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0 前言
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生产食用面条需将面粉、水等原料按一定比例混合调制成面团, 然后经多级压延辊压制成面带[1-3]。加水量是影响面条品质和生产过程的重要因素之一,通常高的加水量会导致面团粘性增加,发生面带严重缠绕压延辊而无法生产,低的加水量又会导致面条品质、口感等下降[4]。为防止面带黏附压延辊,当前国内面条加工企业多采用“降低加水量(加水量在30~35%)” 与“刮刀机械剥离” 法组合[5-6]的方案。此外,也有在压延辊表面制备Teflon涂层的研究[7],以此来提高制面加水量,但目前Teflon涂层的使用寿命仍不能满足需求。因此,研制一种可降低高加水量面带黏附能力的高可靠性的压延辊表面薄膜是十分必要的,这不但可以提升我国面食加工高端装备的性能,而且对于保障食用面条的品质具有重要的经济效益和社会效益。
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织构是采用激光处理器在材料表面形成具有一定几何形貌、尺寸和分布规律的图案[8-9]。利用织构能够有效增加流体的动压效应和捕获磨损颗粒、储油进行二次润滑的作用,可以有效提升材料的减摩、耐磨与抗黏附特性[10-11]。类金刚石(Diamondlike carbon,简称DLC)薄膜是一种碳原子之间以共价键键合的非晶态碳膜,主要含有sp 2、sp 3 两种杂化键,也具备高硬度、低摩擦、耐磨损、化学惰性等优点[12]。詹华等[13]、李振东等[14] 研究发现金属元素掺杂可以进一步降低DLC薄膜的内应力,提高薄膜与基体之间的结合力。金属掺杂的DLC薄膜在难加工材料切削刀具、机械摩擦副等关键部件上获得了广泛的应用。为降低高加水量面带在压延辊表面的黏附能力,本文结合织构处理和DLC薄膜的优良特性,优化了06Cr19Ni10合金表面织构化结构的参数,并采用离子源辅助非平衡磁控溅射的方法在优化后的织构结构表面制备织构化Cr-DLC薄膜,通过对表面形貌和表面能的测定分析,掌握了织构结构与织构化Cr-DLC薄膜对加水量55%面带的黏附性的影响规律。
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1 试验
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1.1 试样制备
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选用06Cr19Ni10合金为基材,采用平均功率为6.0W皮秒激光在25mm×25mm×1.6mm的试样块上制备凹坑型织构结构,表1为所制备的几种不同织构结构的参数。采用离子源辅助非平衡磁控溅射方法在优化的织构结构表面制备织构化Cr-DLC薄膜,制备工艺参数见表2。
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面带试样的制备方法:称取古船富强粉80g和面粉质量55%的软化水一次性加入和面机,搅拌15min调制成面团;密封熟化10min后用制面机将面团制成厚度为5mm的面带,随后用切刀将面带分割成100mm×30mm×5mm的条状,并转移至304托盘上;使用保鲜薄膜密封覆盖用作待测试样。
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1.2 表征与性能测试
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(1)面带黏附能力
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采用黏附测试装置评价面带在织构结构、织构化Cr-DLC薄膜表面的黏附能力。该装置主要由移动模块、力感模块、探头、载物台四部分组成。试验的主要参数为:接触时间2s,剥离速度0.1m/s,初始面带厚度为5mm,面带压缩深度2.5mm(初始面带厚度的50%)。每组测试三次,结果取其均值。图1为获得的黏附性能结果,该曲线反映了探头与面带接触、分离过程中黏附力、压力随时间的变化关系。
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图1 黏附测试曲线
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Fig.1 Typical curve of adhesion test
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通过测试获得黏附面积 S( N·s)、黏附力 Fs(N)、压力 Fp(N) 三个数据,由式(1)可得到单位面积的剥离能 ω( J/m 2)。用 ω 表征面带的黏附能力[15-16] :
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式中,ω(J/m 2)为单位面积剥离能;S(N·s)为黏附面积;V(m/s)为剥离速度;A(m 2)为探头面积。
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(2)表面形貌
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采用ZYGONexView三维白光干涉表面形貌仪观察06Cr19Ni10合金基材、织构结构、织构化DLC薄膜表面形貌,并测量表面粗糙度。
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(3)表面能分量
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图2 为平衡状态下液滴在固体表面示意图, γs 为固体表面张力,γL 为液体表面张力,γsL 为固-液界面张力,θ 为平衡状态下液滴接触角。测量液体接触角,并由式( 2) 计算表面能极性分量和色散分量[17-18]。
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图2 平衡状态下液滴在固体表面示意图
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Fig.2 Schematic diagram of a drop on a solid surface under equilibrium state
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式(2)中 、 分别为固体表面张力 的色散分量和极性分量,、 分别为液体表面张力 的色散分量和极性分量。因此,只需知道两种液体的 、 、 和液滴在材料表面的接触角 θ,通过式(2) 可求得 、;由式(3) 计算固体表面张力 。选用水、乙二醇作为测试液体,采用滴定法测量液滴在表面的接触角,两液体的 、、 值见表3,为降低液滴重量对精度的影响,液滴体积约为0.5 μL。每次测试5次,结果取其均值。
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2 结果与分析
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2.1 制备织构结构、织构化Cr-DLC薄膜后的表面形貌
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图3 为06Cr19Ni10合金、织构结构和织构化DLC薄膜表面的三维形貌。可见06Cr19Ni10合金基体表面光滑平坦,云图颜色均匀。在制备有织构结构和织构化Cr-DLC薄膜的表面可见规则的圆形凹坑,在凹坑内部和边缘有熔融物的堆积隆起,这是激光加工的热冲击效应引起的。由图3c可见,在织构结构表面制备Cr-DLC薄膜后,原本隆起的形貌特征得到了“推平”,分析认为这是薄膜制备过程中等离子体刻蚀前处理工艺的结构,2 μm的薄膜厚度也起到了“堆平”的效果。
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图3 06Cr19Ni10合金、织构结构和织构化DLC薄膜表面形貌
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Fig.3 Surface topography of 06Cr19Ni10alloy,texture structure and textured DLC film
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图4 为06Cr19Ni10合金、织构结构和织构化Cr-DLC薄膜表面的平均表面粗糙度 Ra( μm)。可见,06Cr19Ni10合金 Ra 数值最低,表面最光滑。制备织构结构的 Ra 显著增大, Ra 达到0.556 μm。在织构结构表面制备Cr-DLC薄膜后,样品的 Ra 有所降低,这可能是等离子体刻蚀前处理去除了表面金属氧化物,降低了基材 Ra 引起的。
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图4 06Cr19Ni10合金、织构和织构化Cr-DLC薄膜表面平均表面粗糙度
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Fig.4 Surface roughness of 06Cr19Ni10alloy, texture and textured Cr-DLC film
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2.2 织构结构参数对面带黏附性能的影响
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图5 为不同织构参数样品表面三维形貌图。云图显示表面均呈现了织构结构特征,其中M1形成的“碗口”型特征清晰可见;M2的“碗口”特征逐渐淡化, 底部特征不明显; M3的凹坑型特征明显消失。
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测试了面带在不同织构结构参数下的黏附能力。由图6可见,试样M2、M3的深度相同,间距分别为80 μm、58 μm,但面带在M2表面的黏附能力比M3降低7.7%;织构深度增大,面带黏附能力降低;三个试样中M1间距和深度参数皆为最大值,面带在其表面的黏附能力最弱,为186J/m 2,与M3(间距和深度皆最小)相比,黏附能力降低32.1%。由此表明,大间距和大深度的织构参数利于提高表面的抗黏附性能。
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图5 M1、M2和M3表面形貌
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Fig.5 Srface topography of M1,M2and M3
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2.3 织构化Cr-DLC薄膜对面带的黏附性能
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在M1试样表面制备Cr-DLC薄膜后,比较分析了含水量高达55%的面带在06Cr19Ni10合金表面和制备有织构结构、织构化Cr-DLC薄膜的黏附性能,结果如图7所示,面带的黏附能力依次降低。在06Cr19Ni10合金表面的黏附能力为309J/m 2,在织构化处理的06Cr19Ni10合金表面黏附能力为186J/m 2,相比合金基体表面的降低了39.8%;在织构化Cr-DLC薄膜表面的黏附能力为98J/m 2,相比合金基体表面的降低了68.3%。可见织构化Cr-DLC薄膜具有最优的抗黏附性,制备的织构结构和Cr-DLC薄膜对降低面带黏附能力具有协同效应。
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2.4 关于面带黏附能力与表面能分量关系的讨论
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为研究分析面带黏附能力变化的影响因素,对06Cr19Ni10合金基材、织构结构、织构化Cr-DLC薄膜的表面能分量进行了综合分析。
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如图8所示,06Cr19Ni10合金、织构结构和织构化Cr-DLC薄膜表面能极性分量 分别为21.51、 8.42、 1.81mN/m; 色散分量 分别为11.01、 23.42、63.95mN/m;色散分量与极性分量的差值 Δγ(即 Δγ=-)有增大的趋势。、 值的变化与DLC薄膜的表面组分和价键结构有关,制备的Cr-DLC薄膜降低了表面金属键的比例,取而代之的是C=Csp 2 与C=Csp 3 共存的共价键,表面悬挂键减少,降低了表面羟基团的形成机会,从而造成极性分量的降低[19]。
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如图9所示,面带黏附能力 ω 随 Δγ 的增大呈线性递减规律,即差值(-) 越大,面带的黏附能力越弱,接触表面的抗黏附功能增强。织构化Cr-DLC薄膜之所以具有最强的抗面带黏附能力,就是因为其 Δγ 在本文所制备的样品中最大。
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采用Origin软件进行数据分析,将 ω 和 Δγ 进行线性拟合, 可以得到 ω=267.56-2.88Δγ,R 2=-0.966,即如果在基体材料、面带试样等主要因素条件不变情况下, 为使面带不黏附, 需使 Δγ=92.80,即色散分量 =95.80、极性分量 =0,此时面带在其接触表面的理论黏附能力为0,这为后续织构化Cr-DLC薄膜的优化研究提供了方向。
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图6 织构参数对面带黏附能力的影响
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Fig.6 Effects of texture parameters on adhesion ability of the dough sheet
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图7 06Cr19Ni10合金、织构结构和织构化Cr-DLC薄膜表面的面带黏附能力
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Fig.7 Ahesion ability of the dough sheet on the surfaces of 06Cr19Ni10alloy、texture and textured Cr-DLC film
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还有研究认为,含水的面团是一种以C、H、O、N为主要元素的化合物,表面含有众多极性和非极性基团[20],尤其是经过调制后形成的面筋蛋白表现出双亲的性质,使得面团与接触表面选择性的发生电子交换[21],从而影响二者之间的分子间作用力,这与不同试样接触表面面带黏附能力存在差异的结果一致。
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图8 06Cr19Ni10合金、织构结构、织构化DLC薄膜 、 值
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Fig.8 、 of 06Cr19Ni10alloy,texture structure and textured Cr-DLC film
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图9 Δγ 与 ω 之间的变化规律
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Fig.9 Law between Δγ and ω
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3 结论
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在06Cr19Ni10合金基体上制备了织构结构和织构化Cr-DLC薄膜,并对表面的抗面带黏附性能、表面形貌、表面能分量特性进行了研究, 主结论如下。
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(1)织构结构的抗黏附能力随着织构间距和深度参数的增大而增强。在所制备的三组织构参数中,间距85 μm、深度5 μm的试样具有最优的抗黏附能力。
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(2)与06Cr19Ni10合金和织构结构相比,加水量55%的面带在织构化Cr-DLC薄膜表面的黏附能力最小。织构结构和Cr-DLC薄膜的协同作用提高了06Cr19Ni10合金表面的抗黏附性能。
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(3)面带在接触表面的黏附能力随着表面能色散分量与极性分量差值 Δγ 的增大呈线性规律递减。织构化Cr-DLC薄膜的 Δγ 值最大,面带在其表面的黏附能力最弱。
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摘要
研究在食品机械面带压延辊用 06Cr19Ni10 合金表面制备织构化铬掺杂类金刚石(Cr-DLC)薄膜对高加水量面带黏附性能的影响。 在 06Cr19Ni10 合金试样表面采用皮秒激光加工织构结构,并在优化的织构结构表面采用离子源辅助非平衡磁控溅射方法制备 Cr-DLC 薄膜;利用三维白光干涉表面形貌仪测试试样表面形貌和表面粗糙度;利用黏附测试平台分析加水量 55%的面带在织构化铬掺杂类金刚石(Cr-DLC)薄膜表面的黏附性能;利用滴定法测量试样表面水滴、乙二醇液滴的接触角并分析表面能。 结果表明,高含水量的面带在织构结构表面的黏附能力随着织构间距增大和深度增加而降低,间距 85 μm、深度 5 μm 的试样抗黏附能力最优,与 06Cr19Ni10 合金基体相比面带的黏附能力降低了 39. 8%;面带在织构化 Cr-DLC 薄膜表面的黏附能力为 98 J/ m 2 ,与 06Cr19Ni10 合金基体试样相比降低 68. 3%;面带在接触表面的黏附能力随着表面能色散分量与极性分量差值的增大呈线性递减规律。 分析认为,所制备的“碗口”型特征的织构结构、Cr-DLC 薄膜均具有降低表面能极性分量, 增大色散分量的作用;织构结构和 Cr-DLC 薄膜的协同作用提高了 06Cr19Ni10 合金试样表面的抗黏附性能。 针对高加水量 55%的面带,制备间距 85 μm、深度 5 μm 的织构化 Cr-DLC 薄膜具有最佳的抗黏附功能。
Abstract
Textured Cr-DLC film was prepared on the surface of 06Cr19Ni10 alloy and used to study the influence on the adhesion properties of the dough sheet with high water content. The 06Cr19Ni10 alloy was often used in the production of the rolling rollers in food machinery. Picosecond laser was used to fabricate texture on the surface of 06Cr19Ni10 alloy. Cr-DLC films were prepared on optimized texture structure surfaces in the method of ion source assisted unbalanced magnetron sputtering. Topography and roughness of the samples were tested by using white light interference scanning profiler. AADS(adhesion ability of the dough sheet)with 55% water addition on the surfaces of textured Cr-DLC films was analysed by adhesion tests. Contact Angles of water and ethylene glycol on the surfaces of the samples were measured and used to analyze the surface energy of the samples. Results show that AADS with high water content on the surfaces of the texture structures decreases with the increasement of the texture spacing and depth. The adhesion resistance of the sample with the spacing of 85 μm and the depth of 5 μm is the best. AADS on it’ s surface is reduced by 39. 8%, compared with the alloy surface. AADS on the surface of the textured Cr-DLC film is 98 J/ m 2 , which is reduced by 68. 3%, compared with the alloy surface. AADS decreases linearly with the increasement of the difference between dispersion component and the polar component of the surface energy. The analysis shows that the prepared bowl-type texture and Cr-DLC film both have the function of reducing the polarity component and increasing the dispersion component of surface energy. The synergistic effect of texture and Cr-DLC film improves the adhesion resistance of 06Cr19Ni10 alloy surface. The textured Cr-DLC film with spacing of 85 μm and depth of 5 μm prepared for the dough sheet with 55% water addition has the best adhesion resistance.
关键词
织构化 Cr-DLC 薄膜 ; 高含水量面带 ; 黏附性能