Selection Criteria and Methods for Testing Different Surface Materials for Contact Frying Processes

摘要

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.