Материал: Усовершенствованное антиадгезионное покрытие

Усовершенствованное антиадгезионное покрытие

Содержание

Введение

. Обзор и анализ литературных источников

.1 Антиадгезионные покрытия, применяемые в пищевой промышленности и их характеристики

.2 Теоретические исследования качества и параметров антиадгезионных покрытий

.3 Теории адгезии

.3.1 Адсорбционная теория

.3.2 Диффузионная теория адгезии

.3.3 Химическая теория адгезии

.3.4 Электрическая теория адгезии

.4 Смачивание

.4.1 Краевой угол

.4.2 Работа адгезии и когезии

.5 Светопропускание оксидов металла. Оптическая плотность

2. Объекты и методы исследования

2.1 Объекты исследования

.2 Методы исследования

.2.1 Методы очистки поверхности

.2.1.1 Мойка водой

.2.1.2 Обезжиривание поверхностей

.2.1.3 Обезвоживание поверхностей изделий

.2.2 Метод распыления пульверизатором из спиртовых растворов

.2.3 Метод растекающейся капли (лежачей)

.2.4 Метод прикреплённого пузыря (сидячая капля)

.2.5 Методика измерения оптической плотности

.2.6 Метод определения сопротивления ГОСТ 31770-2012

. Экспериментальные данные и их анализ

.1 Технология получения нанопокрытия

.2 Очитка субстрата (предметного стекла)

.3 Технология нанесения нанопокрытия

.3.1 Измерения краевого угла смачивания методом растекающейся капли

.3.2 Измерения краевого угла смачивания методом прикреплённого пузыря

.3.3 Измерение светопропускания покрытий оптическим методом

.3.4 Измерение сопротивления с помощью ВИК  ̶ УЭС

. Экономические расчеты

.1 Актуальность производства

.2 Конкуренты и аналоги

.3 Организация процесса производства

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Актуальность исследования. Главная проблема пищевых, стекольных и керамических предприятий является прилипание полуфабриката или загрязнителя к поверхности рабочей зоны оборудования и, как следствие, пригорание продукта, загрязнение стекла транспортного средства или поверхности керамической плитки. Это приводит к ухудшению вкусовых и технологических качеств продукта, ухудшению видимости дороги, росту микроорганизмов на поверхности керамической плитки. Для избегания данной проблемы необходимо уменьшить адгезионные свойства на поверхности контакта оборудования с продуктом или окружающей средой. Снижение или отсутствие адгезии приведёт к экономии продовольственных, трудовых, энергетических ресурсов и безопасности при вождении.

Для решения этой проблемы необходимо иметь разделяющий слой между контактным образцом и поверхностью оборудования.

В хлебопекарной отрасли на данном этапе для предотвращения прилипания и пригорания теста используют растительное масло. Формы смазываются растительным маслом непосредственно перед внесением теста. Данная методика имеет ряд недостатков:

. Большой расход необязательного сырья (растительного масла);

. Канцерогенность масла после нескольких циклов. При повышенных температурах происходит пиролиз жиров, продукты которого являются многоядерные ароматические соединения;

. Появление черного нагара. Данный нагар приводит к необходимости очистки формы. Методика очистки формы от нагара предусматривает прокалку формы в окислительной среде при температуре 400 °С в печах, которыми хлебокомбинаты не обладают.

Для понижения адгезионных свойств поверхность формы покрывают веществами на основе инертных полимеров с незначительным содержанием полярных функциональных групп, в частности, кремнийорганические соединения, фторопласты, пентапласты, порошковые полиолефины.

Данные покрытия имеют ряд недостатков, таких как:

. Прогорают при «холостом проходе» формы через печь. Это приводит к полному выходу покрытия из строя;

. Прогорание верхних частей покрытия, так как тесто не закрывает верхнюю часть формы;

. Разрушение покрытия при случайной обработке растительным маслом;

. Низкая механическая стойкость;

. Большая толщина от 5 мм.

Производители автомобильного стекла и керамической глазурованной плитки не занимались данным вопросом.

Для решения всех выше перечисленных недостатков было разработано покрытие с антиадгезионными свойствами и без токсического действия.

Объектом данного исследования является оксидное покрытие нестехиометрического состава, нанесенное на чашку Петри методом распыления пульверизатором спиртовых растворов солей тяжелых металлов. Новые антиадгезионные покрытия решают сразу несколько проблем в пищевой промышленности, таких как низкая термостойкость рабочей поверхности оборудования, канцерогенные свойства у налёта на формах, затраты денежных средств (не используется растительное масло).

Использование данных покрытий приведёт к экономии пищевых ресурсов, стабильно высокому качеству готового продукта, сокращению энергозатрат, упрощению обслуживания, улучшению санитарно-гигиенических условий труда. Предотвращение прилипания и пригорания приведет к увеличению срока службы оборудования.

Важнейшие эксплуатационные требования, которым должны удовлетворять антиадгезионные покрытия: низкая адгезия к продукту и высокая - к субстрату. Сохранение стабильности антиадгезионных и физико-механических свойств покрытий в течение всего срока службы оборудования, а также обеспечение защиты металлической основы оборудования от коррозионного разрушения под действием химически и биохимически активных сред в условиях высокой влажности производства.

Цель настоящего исследования: разработка и изучение на основе научных исследований усовершенствованного антиадгезионного покрытия, обладающего повышенными термическими и механическими свойствами, повышенной адгезией к подложке и отсутствием токсичности.

Задачи исследования:

. Разработать метод нанесения покрытия на стеклянную, керамическую и металлическую подложку;

. Выбрать составы для адгезионного покрытия, без токсического действия и экономически выгодным сырьём;

. Выбрать и разработать методы анализа антиадгезионных свойств покрытий;

. Определить электропроводящие свойства у данных покрытий;

. Измерить светопоглощение у данных типов покрытий;

. Проанализировать возможные бактерицидные свойства у антиадгезионных покрытий.

Методы исследования. Основу данного исследования составляют комплексный анализ и системный подход в изучении рассматриваемой темы. При проведении исследований и изложении материала были применены общенаучные методы: теоретико-методологический анализ литературных источников, эмпирические методы исследования в форме наблюдения, эксперимента, описание, измерения и сравнительно-сопоставительного анализа.

1. Обзор и анализ литературных источников

1.1 Антиадгезионные покрытия, применяемые в пищевой промышленности и их характеристики

В настоящее время широкое применение в промышленности получили кремнийорганические и фторорганические полимеры. Они являются термоустойчивыми покрытиями, инертны к органическим растворителям и имеют высокие антиадгезионные свойства. Кремнийорганические полимеры, высокомолекулярные соединения, содержащие атомы кремния и углерода в элементарном звене макромолекулы. Соединения, в составе которых есть вещества с органическими и неорганическими свойствами, называют силиконами. Недостатками кремнийорганических полимеров является низкая стойкость к пищевым кислотам, термостойкость, не превышающая 180-250 °С, и относительно непродолжительный срок службы. Преимуществами кремнийорганических полимеров являются простота и доступность производства [1].

Фторорганические полимеры состоят из кремния, титана, фтора и углерода. Данный состав обуславливает увеличение термоустойчивости до 200-250 °С и химической стойкости у органических полимеров. Химическая стойкость превышает даже некоторые благородные металлы. Кислоты и щелочи не оказывают воздействия на фторорганические полимеры даже при нагревании, плохо смачиваются водой. Данное вещество находится в порошкообразном состоянии и наносится на поверхность при высоких температурах до 400 °С. При малых размерах слоя становится канцерогенен и имеет высокую цену. При температуре выше 400 °С происходит разложение полимера и выделение газообразного фтора. При проходе пустой формы через печь происходит нагревание до 400 °С, что не позволяет использовать данное покрытие [2].

В настоящее время значительные успехи достигнуты в области синтеза термостойких полимеров, содержащих в своем составе атомы фтора и ароматические кольца. Однако указанные полимеры имеют заметную скорость разрушения при температуре 250 °С [2].

В качестве антиадгезионного покрытия используют тефлон, фторорганические соединения, фторопласт. Данный материал термостойкий до 260 °С, хороший изолятор (не проводит электричество), химически устойчив. Недостаток относительно большая толщина покрытия и относительно низкая прочность, что не соответствует хлебобулочному предприятию. На данном предприятии возможны внешние воздействия при выгрузке продукта из формы, что приведёт к разрушению покрытия [2].

Диорганосилоксановые полимеры тоже возможно использовать для придания поверхности антиадгезионных свойств. Основа этого вещества силоксановые группы и в процессе термоокислительной деструкции полимер превращается в нелетучую двуокись кремния [3]. Полидиметилсилоксан и его вулканизаты выдерживают длительный нагрев в воздухе до 250 °С, но выше этой температуры они начинают быстро окисляться. Температуру 300 °С полидиметилсилоксан выдерживает в течение очень незначительного времени [3].

Термостабильность можно повысить путем синтеза полидиорганосилоксанов, содержащих два элемента в основной цепи полимера [4].

Гетеросилоксаны обладают повышенной термостойкостью при 300-400 °С, особенно, когда их вулканизовали радиационным способом. Время старения таких полимеров при температуре 300 °С составляет 480-720 часов и быстро снижается до 1,5-2,0 часов при 400 °С [4].

Недостатком такого покрытия является высокая цена и скорость старения [4].

1.2 Теоретические исследования качества и параметров антиадгезионных покрытий

Адгезия  ̶ это связь между поверхностными слоями двух разнородных тел при касании, возникает на границе раздела фаз. Поверхность, к которому прилипает, называют субстратом или подложкой, а другое тело, которой прилипает, называю адгезивом [4].

Адгезия равна количеству работы совершённой при разделении адгезива и субстрата. Эта работа зависит от площади контакта и типа разъединения веществ: сдвигом вдоль поверхности или отрывом в направлении, перпендикулярном поверхности раздела фаз [5].

Различают шесть типов адгезии:

. Адгезия частиц;

. Адгезия жидкости;

. Адгезия упруго-вязких пластичных тел к твердой поверхности;

. Адгезия двух твёрдых тел;

. Адгезия пленок;

. Адгезия покрытий.

Адгезия твёрдых тел отличается от адгезии частиц и жидкости наличием у последних способности смачивать поверхность [6].

Адгезия пленок и покрытий  ̶ это работа, затраченная на отрыв при контакте твердой поверхности с пленкой [6].

Плёнка  ̶ это тонкий слой синтетического материала, наносимый на какую-нибудь поверхность или служащий покрытием для различных целей: упаковки, изоляции, придания декоративного вида и т.д. Покрытие  ̶ это тонкий слой, нанесённый на субстрат для придания определённых свойств или изоляции от окружающей среды [7].

Адгезионная прочность состоит из равновесной и неравновесной работы. Неравновесная часть отрыва зависит от толщины адгезива, состояния внешней среды, метода отрыва и материала субстрата [6]. Равновесная часть работы отрыва не зависит от условий отрыва, толщины адгезива и внешней среды [7].

Работа адгезии (А) между двух фаз можно представить следующей формулой: металлический адгезионный электропроводящий

(1.1)

где А ̶ характеризует работу, необходимую для разделения 1 м² поверхности раздела 12 на две поверхности раздела,

σ₁  ̶ поверхностное натяжение фазы 1, ;

σ₂  ̶ поверхностное натяжение фазы 2, ;

σ₁₂ - поверхностное натяжение поверхности раздела соприкасающихся фаз 1 и 2, .

В теории работа адгезии между двумя фазами очень велика, но на практике работа адгезии должна превышать работу когезии наименее прочного тела [7].

Работу адгезии (А_а) можно представить в общем виде:

(1.2)

где Ē  ̶ средняя энергия единичной связи, определяющая адгезию, Дж;

N ̶ количество связей на определённую единицу площади контакта адгезива с субстратом.

В настоящее время существует большое количество теорий адгезии. Наиболее распространённые: диффузионная, химическая, механическая, электрическая, релаксационная, адсорбционная [7].

Механическая теория адгезии основана на взаимодействии адгезива и субстрата. На поверхности субстрата имеются микропоры и трещинки, где закрепляется адгезив [7]. Сцепление зависит от количества пор и трещинок. Данная теория похожа на клеевое соединение и рассчитывается по следующей формуле:

(1.3)

где с  ̶ сила, необходимая для разрушения соединения, Н;

а  ̶ постоянный безразмерный коэффициент;

М  ̶ тип механического взаимодействия (пора или трещина);

S - площадь взаимодействия субстрата и адгезива,м².

Увеличение шероховатости поверхности приведёт к увеличению сцепления адгезива к субстрату [8].

1.3 Теории адгезии

1.3.1 Адсорбционная теория

Адсорбционная теория (называемая также адсорбционно-молекулярной, или молекулярной) рассматривает адгезию как результат проявления сил молекулярного взаимодействия между контактирующими молекулами адгезива и субстрата. Поэтому важно, чтобы адгезив и субстрат обладали полярными функциональными группами, способными к взаимодействию, как это следует из правила полярности. Высокая адгезия не может быть достигнута между полярным субстратом и неполярным адгезивом или между неполярным субстратом и полярным адгезивом [8].

1.3.2 Диффузионная теория адгезии

Роль взаимной или даже односторонней диффузии при образовании адгезионных соединений в некоторых случаях может оказаться весьма значительной. Диффузия  ̶ один из весьма эффективных способов достижения молекулярного контакта между адгезивом и субстратом. Чем глубже макромолекулы адгезива внедряются в субстрат, тем более благоприятны условия для реализации максимально возможного числа связей между молекулами адгезива и субстрата. Однако это не означает, что без диффузии макромолекул адгезива в субстрат нельзя достичь высокой адгезионной прочности. Но поскольку в реальных системах имеются факторы, снижающие величину адгезионной прочности, диффузия макромолекул адгезива в субстрат может оказаться весьма полезной. Если макромолекулы адгезива при образовании адгезионной связи продиффундируют в субстрат на значительную глубину, то суммарная величина межмолекулярных взаимодействий может превысить силы, необходимые для разрыва химических связей. Этот эффект связан с цепным строением молекул полимерных адгезивов [9].