金属包装饮料罐的腐蚀行为研究

摘要

金属包装饮料罐因其密封性好、保质期长而被广泛使用在饮料行业中。而金属包装罐的缺点之一就是易腐蚀。金属包装罐的腐蚀会致使饮料受污染或劣变从而威胁人们的身心健康，食品安全问题也越来越突出。目前，金属包装罐的腐蚀机理尚不明确。因此，研究金属包装饮料罐的腐蚀行为和失效机理，预测金属包装饮料罐的耐蚀寿命，这对于减少食品安全问题的发生具有极其重要的意义。
　　首先，对金属包装饮料罐原材料马口铁在酸性饮料中的腐蚀电化学行为进行了探讨。结果表明，浸泡初期，锡层腐蚀电流密度很高，达到40μA/cm2。浸泡中期，基体碳钢开始暴露出来，仍以锡层溶解为主。浸泡后期，碳钢腐蚀速度为14μA/cm2，其能够承担的耐蚀寿命很短。大约经过1个月的浸泡，锡层完全溶解。
　　研究了酸性饮料罐罐体马口铁和罐底铝之间的电偶腐蚀倾向，结果表明Sn-Al电偶对的电偶电位差为100mV左右，电偶电流为16μA/cm2左右。电偶腐蚀行为以Sn的腐蚀过程为主，属于弱电偶腐蚀行为，可以忽略电偶腐蚀对金属包装饮料罐货架寿命的影响。
　　四种相同工艺生产的马口铁钝化前后耐蚀性能的研究表明本文中使用的马口铁并未进行高效钝化。而采用我们的钝化方法对马口铁进行钝化后，四种马口铁的耐蚀性明显提高，其中F1马口铁钝化效果最为明显，表明我们采用的钝化方法是合理和有效的。镀锡量测定结果表明，F3马口铁镀锡量误差最小。
　　在酸性饮料中彩印铁的耐蚀性研究表明，经过11个月的浸泡后，彩印铁的涂层电阻远大于106Ω·cm2，表明彩印铁环氧酚醛涂层此时仍然具有防护能力;低电位阴极极化加速彩印铁涂层劣化过程与自然腐蚀状态下彩印铁涂层劣化过程具有很好的相关性，表明低电位阴极极化加速方法可以对彩印铁的耐蚀寿命进行预测。
　　其次，在大批次饮料实罐样品的基础上，通过统计分析，建立了以实罐涂层电阻Rc和Fe元素浓度为变量的金属包装饮料罐耐蚀寿命预测模型。该模型属于机理型模型。运用该模型解析了红牛饮料罐防护体系在饮料液作用下逐渐劣化和失效的两个阶段:第一阶段是涂层快速渗水阶段。第二阶段是涂层下渗入介质积累和腐蚀积累阶段。模型的转折参数Rc,tp和[Fe]tp分别表示涂层渗水已到达金属表面的涂层电阻和口味劣化的临界铁元素浓度值。
　　从金属饮料包装空罐加速耐蚀实验结果中可以看出，低电位加速腐蚀试验结果与自然条件下饮料罐涂层失效过程的结果和模型行为一致，表明低电位阴极极化加速涂层失效试验与自然腐蚀试验具有良好的相关性。两者结合可用于预测金属包装饮料罐的耐蚀质量水平，可作为日常检测方法。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 金属包装罐的发展

1．1．1 金属罐的起源

1．1．2 金属罐的发展

1．2 金属罐的性能和特点

1．2．1 金属罐的优点

1．2．2 金属罐的缺点

1．3 金属罐的分类

1．4 金属三片罐的评价方法

1．4．1 金属三片罐的电化学测试技术

1．4．2 金属三片罐的其他检测技术

1．5 红牛饮料罐的腐蚀现象以及影响因素

1．5．1 均匀腐蚀现象

1．5．2 局部腐蚀穿孔现象

1．5．3 红牛饮料罐的腐蚀寿命影响因素

1．6 本论文工作内容及意义

第二章 实验材料和装置

2．1 实验介质

2．2 实验材料

2．2．1 用于自然浸泡和钝化处理的试样

2．2．2 用于恒电流阳极溶解的试样

2．2．3 用于电偶腐蚀的试样

2．2．4 用于极化加速的试样

2．3 实验装置

2．4 实验方法

2．4．1 马口铁钝化方法

2．4．2 恒电流阳极溶解方法

2．4．3 阴极极化加速方法

2．5 电化学行为测试

2．5．1 自腐蚀电位测试

2．5．2 电偶腐蚀测试

2．5．3 极化曲线测试

2．5．4 电化学阻抗谱测试

2．6 腐蚀形貌分析

第三章 马口铁在酸性饮料溶液中的腐蚀电化学行为

3．1 引言

3．2 实验内容与方法

3．2．1 样品的制备

3．2．2 钝化处理方法

3．2．3 电化学测试

3．2．4 腐蚀形貌观察

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 马口铁的腐蚀电化学行为

3．3．2 罐体马口铁-罐底铝体系的电偶腐蚀行为

3．3．3 马口铁镀锡量的测定

3．3．4 钝化马口铁的腐蚀电化学行为

3．3．5 马明铁锡层腐蚀寿命

3．3．6 铁层的腐蚀失效

3．4 本章小结

第四章 彩印铁的耐腐蚀性能评价

4．1 引言

4．2 实验内容与方法

4．2．1 样品的制备

4．2．2 阴极极化加速方法

4．2．3 电化学测试

4．2．4 腐蚀形貌观察

4．3 结果与讨论

4．3．1 自然浸泡下彩印铁的耐蚀性能

4．3．2 环氧酚醛涂层的水传输行为

4．3．3 特征频率法评价环氧酚醛涂层的防护性能

4．3．4 阴极极化加速下彩印铁的耐蚀性能

4．3．5 加速腐蚀试验与自然腐蚀试验的相关性

4．4 不同极化加速下涂层形貌分析

4．5 本章小结

第五章 金属包装实罐耐蚀寿命预测模型

5．1 引言

5．2 实验材料和方法

5．2．1 实验材料

5．2．2 实验方法

5．3 实验结果与讨论

5．3．1 等效电路物理模型的选择

5．3．2 各批次样品电化学阻抗响应特征和涂层电阻分布

5．3．3 各批次样品中铝、铁和锡元素浓度及分布特征

5．4 金属罐货架寿命预测模型的建立

5．4．1 模型参数选择

5．4．2 在模型参数基础上建立金属罐货架寿命预测模型

5．5 金属罐货架寿命预测模型分析

5．6 金属罐货架寿命预测模型的转折参数

5．7 金属罐货架寿命预测模型的应用

5．8 金属罐货架寿命预测模型的适用范围

5．9 本章小结

第六章 金属包装罐腐蚀寿命加速试验研究

6．1 引言

6．2 实验内容与方法

6．2．1 样品的制备

6．2．2 阴极极化加速方法

6．2．3 电化学测试

6．2．4 腐蚀形貌观察

6．3 实验结果与讨论

6．3．1 余属饮料罐涂层的腐蚀劣化

6．3．2 不同阴极极化电位下金属罐EIS演化

6．3．3 涂层电阻与所加极化时间的关系

6．4 金属饮料罐加速腐蚀试验和自然腐蚀试验的相关性分析

6．4．1 模拟性分析

6．4．2 加速性分析

6．4．3 重现性分析

6．5 金属罐加速耐蚀试验的应用

6．5．1 加速因子的确定

6．5．2 自然腐蚀下耐蚀寿命的计算

6．6 腐蚀形貌分析

6．7 本章小结

第七章 总结论

7．1 本论文的主要结论

7．2 论文创新点

7．3 未来工作展望

参考文献

致谢

个人简历

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