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食品包装环境下金属/涂层体系失效过程的电化学研究

韩哲文  
【摘要】:镀锡薄钢板是将钢的强度、成型性和锡的耐蚀性、美观外表结合于一体的材料,具有良好的物理化学性能,被广泛用于食品包装材料领域。但化学稳定性差、耐蚀性不佳是镀锡薄钢板在实际运用中存在的主要问题,由此产生的金属类罐装产品的腐蚀问题会影响内容物的质量,致使食品受污染或劣变从而威胁人们的身心健康,食品安全问题会越来越突出。对此,利用涂层技术在金属表面覆盖有机涂层是防止金属包装材料腐蚀的有效方法。针对金属包装材料的腐蚀问题,了解不同情况下的腐蚀过程和腐蚀机理,以便于更好地满足货架期的需求,从根本上提高涂料的防腐能力,延长金属包装产品货架寿命,优化涂层生产工艺。对金属包装产品不同腐蚀环境下涂层失效微观机制进行研究具有极大的现实意义。 实验选用镀锡层厚约3微米的镀锡薄钢板,分别在空气中和模拟真空两种不同的环境下,通过电化学阻抗谱、极化曲线测试并结合SEM、ICP、XPS的显微组织观察和元素、腐蚀产物膜的分析,研究了镀锡薄钢板在0.1mol/L柠檬酸溶液和氯化钠溶液中浸泡不同天数的腐蚀行为。空气中的EIS图谱显示,在浸泡一定时间内Nyquist图在两种溶液中均出现双容抗弧的特征,说明腐蚀溶液已透过镀锡层渗入基体/涂层界面,并且据SEM和ICP结果分析,在整个浸泡过程中溶液趋向对基体铁的腐蚀,镀锡层只能起到机械的外界阻挡保护作用。在无氧的环境中,EIS图主要呈现单容抗弧的特征,溶液中检测到的铁离子含量很微量而锡离子含量较多,锡作为阳极是优先溶解的,对基体铁起到电化学的保护作用。 针对内壁为环氧酚醛有机涂层的镀锡薄钢板试样,研究了其在一种酸性功能饮料浸泡300天过程中的涂层失效过程及基体金属腐蚀状况。主要进行的电化学实验为电化学阻抗谱和电化学噪声测试,并对试样在典型浸泡时期的表面腐蚀形貌、元素成分做了具体分析。根据电化学测试结果并结合SEM、SPM和ICP分析可初步得知有机涂层在浸泡150天左右保护性能显著下降,Nyquist图出现双容抗弧的特征,涂层表面开始有起泡的现象发生;在浸泡300天左右表面出现明显点蚀斑点,涂层电阻Rc和噪声电阻Rn随浸泡时间增加呈明显下降趋势,金属基体已经被腐蚀,有机涂层保护性能已基本失效。


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