Ocena trwałości wyrobów silikonowych w użytkowaniu kuchennym

Silikon jest wszechobecny w nowoczesnych kuchniach. Ale jak długo wytrzyma on narażenie na działanie ciepła, tłuszczu i codziennego czyszczenia?

Ocena żywotności silikonu w warunkach frytkownicy powietrznej, piekarnika i kuchenki mikrofalowej pozwala zagwarantować bezpieczeństwo produktu i jego długoterminową trwałość.

Kiedy pracowałem z klientem nad linią akcesoriów do frytkownicy powietrznej, zakładali oni, że wszystkie silikony “dopuszczone do kontaktu z żywnością” są równie trwałe. Po kilku cyklach podgrzewania niektóre części żółkły i twardniały. To doświadczenie nauczyło mnie, że bezpieczeństwo i trwałość zależą od sposobu projektowania, przetwarzania i testowania silikonu.

Definicja warunków pracy: frytkownice powietrzne, piekarniki, kuchenki mikrofalowe?

Każde urządzenie kuchenne naraża silikon na działanie unikalnych profili temperaturowych, metod ogrzewania i obciążeń mechanicznych. Zrozumienie tych warunków to pierwszy krok w ocenie jego żywotności.

Frytkownice powietrzne, piekarniki i kuchenki mikrofalowe wykorzystują różne mechanizmy grzewcze, które wpływają na stabilność termiczną i właściwości mechaniczne silikonu.

Testowaliśmy kiedyś ultracienką matę silikonową, która doskonale sprawdzała się w standardowych piekarnikach. Jednak w przypadku frytkownicy powietrznej, mocny wentylator konwekcyjny powodował, że lekka mata trzepotała i dotykała elementu grzejnego, co powodowało natychmiastowe przypalenie. To pokazało, że stabilność mechaniczna jest równie ważna, jak odporność termiczna w zastosowaniach frytkownicy powietrznej.

Typowe warunki pracy

Starzenie cieplne i zmęczenie mechaniczne?

Silikon zachowuje elastyczność w wysokich temperaturach, ale długotrwała ekspozycja prowadzi do stopniowego twardnienia i pękania. Testy zmęczeniowe symulują lata rzeczywistego użytkowania.

Starzenie się termiczne i zmęczenie mechaniczne zmniejszają elastyczność i wytrzymałość silikonu na rozciąganie, co bezpośrednio skraca jego okres użytkowania.

Uszczelka szybkowaru używana przez dwa lata nie wykazywała widocznych pęknięć, a mimo to zaczęła przeciekać. Badania wykazały, że jej twardość spadła z 50 do 65 w skali Shore'a A z powodu starzenia termicznego, co spowodowało utratę elastyczności niezbędnej do utrzymania uszczelnienia pod wysokim ciśnieniem – awaria niewidoczna gołym okiem.

Poddaliśmy silikonową blachę do pieczenia o twardości 60 Shore A działaniu temperatury 200°C przez 500 godzin. Twardość wzrosła do 68 Shore A, wydłużenie spadło o 25%, a kolor nieznacznie się zmienił.[2][3] Zmiany te korelowały z utlenianiem szkieletu polimeru.

Typowa krzywa starzenia

Testy zmęczenia mechanicznego, takie jak wielokrotne zginanie lub ściskanie, ujawniają degradację silikonu pod wpływem powtarzających się naprężeń. Po 100 000 cykli ściskania silikon o wysokiej konsystencji zazwyczaj zachowuje ponad 90% swojej sprężystości odbicia.

Bezpieczeństwo kontaktu z żywnością i kontrola zapachu?

Nawet po starzeniu termicznym silikon musi pozostać bezpieczny do kontaktu z żywnością. Niewłaściwe przygotowanie lub zanieczyszczenie może powodować nieprzyjemny zapach, migrację lub powstawanie osadów na powierzchni.

Zapewnienie bezpieczeństwa żywności wiąże się ze sprawdzeniem zgodności ze standardami FDA i LFGB oraz kontrolą pozostałości lotnych i generowanych zapachów.

Konsumenci skarżyli się, że partia silikonowych foremek do lodu sprawiała, że kostki lodu miały posmak “zamrożonej opalenizny” lub czosnku. Przyczyną było niewystarczające utwardzanie, które pozostawiło lotne pozostałości w silikonie. Pozostałości te nie tylko wydzielały zapachy, ale także sprawiały, że silikon był na tyle porowaty, że pochłaniał silne zapachy z innych produktów spożywczych w zamrażarce.

Podczas opracowywania mat do pieczenia, otrzymałem kiedyś od klientów informację o “zapachu gumy” po użyciu. Testy wykazały obecność resztkowych substancji lotnych, będących wynikiem niepełnego utwardzenia. Po wydłużeniu etapu utwardzania z 4 do 8 godzin w temperaturze 200°C zapach zniknął.

Środki kontroli kontaktu z żywnością i zapachu

Silikon należy walidować w realistycznych warunkach ogrzewania. Na przykład, nawet jeśli wyniki migracji są pozytywne w temperaturze 100°C, należy przeprowadzić dodatkowe testy w temperaturze 200°C w przypadku stosowania we frytkownicy powietrznej lub piekarniku.

Projekt struktury i grubości?

Konstrukcja części silikonowych ma wpływ nie tylko na ich wydajność, ale także na ich stabilność termiczną i mechaniczną.

Grubość ścianek, geometria i struktura wsporcza decydują o tym, jak równomiernie nagrzewa się silikon i jak zapobiega on odkształceniom pod wpływem obciążenia.

Duża, prostokątna forma do chleba, którą początkowo zaprojektowaliśmy, zawiodła podczas testów. W miarę nagrzewania się ciasta, ścianki boczne wybrzuszały się, niszcząc kształt chleba. Materiał był odporny na ciepło, ale konstrukcja nie zapewniała wystarczającej sztywności. Dodanie pionowych żeber i zwiększenie grubości ścianek z 2 mm do 3 mm rozwiązało problem deformacji.

Podczas projektu z naczyniami do pieczenia zauważyliśmy, że na blachach o grubości 5 mm po wielokrotnym użyciu w piekarniku pojawiały się mikropęcherzyki. Zmniejszenie grubości do 3 mm i dodanie wewnętrznych żeberek pozwoliło lepiej rozłożyć naprężenia i zapobiegło deformacjom.

Wytyczne projektowe dla silikonu wysokotemperaturowego

Prawidłowy przepływ powietrza wokół powierzchni silikonowej pomaga również ograniczyć miejscowe przegrzanie i odbarwienia w piekarnikach i frytkownicach powietrznych.

Jaki wpływ ma czyszczenie i konserwacja?

Środki i metody czyszczenia mają wpływ na długoterminową trwałość i wygląd naczyń kuchennych wykonanych z silikonu.

Silne detergenty i narzędzia ścierne przyspieszają zużycie powierzchni i utlenianie, skracając żywotność urządzenia.

Komercyjna piekarnia zgłosiła, że ich maty antyadhezyjne stają się lepkie i szybko ulegają degradacji. Okazało się, że stosowali silny, silnie zasadowy odtłuszczacz. Wysokie pH atakowało silikonowy szkielet, niszcząc powierzchnię. Zmiana środka czyszczącego na środek o neutralnym pH natychmiast zatrzymała degradację.

Zalecenia dotyczące czyszczenia

Jakie są ograniczenia podgrzewania mikrofalowego?

Sam silikon jest bezpieczny dla kuchenki mikrofalowej, ale problemy mogą wystąpić, gdy produkt zatrzymuje parę lub ma metalowe wkładki. Zawsze projektuj kanały wentylacyjne dla zamkniętych kształtów i sprawdź zgodność przed certyfikacją.

Chociaż silikon jest przezroczysty dla kuchenki mikrofalowej, jedzenie w środku może takie nie być. W jednym z testów, roztopione masło w silikonowej misce tworzyło lokalne “gorące punkty”, w których temperatura tłuszczu przekraczała 250°C – znacznie powyżej temperatury wrzenia wody. To intensywne, lokalne ciepło powodowało powstawanie pęcherzyków powietrza na powierzchni silikonu i jego bielenie, co trwale uszkadzało pojemnik.

Wniosek

Bezpieczeństwo i trwałość silikonu zależą od sposobu jego zaprojektowania, przetwarzania i konserwacji. Zrozumienie środowiska termicznego każdego urządzenia i przeprowadzenie odpowiedniej walidacji gwarantuje, że produkty kuchenne pozostaną bezpieczne i trwałe przez lata.

Bibliografia

[1]: Czy silikon można wkładać do piekarnika? – Cook'n'Chic

[2]: Starzenie termiczne gumy silikonowej – zaawansowane materiały

[3]: Charakterystyczne właściwości mieszanek gumy silikonowej – Shin-Etsu

[4]: Eliminacja lotnych związków organicznych – Jehbco

[5]: Rozporządzenie Komisji (UE) nr 10/2011 – EUR-Lex