CN108728736B - 一种食品类加工容器用抗菌不锈钢 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种食品类加工容器用抗菌不锈钢，属于不锈钢材料技术领域。该不锈钢的化学成分如下(重量％)：C：≤0.08；Si：≤1.00；Mn：≤1.00；P：≤0.04；S：≤0.03；Ni：5.50‑8.50；Cr：15.5‑18.5；Cu：3.0‑5.0；Ga：0.05‑2.0；余量为Fe；该不锈钢经过特殊热处理后，在不锈钢基体中能弥散析出复合抗菌相(富铜相和富镓相)，富镓相的存在能够有效抑制由于不锈钢中铁元素的溶出对细菌细胞代谢能力的促进作用，同时富镓相更易于溶出微量镓离子，它与铜离子一起，具有更强的抗菌功能。本发明所述不锈钢解决了现有食品加工领域中，由于使用不锈钢容器引发的细菌感染问题，可广泛应用于加工领域的消毒设备、蔬菜加工设备、水果加工设备、肉制品加工设备等各类不锈钢容器。

Description

一种食品类加工容器用抗菌不锈钢
技术领域
本发明涉及不锈钢材料领域，特别提供一种食品类加工容器用抗菌不锈钢。
背景技术
现有含铜抗菌不锈钢一般是利用不锈钢与介质溶液环境接触过程中释放的微量铜离子参与细菌杀灭过程，能够有效地抑制细菌增殖，降低其所带来的感染风险。众所周知，食品类加工容器通常采用不锈钢材质制造，如果采用现有含铜抗菌不锈钢来制作加工容器，理论上可有效降低细菌增殖带来的食品被细菌感染的风险，但在实际应用中，仍存在以下不足：(1)含铜抗菌不锈钢对于细菌浓度较高的细菌的抑制作用有限，现有抗菌实验依据“JIS Z 2801-2000《抗菌加工制品－抗菌性试验方法和抗菌效果》、GB/T 2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等相关标准规定，开发的抗菌不锈钢都是以细菌浓度最高为105CFU/mL为目标开发的，对于细菌浓度更高的条件，含铜抗菌不锈钢的抗菌效果显著降低。(2)原有抗菌不锈钢的杀菌作用时间一般在6小时左右，这是因为铜离子的溶出浓度和细菌的增殖速率是相互博弈的，也即是，按照铜离子的平均溶出速率计算，一般需经过六个小时后，才能达到可以抑制足够细菌增殖的临界浓度。这对于食品类不锈钢加工容器而言，很多食品类的加工周期都是相对较短的，这就要求其抗菌性能要满足快速、高效的抑菌要求，而目前含铜抗菌不锈钢很显然是不能满足环境要求的。更为关键的是，不锈钢材料均是以铁元素为基本元素的金属合金，已有文献表明，三价铁离子是细菌细胞正常新陈代谢过程(蛋白质和酶的合成)不可或缺的关键元素之一。当不锈钢材料与溶液介质环境接触时，释放的铁离子一定程度上也促进了细菌的增殖，这对铜离子的抗菌效率是不利的。
在钢铁材料中，铁镓合金是常见的磁致伸缩材料。镓在铁中的主要作用是能够显著提高钢的磁致伸缩性能，未见镓在不锈钢中应用的相关报道。
总之，对于食品类加工容器用抗菌不锈钢而言，新型抗菌不锈钢的研发，可以更有针对性地解决实际应用中存在的问题，具有重要的社会和经济意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种食品类加工容器用抗菌不锈钢，以解决现有材料抗菌浓度相对不高和抗菌效率相对低的问题。
本发明的技术方案是：
一种食品类加工容器用抗菌不锈钢，其特征在于，按重量百分比计，该不锈钢的化学成分如下：C：≤0.08；Si：≤1.00；Mn：≤1.00；P：≤0.04；S：≤0.03；Ni：5.50-8.50；Cr：15.5-18.5；Cu：3.0-5.0；Ga：0.05-2.0；余量为Fe。进一步优选的化学成分如下：C：≤0.03；Si：≤0.50；Mn：≤0.50；P：≤0.01；S：≤0.01；Ni：6.50-7.50；Cr：16.5-17.5；Cu：3.5-4.5；Ga：0.50-1.5；余量为Fe。
在本发明的不锈钢成分设计中，合金元素镓(Ga)是抗菌不锈钢中最重要的合金元素。Ga是保证不锈钢具有更强抗菌功能和缩短抗菌作用时间的必要条件，也是本发明的主要创新点。本发明中的不锈钢中的含Ga量为0.05-2.0％，以保证在特殊热处理条件下，富Ga相在钢中均匀弥散析出。当Ga含量较低时，即使经过特殊热处理，不锈钢基体中也不易析出富Ga相；当Ga含量相对过高时，过多的富Ga相会导致不锈钢热加工性能和冷成型性能的严重下降，影响其实际应用。此外，过量的富Ga相析出亦会破坏不锈钢钝化膜的连续性，降低不锈钢的耐腐蚀性能。
本发明所述抗菌不锈钢可采用以下方法获得：真空感应冶炼、电弧炉+连铸冶炼或电弧炉冶炼+炉外精炼。
本发明还提供了所述抗菌不锈钢的热处理工艺，该工艺包括如下步骤：
(1)热加工：钢锭于1020-1100℃均匀化处理1-4小时，开坯锻造，分多道次锻造成坯料，终锻造温度不低于800℃；
(2)固溶热处理：1020-1100℃固溶处理1-4小时，空冷或水冷至室温。
(3)时效热处理：550-800℃处理1-10小时，空冷或水冷至室温。
本发明的有益效果是：
1、对于现有含Cu抗菌不锈钢而言，主要依靠Cu离子的微量溶出来起到抑制细菌增殖的目的。由于其自身溶出速率和溶出浓度的限制，对于细菌浓度更高的情况，含Cu抗菌不锈钢的抗菌效果不佳。因此本发明以现有含Cu抗菌不锈钢为基础，适当增加了钢中的Ga含量，同时调配其它元素含量，并辅以一定的热处理工艺，从而使钢中基体上能析出足量的富Ga相，增加Cu离子的抗菌效果。
2、由于Ga的添加，能够有效缩短含Cu抗菌不锈钢的抗菌作用时间。
应用范围：
本发明所述抗菌不锈钢具有更强抗菌性能和时效性，可广泛应用于食品类加工容器领域的消毒设备、蔬菜加工设备、水果加工设备、肉制品加工设备等的各类不锈钢容器用材料。
附图说明
图1为抗菌不锈钢杀灭大肠杆菌(细菌浓度为105CFU/mL)的杀菌动力学曲线。(a)含Cu抗菌不锈钢，(b)含Ga+Cu抗菌不锈钢。
图2为抗菌不锈钢杀灭大肠杆菌(细菌浓度为107CFU/mL)的杀菌动力学曲线。(a)含Cu抗菌不锈钢，(b)含Ga+Cu抗菌不锈钢。
图3为图1Fe-Ga二元相图。
具体实施方式
根据本发明抗菌不锈钢所设定的化学成分范围，本发明抗菌不锈钢采用15公斤真空感应炉冶炼实施例1-7和1炉对比例抗菌不锈钢各10公斤，其化学成分见表1。
锻造工艺为：合金铸锭在1080℃±20℃均匀化热处理2小时开坯，分三火锻造为60×80mm的初轧板材，终锻温度为950℃。
热轧工艺为：初轧坯料在1050℃±20℃温度保温2小时开轧，经多道次轧制成性能测试板材，本实施例板厚均为5mm厚。
表1实施例和对比例的抗菌不锈钢化学成分(wt,％)
Figure BDA0001619809190000041
1、抗菌性能检测
根据“JIS Z 2801-2000《抗菌加工制品－抗菌性试验方法和抗菌效果》、GB/T2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等相关标准规定，并选择细菌浓度为107CFU/mL。定量测试了实施例和对比例抗菌不锈钢对常见感染菌(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌)作用后的杀菌率。抗菌性能检测结果见表2，其中杀菌率的计算公式为：杀菌率(％)＝[(空白对照样活菌数-抗菌不锈钢样品活菌数)/对照普通不锈钢样品活菌数]×100，空白对照样活菌数是在惰性玻璃平板上进行细菌培养后的活菌数，抗菌不锈钢活菌数是指包括含Cu抗菌不锈钢或含(Cu+Ga)抗菌不锈钢上进行细菌培养后的活菌数。
2、抗菌动力学性能检测
选择细菌菌液(细菌浓度为105CFU/mL和107CFU/mL)与抗菌不锈钢样片作用不同时间后，参照“JIS Z 2801-2000《抗菌加工制品－抗菌性试验方法和抗菌效果》、GB/T 2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等相关标准中的操作规定，按照上述杀菌率的计算公式计算，并绘制抗菌动力学曲线。
实施例1
在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：
在1040℃保温1h，水冷至室温后，使钢中的Ga处于过饱和状态；然后在580℃保温6h，使钢中析出富Ga相，水冷至室温。
按照“JIS Z 2801-2000《抗菌加工制品－抗菌性试验方法和抗菌效果》、GB/T2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等标准规定，并选择细菌浓度为107CFU/mL。对典型细菌的抗菌性能检测，其结果为：
(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥91.0％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥92.3％。
实施例2
在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：
在1050℃保温2h，水冷至室温后，使钢中的Ga处于过饱和状态；然后在620℃保温5h，使钢中析出足够体积分数的富Ga相，空冷至室温。对典型细菌(菌浓度为107CFU/mL)的抗菌性能检测，其结果为：
(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥92.0％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥93.4％。
实施例3
在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：
在1060℃保温3h，水冷至室温后，使钢中的Ga处于过饱和状态；然后在700℃保温4h，使钢中析出足够体积分数的富Ga相，空冷至室温。对典型细菌(菌浓度为107CFU/mL)的抗菌性能检测，其结果为：
(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥92.6％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥94.7％。
实施例4
在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：
在1100℃保温1h，水冷至室温后，使钢中的Ga处于过饱和状态；然后在550℃保温10h，使钢中析出足够体积分数的富Ga相，空冷至室温。对典型细菌(菌浓度为107CFU/mL)的抗菌性能检测，其结果为：
(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥93.4％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥94.5％。
实施例5
在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：
在1060℃保温3h，水冷至室温后，使钢中的Ga处于过饱和状态；然后在680℃保温7h，使钢中析出足够体积分数的富Ga相，空冷至室温。对典型细菌(菌浓度为107CFU/mL)的抗菌性能检测，其结果为：
(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥94.8％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥95.9％。
实施例6
在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：
在1050℃保温4h，水冷至室温后，使钢中的Ga处于过饱和状态；然后在800℃保温1.5h，使钢中析出足够体积分数的富Ga相，空冷至室温。对典型细菌(菌浓度为107CFU/mL)的抗菌性能检测，其结果为：
(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥98.5％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥97.4％。
实施例7
在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：
在1060℃保温3h，水冷至室温后，使钢中的Ga处于过饱和状态；然后在600℃保温5h，使钢中析出足够体积分数的富Ga相，空冷至室温。对典型细菌(菌浓度为107CFU/mL)的抗菌性能检测，其结果为：
(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥99.8％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥99.5％。
对比例
在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：
在1080℃保温4h，水冷至室温后，使钢中的Cu处于过饱和状态；然后在620℃保温6h，使钢中析出足够体积分数的富Cu相，空冷至室温。对典型细菌(菌浓度为107CFU/mL)的抗菌性能检测，其结果为：
(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥61.4％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥64.6％。
以实施例4和对比例分别进行抗菌动力学曲线的绘制，抗菌结果如图1和图2所示。结果表明，含Cu+Ga抗菌不锈钢在大肠杆菌浓度在105CFU/mL和107CFU/mL时，抗菌率超过90％的作用时间均在2小时左右；而对于含Cu抗菌不锈钢，其在大肠杆菌浓度在105CFU/mL时，抗菌率超过90％时的细菌和样片作用均超过6小时以上，当大肠杆菌浓度在107CFU/mL时，不论细菌和样片作用时间多长，抗菌率均不能超过90％。
一般来说，抗菌率超过90％的材料才可称之为抗菌材料。实施例和对比例结果表明，采用本发明提出的抗菌不锈钢能够在细菌浓度保持在107CFU/mL时仍能保持超过90％以上的抗菌率，而对比例含Cu抗菌不锈钢抗菌效果明显降低。此外，抗菌动力学实验结果也进一步印证：相比较于含Cu抗菌不锈钢，含Cu+Ga抗菌不锈钢具有更好的抗菌效率，抗菌作用时间明显缩短。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种食品类加工容器用抗菌不锈钢，其特征在于：按重量百分比计，该不锈钢的化学成分如下：C：≤0.08；Si：≤1.00；Mn：≤1.00；P：≤0.04；S：≤0.03；Ni：5.50-8.50；Cr：15.5-18.5；Cu：3.0-5.0；Ga：0.50-2.0；余量为Fe；该不锈钢对浓度为107CFU/mL的细菌具有有效抗菌作用。
2.按照权利要求1所述食品类加工容器用抗菌不锈钢，其特征在于：按重量百分比计，该不锈钢的化学成分如下：C：≤0.03；Si：≤0.50；Mn：≤0.50；P：≤0.01；S：≤0.01；Ni：6.50-7.50；Cr：16.5-17.5；Cu：3.5-4.5；Ga：0.50-1.5；余量为Fe。
3.一种权利要求1所述食品类加工容器用抗菌不锈钢的制备方法，其特征在于，所述抗菌不锈钢采用以下方法获得：真空感应冶炼、电弧炉+连铸冶炼或电弧炉冶炼+炉外精炼。
4.按照权利要求3所述食品类加工容器用抗菌不锈钢的制备方法，其特征在于，冶炼所得的不锈钢采用以下热加工及热处理工艺：
热加工：钢锭于1020-1100℃均匀化处理1-4小时，开坯锻造，分多道次锻造成坯料，终锻造温度不低于800℃；
固溶热处理：1020-1100℃固溶处理1-4小时，空冷或水冷至室温；
时效热处理：550-800℃处理1-10小时，空冷或水冷至室温。
5.一种权利要求1所述抗菌不锈钢作为食品类加工容器的应用。
6.按照权利要求5所述的应用，其特征在于：所述食品类加工容器为消毒设备、蔬菜加工设备、水果加工设备、肉制品加工设备之一种或多种。
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