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    不銹鋼行情
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    201不銹鋼在酸性食物模擬環境中的腐蝕行為

    來源:至德鋼業 日期:2021-09-15 23:09:04 人氣:1243

    采用沸騰的4%(質量分數,下同)HAc4%HAc+0.4%Nacll溶液來模擬酸性食物環境,研究了201CrMn系不銹鋼的腐蝕行為與金屬元素的溶出特征。電化學阻抗譜、ICP-AES(電感耦合等離子體原子發射光譜)和XPS測量結果表明,試樣在這兩種模擬環境中均處于鈍化腐蝕狀態,金屬元素鐵和錳在浸泡初期會發生優先腐蝕溶出而形成保護性富鉻鈍化膜;金屬元素的穩定溶出速率從大到小順序為:Fe>Mn>Cr>Ni,但溶出速率值均很小。酸性食物環境中添加適量CI-對金屬元素的穩定腐蝕與溶出速率的作用很小。

    201不銹鋼廚具在食品和飲料行業的應用已有八十多年歷史,201不銹鋼鍋、碗、熱水壺等用品深受人們喜愛。然而,當其與食物接觸時(尤其是食物烹飪時),不銹鋼制品可能會腐蝕溶出少量金屬離子,過多攝入這些金屬離子會危害人體的健康。因此,廚具不銹鋼的安全問題引起了社會各界的廣泛關注。對于食品用不銹鋼,我國標準(GB9684)中以沸騰的4%醋酸(HAc)溶液作為酸性食物模擬環境來評價不銹鋼金屬元素的腐蝕溶出性能。Herting等研究了430鐵素體不銹鋼和420馬氏體不銹鋼在模擬食物溶液(3%HAc)中的腐蝕行為,發現合金元素在浸泡初始階段的溶出量相對較大。陳惠波等測定了304.410430等多種不銹鋼在4%HAc溶液中的鉻溶出量,結果表明不銹鋼表面粗糙、溶液溫度升高、HAc含量升高都會增加鉻元素的溶出量。但是,不銹鋼廚具在實際烹飪過程中會經受醋、醬油、食鹽等調味料與食物的共同作用,尤其是Cr的引人會影響不銹鋼的鈍態性能與金屬元素的溶出量[5-6]。顯然,未涉及Cr作用的沸騰醋酸溶液試驗方法,難以真實地反映不銹鋼鍋等廚具的腐蝕特征與金屬元素溶出性能。

    由于我國鎳資源比較缺乏,隨著不銹鋼產業的快速發展,目前以錳、氮代鎳型和節鎳型不銹鋼得到了應用,但是降低鎳含量會帶來不銹鋼耐蝕性下降的風險,Cr-Mn系不銹鋼也常被用于制造廚具用品,但文獻對其在沸騰的含CI-醋酸溶液中的腐蝕行為尚鮮有報道。本工作以GB9684標準方法

    為基礎,在沸騰醋酸溶液中引入適量CI-,對比研究了兩種溶液環境中201不銹鋼的腐蝕電化學行為

    與金屬元素溶出特征。

    1試驗

    1.1試驗材料與溶液

    試驗材料為商用201不銹鋼,其化學成分(質量分數/%)如下:Co.05,Po.019,s0.003,Si0.43,Cr16.25,Mn6.14,Ni4.23,Cu1.70.i樣尺寸為30mm×20mm,用碳化硅水磨砂紙逐級打磨其表面,然后用丙酮擦洗除油,酒精和蒸餾水清洗,熱風吹干備用。

    測試介質為4%HAc溶液和4%HAc+0.4%NaCI溶液,試驗時均保持在沸騰狀態,溫度約為100℃,同時采用冷凝回流裝置以防止溶液蒸發損失。每次試驗溶液的體積為100mL.

    1.2電化學測量

    試驗采用三電極體系:工作電極為不銹鋼試樣,輔助電極為鉑片,參比電極為飽和甘汞電極(SCE文中電位若無特指,均相對于SCE,試驗時,試樣半浸泡在沸騰溶液中,于浸泡時間為1,3,5,7,9,11,13h時進行腐蝕電位與電化學阻抗譜(EIS)測量。測量系統為PAR4000電化學工作站及相應控制軟件。EIS譜測試頻率范圍為10mHz~99kHz,測量均在腐蝕電位下進行,交流激勵信號幅值為10mV,測定結果采用ZSimpWin軟件進行解析。

    1.3金屬元素溶出量測量

    將試樣完全浸泡于沸騰測試溶液中,當浸泡時間達到1,3,5,7,9,11h時更換新的溶液,并分別取0~1h1~3h.3~5h,5~7h.7~9h.9~11h,11~13h時間段的浸泡液10mL,測量金屬元素鐵、鉻、鎳和錳的溶出量,并計算金屬元素在相應時間的溶出速率。測量采用7300D-10003491型電感耦合等離子體原子發射光譜(ICP-AES)儀器。

    1.4表面分析

    取出浸泡13h后的試樣,并用蒸餾水清洗、吹干,然后用ESCALAB250xi光電子能譜儀對試樣表面鈍化膜進行分析。測量前表面濺射5s以降低污染物的影響。x射線激發源為鋁(1486.6eV),用碳結合能(284.8eV)對測得的譜峰進行校正,測試結果用XPSPEAK41進行分析。

    2結果與討論

    2.1腐蝕電位與電化學阻抗譜

    由圖1可見,不銹鋼在兩種溶液中的腐蝕電位均隨著浸泡時間延長而逐漸升高;但在4%HAc溶液中的腐蝕電位在浸泡3h后上升速率變得很緩慢,即達到相對穩定的腐蝕狀態,浸泡13h時腐蝕電位為-22mV;而在4%HAc+0.4%NaCl溶液中的腐蝕電位在浸泡7h后才達到相對穩定狀態,13h時腐蝕電位為一72mV,這些結果表明,試樣表面在沸騰溶液中均可逐漸形成保護性鈍化膜,使得腐蝕電位升高;但是,溶液中添加NaCI會減緩鈍化膜的形成與生長,使腐蝕電位達到穩定的時間延長,并導致浸泡13h時穩定電位值下降約50mV.

    由圖2可見,試樣在兩種溶液中的Nyquist圖均由一段曲率半徑很大的容抗弧組成,并且兩條容抗弧幾乎重合在一起,說明它們的曲率半徑差別較小。由于腐蝕電位與阻抗值均較高,試樣表面鈍化膜與電荷轉移過程的時間常數差別較小,故而兩種溶液中阻抗譜均呈現簡單容抗特征,可用等效電路R,(QR,(QR,))對圖2中阻抗譜進行解析,其中R,為溶液電阻,R,和R,分別為試樣表面鈍化膜電阻和電荷轉移電阻,Q2Qa分別為鈍化膜電容和

    2.2試樣表面鈍化膜的XPS

    由圖3可見,兩種溶液中形成的鈍化膜有較強的鐵、鉻、錳、氧和碳元素響應峰(其中碳來自于污染物),而鎳、銅元素響應峰十分微弱。鐵和鉻響應峰的組成根據文獻[10可知,鈍化膜主要由鐵、鉻的氧化物或/和氫氧化物等物質組成。對于含NaCI的溶液,鈍化膜中還檢測到氯元素,說明CI被吸收進入了鈍化膜。

    運用CasaXPS軟件進行計算可獲得鈍化膜中金屬元素的含量,表2列出了計算得到的原子數比值。為了比較,表中給出了不銹鋼基體中金屬元素的原子數比值。與鋼基體相比,在兩種溶液中浸泡13h后形成的鈍化膜具有更低的Fe/CrMn/Cr比,但Mn/Fe的比值卻更高。這些數據表明201不銹鋼表面的鐵和錳在沸騰溶液中發生了優先腐蝕而形成了富鉻鈍化膜,并且鐵比錳更易被腐蝕溶解。在4%HAc溶液中添加0.4%NaCI會導致試樣表面鈍化膜Fe/CrMn/Cr的比值均降低,說明CI-對不銹鋼表面鐵和錳的腐蝕溶解具有一定的加速作用[1,尤其是鐵因被加速腐蝕而使Mn/Fe的比值從0.20略微升高到0.23,這些結果與表1R,值的降低相一致。

    2.3金屬元素的溶出速率

    由圖4可知,各元素在2種溶液中浸泡1h的溶出速率均較大,尤其是鐵和錳,這是因為試樣剛浸人溶液時具有新鮮的表面,尚無阻擋金屬元素溶出的表面覆蓋層。隨著浸泡時間的延長,試樣表面富鉻鈍化膜逐漸形成,對各元素的腐蝕溶出均具有抑制作用,使得各元素的溶出速率降低并逐漸趨于穩定。試樣在4%HAc溶液中浸泡3h后,各元素溶出速率基本達穩,而在4%HAc+0.4%Nacl溶液中,鐵和錳的溶出速率在浸泡7h時才基本達到穩定,這與圖1中腐蝕電位的穩定過程一致。試樣浸泡13h后,鐵、鉻、錳和鎳元素在4%HAc4%HAc+0.4%NaCI溶液中的穩定溶出速分別為依次0.28,0.17,0.20,0.131g.cm2?h-10.34,0.17,0.29,0.13ug?cm-2.h-.顯然,兩種溶液中各金屬元素的穩定溶出速率的順序相同,從大到小依次為:Fe>Mn>Cr>Ni,但兩種溶液中各元素的溶出速率都很低,鈍化膜的生長和溶解基本達到動態平衡狀態。此外,溶液中添加0.4%NaCL使得鐵和錳的穩定溶出速率稍有增大,但鉻和鎳的穩定溶出速率幾乎沒有變化。

    由于浸泡初期金屬元素的溶出速率相對較高,國家標準(GB9684)采用試樣在沸騰溶液中浸泡0.5h的溶出量作為指標,規定餐/廚具用201不銹鋼的鉻與鎳元素溶出量分別小于4,1pg.cm-2,錳元素溶出量尚未有明確的限定。從圖4可見,201不銹鋼經1h浸泡后,在4%HAc沸騰溶液中的鉻與鎳元素溶出量分別為0.23,0.17ug.cm-2,而在4%HAc+0.4%NaCl沸騰溶液中的鉻與鎳元素溶出量為0.29,0.19ug.cm-2。由此可知,兩種溶液中鉻與鎳元素的溶出量均遠小于標準規定值,說明201不銹鋼在食物環境中具有良好的耐蝕性。

    3結論

    1)在4%HAc4%HAc+o.4%NaCl沸騰溶液中,201Cr-Mn系不銹鋼均處于穩定鈍化腐蝕狀態,其表面能形成保護性富鉻鈍化膜,使極化電阻達1052.cm。

    2)兩種沸騰溶液中,不銹鋼中的金屬元素鐵和錳在浸泡初期會發生優先腐蝕,其初期溶出速率相對較高,但隨浸泡時間延長,腐蝕電位和金屬元素的溶出速率均趨于穩定。金屬元素的穩定溶出速率從大到小順序為:Fe>Mn>Cr>Ni,但溶出速率值均很小。

    3)在4%HAc沸騰溶液中添加0.4%NaC1對不銹鋼的初期腐蝕具有較大影響,會促進鐵與錳的腐蝕溶出,導致腐蝕電位下降,但腐蝕進入穩定狀態后其影響較小,僅使腐蝕電位和極化電阻輕微下降、鐵與錳的穩定溶出速率稍有增大,而對鉻與鎳的穩定溶出過程幾乎沒有影響。

    本文標簽:201不銹鋼 

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