金属橡胶在巧克力奶过滤上的应用研究

董秀萍, 管佳佳, 项辉宇, 周小庄

(北京工商大学材料与机械工程学院,北京 100048)

摘 要:金属橡胶兼有金属和橡胶的双重性质,具有一系列优良特性.运用VHX-600超景深三维显微镜和HPCA-2便携式污染度检测仪等设备,选用不同结构参数的金属橡胶,对巧克力奶进行过滤研究.通过改变材料孔隙度、丝径和成型厚度3个因素,绘制出巧克力奶过滤前后污染度等级变化折线图.最后对折线图进行横向和纵向比较,总结出材料孔隙度的降低、丝径的减小以及厚度的增大均可提高材料的过滤性能.

关键词:金属橡胶;孔隙度;丝径;厚度;污染度等级

目前过滤器的过滤精度因滤材不同,应用方向(颗粒特性)不同,没有统一的国家标准和国际标准,因而现有的过滤装置种类繁多.如自来水厂一般采用沉降石英砂过滤;饮料工业采用PO、PE及尼龙单丝等滤袋多级过滤,过滤精度达到1～1 200 μm;啤酒工艺采用硅藻土进行一级过滤,得到微生物含量极低的酒品.但硅藻土、滤纸和活性炭等常用过滤材料可回收性差,用金属橡胶作为过滤材料则避免了这一缺点.金属橡胶是一种新型多孔弹性材料,它是由较细金属丝经过包括缠绕、拉伸、编织和模压等加工工艺制作而成[1-3],其孔隙度的大小可以通过调节金属丝径和成型压力来控制.由于其类似橡胶材料的网状空间勾连结构和较为特殊的制作工艺,因此金属橡胶材料具有耐高低温,弹性高,阻尼性能好,抗疲劳老化程度强,使用寿命长,能够重复多次使用等独特的性能[4].用其替代以纤维和橡胶等制造的过滤器件,在产品的使用寿命、使用性和可靠性能方面均有了较为显著的改进,在油液过滤等方面有着很好的应用,尤其是其孔隙度可以调节,重复使用率好,过滤精度高.

对金属橡胶材料的研究,我国起步较晚,主要研究工作集中在缓冲减振性能和力学模型方面,内部过滤机制和过滤性能方面开展的工作相对较少[5-6].实验中选取的巧克力奶在市场上有广泛的使用范围,近些年研究发现,巧克力奶中还有一些颗粒等杂质元素,影响了巧克力奶的口味,也会改变食品本身的营养含量,影响奶品的安全.本文拟从材料孔隙度、丝径和成型厚度3个方面对金属橡胶对巧克力奶的过滤效率及过滤影响因素和金属橡胶的过滤机制、过滤性能进行研究与分析,以探讨金属橡胶的过滤特性及其主要影响因素.

1 实验部分

1.1 实验材料

实验中选取的目标污染液为巧克力奶,配料为生牛乳、水、白砂糖、果葡萄糖浆、可可粉、卡拉胶、蔗糖素、阿斯巴甜、食用香精等,将这些配料搅拌多次,使其达到均一化.

实验中通过对金属丝径的选定以及线圈绕数、成型压力等不同加工工艺参数的调节,来控制金属橡胶元件的丝径、孔隙度和成型厚度,制取了A、B、C 3组,共18个实验元件(见图1).

图1 金属橡胶法平面与切平面
Fig.1 Metal rubber's normal plane and tangent plane

A组试件:丝径φw=0.3 mm,厚度H=10.00 mm,体积V=103πmm3,A组的密度逐渐增大,孔隙度逐渐降低,其他参数选取见表1(根据相应孔隙度ε的大小分为A1,A2,A3,A4,A5,A6).

表1 A组试件参数
Tab.1 Specimen parameters of group A

试件编号/g 3.81 5.00 6.39 7.62 9.88 12.70 ρ/(g·mm-3) 1.21 1.59 2.03 2.43 3.14 4.04相对密度 0.154 0.203 0.259 0.310 0.400 0.515 ε A1 A2 A3 A4 A5 A6 m /% 84.6 79.7 74.1 69.0 60.0 48.5

B组试件:丝径φw=0.15 mm,厚度H=10.00 mm,体积V=103πmm3,B组的密度逐渐增大,孔隙度逐渐降低,其他参数选取见表2(根据相应孔隙度的大小分为B1,B2,B3,B4,B5,B6).

表2 B组试件参数
Tab.2 Specimen parameters of group B

试件编号/g 3.92 4.40 5.50 7.15 10.06 12.30 ρ/(g·mm-3) 1.25 1.40 1.75 2.28 3.20 3.92相对密度 0.159 0.178 0.223 0.290 0.408 0.499 ε B1 B2 B3 B4 B5 B6 m /% 84.1 82.2 77.7 71.0 59.2 50.1

C组试件:丝径φw=0.15mm不变,厚度、体积逐渐变化并保持孔隙度ε不变,其他参数选取见表3(根据相应孔隙度大小、厚度大小分为C1,C2,C3, C4,C5,C6).

1.2 仪器与设备

实验所用主要设备包括:HPCA-2便携式污染度检测仪,金属橡胶流体过滤器,VHX-600超景深三维显微镜等,其中金属橡胶流体过滤器剖面图见图2.

表3 C组试件参数
Tab.3 Specimen parameters of group C

试件编号/mm 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 V/mm30.5π π 1.5π 2π 2.5π 3π m/g 2.62 4.92 7.50 10.11 12.32 15.02 ρ/(g·mm-3) 1.67 1.57 1.59 1.61 1.57 1.59相对密度 0.213 0.200 0.203 0.205 0.200 0.203 ε C1 C2 C3 C4 C5 C6 H /% 78.7 80.0 79.7 79.5 80.0 79.7

图2 过滤器剖面图
Fig.2 Section of filter

1.3 实验方案

1.3.1 金属橡胶材料过滤机制分析

金属橡胶材料的过滤机制主要有2种,一般为2种机制的综合作用.

1.3.1.1 机械阻塞作用

金属橡胶内部结构中有许多大小不一相互连通的孔隙,过滤液体流经孔隙时,大部分比孔隙尺寸大的悬浮颗粒便会被拦截,从而留在过滤元件的内部,最后改变了孔隙度大小,起到了间接过滤的作用.金属橡胶孔隙度越小,则在相同体积下,被挡住的颗粒数会越多,过滤效果也会越好.与金属橡胶孔隙度、丝径有关的平均孔隙径可用式(1)[7]求出.

式(1)中,φ为金属橡胶平均孔隙径,ε是金属橡胶孔隙度,φw为金属橡胶丝径.

1.3.1.2 阻尼沉积

液体在流经金属橡胶过滤元件时,因为金属橡胶所具有的流体阻尼作用,导致液流在入口处的流动速度大于出口处的流动速度.运用式(2)[8]计算液体对过滤悬浮颗粒的作用力.

式(2)中,F为液体对流经孔隙的悬浮颗粒的作用力;ρ为被过滤液体的密度;当悬浮颗粒被近似为球体时,d为悬浮颗粒的近似直径;υ为被滤液体流速.

由式(2)可知,当液体流速降低时,对悬浮颗粒的携带作用会减弱.这样,液体携带颗粒的能力将减弱很多,液体中很多尺寸比孔隙小但质量较大的颗粒便会在重力作用下逐渐沉积下来.故对于同等流体,过滤速度越小,过滤效果越好.

1.3.2 实验方案

1.3.2.1 实验流程

实验采取的实验流程见图3.

图3 过滤实验流程
Fig.3 Flow diagram of filtrating experiments

1.3.2.2 实验过程

实验过程中,首先对未过滤的样液进行膜片测试(运用VHX-600超景深三维显微镜对膜片进项显微化图像处理,然后运用HPCA-2便携式污染度检测仪对膜片图像进行检测),参照检测仪的图表对照,得到未过滤样液的污染度等级.

对样液进行过滤(取过滤器代号分别为A1～A6、B1～B6、C1～C6),待过滤完成,对过滤后的液体进行膜片测试,参照检测仪的图表对照,得到过滤后的污染度等级.

根据过滤前后的污染度等级,绘制出3组污染度等级折线图,并且对折线图进行横向对比和参数分析,得出影响金属橡胶在巧克力奶过滤上的主要影响因素.

2 过滤分析

通过对未滤液体与过滤后液体的污染度滤纸膜片进行污染度等级检测(主要检测4,6,14μm颗粒的污染度等级),可以发现在不同孔隙度、不同丝径、不同厚度的金属橡胶过滤试件下,过滤后的污染等级有明显变化(见图4).图中的污染度等级是Pall公司根据修订后的ISO4406新标准给出的[9].

图4 A组φw 0.3mm过滤后污染度等级
Fig.4 Filtered pollution level ofφw 0.3mm of group A

由图4过滤前后污染度等级的比较可以发现,样液经A组金属橡胶试件过滤后,4,6,14μm颗粒的污染度等级均明显降低.

A1～A6组金属橡胶试件是在其他参数不变的前提下,孔隙度逐渐减小得到的.观察A1、A2、A3处折线,下降斜率明显,说明试件A1、A2、A3过滤效果较好;在A4～A5、A5～A6处的折线明显平缓,说明继续减小孔隙度对过滤效果的影响变小,尤其是对4μm颗粒,A4～A6处的折线斜率近似于水平状态,孔隙度改变对过滤后等级的影响几乎没有改变(4μm颗粒污染物的直径小,对食品原料污染较小,无需继续减小孔隙度以改善过滤[10]).

根据式(1)分析可知,随着孔隙度的降低,样液中的颗粒聚集在过滤介质周围,形成局部滤饼过滤,阻碍颗粒的前进,使得金属橡胶平均孔隙径 φ减小.

通过对B组进行分析,也能够得出与A组类似的结论(见图5).相同高度、丝径,不同孔隙度的试件,随着孔隙度的降低,过滤效果总体逐步提高.

对于4μm颗粒的过滤前后污染度等级折线可知,在未滤至B1和B1～B2处,4μm颗粒的污染度等级明显降低,斜率较大,孔隙度的减小对过滤效果影响大;在B3、B4、B5和B6处,样液污染度等级没有明显改变,可得出,当孔隙度小于77.7%时,孔隙度对4μm颗粒的过滤影响已经不是主要因素.

图5 B组φw 0.15mm过滤后污染度等级
Fig.5 Filtered pollution level ofφw 0.15mm of group B

对于6μm颗粒和14μm颗粒等级折线可以看出,在未滤至B1处,折线的斜率较大,过滤效果比较明显;在B2、B3、B4、B5和B6处,污染等级变化相对较小,但斜率呈现出一致性,可以得出孔隙度对过滤仍有影响.

通过分析可知,伴随着孔隙度的降低,金属橡胶的内部丝线会变得更加密实,从而流体的通道也会变得更加细小,能够通过的颗粒直径更小,过滤精度更高.

相同高度、孔隙度下,不同丝径的A组和B组横向对比(见图6),可以看出,随着丝径φw增大到0.15mm,经同高度、孔隙度试件过滤后各样液的污染度等级均升高1～2级,但丝径φw为0.15 mm的试件过滤效果优于丝径φw为0.3 mm的试件.

图6 不同丝径下的过滤效果横向对比
Fig.6 Lateral comparison of filtered result in differentwire diameters of group A and group B

根据式(1)分析可知,随着丝径的增加,金属橡胶平均孔隙径φ增大,与实验结果一致.

从图6中可以看出,随着样液颗粒的增大,过滤前后污染度等级变化更为明显.即经同一试件过滤后,6μm颗粒的污染度等级变化大于4μm颗粒.同样,14μm颗粒的污染度等级变化大于6μm颗粒,主要是因为金属橡胶内部丝线密实相同的情况下,沉积与捕捉共同作用的效果.

不同厚度C组试件的污染度等级(见图7)表明,在金属橡胶孔隙度、丝径相同的情况下,过滤元件的厚度对过滤效果的影响十分显著,伴随着元件厚度的增加,过滤效果也会得到有效提升.

当试件厚度在5～20mm时,4,6,14μm三种颗粒的污染度等级变化均比较明显.对比图6可知,相比于试件孔隙度和丝径,此时试件厚度对3种颗粒的过滤过程起到主要作用.当试件厚度达到20mm时,6,14μm颗粒的污染度等级变化仍比较明显,但4μm颗粒的过滤效果不再受试件厚度增加影响.这是因为当试件厚度超过20mm时,随着厚度的增大,重力产生的压强减小,6μm颗粒和14μm颗粒很难通过试件而被滞留在试件内部,而4μm颗粒相对较小,不会受到显著影响.

图7 C组过滤后污染度等级
Fig.7 Filtered pollution level of group C

3 结 论

对金属橡胶过滤机制和过滤性能的研究表明,耐高低温,弹性性能高,阻尼性好,抗疲劳老化,寿命长,能够重复多次使用的金属橡胶,是一种具有较高应用前景的过滤材料.从实验结果分析可得以下结论:

1)从A组和B组中高度、丝径相同,孔隙度不同的试件A1至A6和B1至B6的过滤效果可以看出,孔隙度降低时,空隙径相对减小,导致能够通过的颗粒数明显减少,过滤效果逐步提高.但对直径极小的颗粒过滤效果上存在一定局限性,主要体现在过滤等级的变化范围较小,即到一定程度时,孔隙度的降低不再提高颗粒的过滤效果.

2)从对同等高度、孔隙度,不同丝径的A组和B组试件的过滤后污染度等级的横向对比可以看出,经B组中直径0.15mm的各试件过滤后的污染度等级低于同孔隙度的A组直径0.3 mm的各试件.当样液颗粒直径较大(如直径6～14μm的颗粒)时,增大试件丝径会在一定程度上降低金属橡胶过滤效率.

3)从C组中同等孔隙度、丝径,不同厚度的元件过滤效果折线图分析得出,元件厚度对过滤效果的影响十分显著,当元件的厚度不断增加时,对悬浮颗粒的过滤效果得到了有效的提升.对比A、B、C组试件及过滤后污染等级变化折线图,可知试件厚度相比于试件孔隙度和丝径,对金属橡胶的过滤性能有更明显的影响作用.

4)巧克力奶在过滤后,其颗粒浓度和大小均有下降,特别是在4μm以上的颗粒数发生了明显的变化,说明金属橡胶对巧克力奶的过滤起到了很好的作用.

参考文献：

[1] 夏宇宏,姜洪源,魏浩东,等.金属橡胶隔振器抗冲击性能研究[J].振动与冲击,2009,28(1):72-75.

[2] 孙涛,奚正平,汤慧萍,等.过滤用粉末烧结梯度多孔材料[J].稀有金属材料与工程,2008,37(S4): 509-512.

[3] 李咏娟.油液污染度测试技术与发展[J].航空计测技术,2002(2):11-13.

[4] Sutherland K.Energy efficiency:filtermedia and energy efficiency[J].Filtration&Separation,2009,46(1): 16-19.

[5] 王全伟,任远,王尧,等.制动器动态制动性能试验系统温度测量方法的研究[J].起重运输机械,2011 (5):51-54.

[6] 许仰曾,陈惟宁.液压高速开关数字阀及其在各工业领域应用[J].液压气动与密封,2012(1):72-77.

[7] 夏宇宏,姜洪源,李瑰贤,等.金属橡胶多孔材料的气体渗透性[J].功能材料,2004,23(5):268-270.

[8] 夏宇宏,姜洪源,敖宏瑞,等.簧丝走向对金属橡胶构件性能的影响分析[J].中国机械工程,2002,13 (10):880-883.

[9] 姜洪源,张蕊华,赵克定,等.采用金属橡胶节流环的挤压油膜阻尼器的流量特性分析[J].润滑与密封, 2005,30(1):5-7.

[10]Sutherland K S.Filters and filtration handbook[M].New york:Elsevier Science Publishing Company,2008:295 310.

M etal Rubber's App lication Research in Filtrating Equipments

DONG Xiuping, GUAN Jiajia, XIANG Huiyu, ZHOU Xiaozhuang
(School ofMaterials and Mechanical Engineering,Beijing Technology and Business University, Beijing 100048,China)

Abstract:Metal rubber,which hasa series of excellent properties,is combined with bothmetal and rubber's characteristics.Bymeans of VHX-600 super field depth three-dimensionalmicroscope and HPCA -2 portable analyzer of contamination,the filtrating experiments about chocolatemilk sampleswere carried outusingmetal rubber cylindrical filter elementswith different structure parameters.The broken line graph about the chocolatemilk's pollution level before and after filtering was obtained through changing porosity,wire diameter,and thickness of the specimen shape.And the decrease of porosity and wire diameter aswell as the increase of thickness could improve the filtering performance ofmaterials,which was obtained through the horizontal and vertical comparison of the broken line graph.

Key words:metal rubber;porosity;wire diameter;thickness;level of contamination

(责任编辑:檀彩莲)

中图分类号:TS244;TS274

文献标志码:A

doi:10.3969/j.issn.2095-6002.2014.03.013

文章编号:2095-6002(2014)03-0072-05

引用格式：董秀萍,管佳佳,项辉宇,等.金属橡胶在巧克力奶过滤上的应用研究.食品科学技术学报,2014,32(3):72-76. DONG Xiuping,GUAN Jiajia,XIANG Huiyu,et al.Metal rubber's application research in filtrating equipments.Journal of Food Science and Technology,2014,32(3):72-76.

收稿日期:2013-08-30

基金项目:北京市自然科学基金资助项目(2112011);北京市教委科研计划面上项目(SQKM201210011009).

作者简介:董秀萍,女,副教授,博士,主要从事机械设计及原理方面的研究.