Inner surfaces of industrial process equipment for food are often coated to give the surfaces particular properties with respect to adhesion and cleanability. Existing coating materials (PTFE (Teflon®) or silicone based polymers) suffer from drawbacks when used in contact frying, because these coatings are not mechanically stable, they do not tolerate high enough temperatures (above 260⁰ C) to give the right product quality, and the surfaces wear easily calling for regular service of the equipment. The present project concerns an investigation of the possibilities of replacing the widely used non-stick PTFE coating with new surface coating solutions for contact frying processes, where the food is fried by contact with a hot surface (pan frying, stir frying). The main objective of the present work is to develop suitable, scientifically based methods for selecting and testing different surface materials for contact frying processes. The surfaces selected for this purpose cover a wide spectrum of materials that range from hydrophobic to hydrophilic materials. The different surface materials investigated include stainless steel (reference), aluminium (Al Mg 5754), PTFE (polytetrafluoroethylene), silicone, quasicrystalline alloys (Al, Fe, Cr) and ceramic coatings: zirconium oxide (ZrO2), zirconium nitride (ZrN) and titanium aluminium nitride (TiAlN) with two different levels of smoothness. In order to investigate the non-stick and cleaning properties of different surfaces, an experimental rig has been constructed which enabled a controlled fouling of different coatings on steel and aluminium substrates under realistic frying conditions. A subjective rating procedure was employed for screening different surfaces according to their non-stick properties when used for frying of a model pancake. In order to validate the subjective assessment by means of an objective method, a technique has been developed to measure the force of adhesion between the pancake and the different surfaces; a good correlation was obtained between the subjective and the objective method up to a limiting force of adhesion. Above that the pancake disintegrated by cohesive failure. Differences in the non-stick properties of different ceramic surfaces could mostly be explained by differences in the surface topography. The interfacial contact between the pancake and the frying surface was lower for a rough surface than a smooth surface; thus, a rough surface resulted in significantly less sticking than a smooth (electro-polished) surface. The relevance of using an oven to demonstrate the non-stick and cleaning properties of different surfaces for contact frying processes was also examined, and our results demonstrated that it is not realistic to test non-stick properties for contact frying processes by using a convective oven, as seems to be an established practice in industry. The different surfaces were analyzed for their cleaning properties by performing contact frying experiments with different foods, i.e. turkey meat, carrots and sweet potatoes at different temperatures with and without the use of oil; the different surfaces were cleaned by a combination of chemical and mechanical cleaning and the surfaces were subjectively rated for their cleanability. The results revealed that the cleanability of different surfaces was significantly reduced by the use of oil, especially at high temperatures. The different surfaces were re-used after each frying experiment, and after completion of the whole set of experiments they were cleaned and analyzed in scanning electron microscopy (SEM) in order to inspect their cleanability. Energy dispersive spectroscopy (EDS) was employed to elucidate the difference in elemental composition between stained and unstained spots in different surfaces that were clearly visible using SEM. In most of the surfaces, surface defects, grooves and scratches retained more carbon-containing residues confirming the significance of mechanical interlocking phenomenon on cleanability issues. Contact angle measurements were carried out with vegetable oil on different surfaces at different temperatures in order to study the relation between wettability and cleanability. The measured contact angle values gave useful information for grouping easy-clean polymer materials from the other materials; for the latter group, there is no direct relation between contact angle and cleanability, however. The study of different factors associated with wettability revealed that in addition to nature of the surface material, surface defects and surface roughness play a significant role. The wear resistance of the coatings was tested by performing abrasive wear experiments. The ceramic coatings: TiAlN and ZrN were found to show the best wear resistance properties. The experiments also revealed the poor wear resistance of stainless steel, aluminium, PTFE, silicone, zirconium oxide and quasicrystalline surfaces. The knowledge gained in this project and the methods developed to systematically test and evaluate surfaces for their non-stick and cleaning properties provide an improved basis for selecting and testing new surfaces for contact frying processes. |
