CN108728768B - 一种食品加工容器或管道用强抗菌不锈钢 - Google Patents

一种食品加工容器或管道用强抗菌不锈钢 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种食品加工容器或管道用抗菌不锈钢及其制备方法。该不锈钢材料的化学成分如下(重量％)：C：≤0.03％；Si：≤1.00％；Mn：≤1.00％；S：≤0.005％；P：≤0.01％；Ni：13.0‑16.0％；Cr：17.0‑19.0％；Cu：2.0‑4.0％；Mo：2.0‑3.5％；N：0.05‑0.30％；Ga：0.5‑1.5％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。本发明的食品加工容器用新材料具有更强的抗细菌感染功能，能够显著降低现有不锈钢食品加工容器在使用过程中而引发的细菌感染风险，可广泛应用于高温清洗设备、罐装设备、杀菌设备及干燥设备等与食品加工容器或管道相关的不锈钢设备。

Description

一种食品加工容器或管道用强抗菌不锈钢
技术领域
本发明涉及不锈钢材料技术领域，具体为一种食品加工容器或管道用抗菌不锈钢及其制备方法，其具有独特的抗细菌感染功能，可广泛应用于高温清洗设备、罐装设备、杀菌设备及干燥设备等与食品加工容器及管道相关的不锈钢设备。
背景技术
传统食品加工设备用不锈钢通常为316L不锈钢，这是由于其具有优良的耐蚀性能和综合力学性能等优点。含铜抗菌不锈钢，是在现有不锈钢中添加适量具有杀菌作用的金属元素铜，经过特殊热处理后获得优异抗菌性能的新型金属功能材料，它应可以应用到现有食品加工容器设备领域。但在实际食品加工过程中，食品本身包含有细菌快速繁殖所需的营养，因此，一旦有细菌滋生，菌群的繁殖速率将大大增加。而现有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将显著降低。
此外，当含铜抗菌不锈钢材料与食品溶液介质环境接触时，作为不锈钢的主要元素铁离子也会相应的大量溶出。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也是不利的。
因此，现有技术的不足在于：目前食品加工容器及管道用含铜抗菌不锈钢不能应对更高细菌繁殖速率和需要抗菌时效性的食品加工环境，来消除或减少相关食品加工器械使用过程中引发的细菌感染风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种食品加工容器或管道用抗菌不锈钢及其制备方法，该新型抗菌不锈钢与现有含铜抗菌不锈钢相比，能够有效抑制具有更高细菌浓度的常见细菌，并且缩短了抗菌作用时间，进一步显著地降低了现有食品加工容器及管道用不锈钢器械使用中引发的细菌感染风险。
本发明的技术方案是：
一种食品加工容器或管道用抗菌不锈钢，其特征在于：按重量百分比计，该抗菌不锈钢的化学成分为：C：≤0.03％；Si：≤1.00％；Mn：≤1.00％；S：≤0.005％；P：≤0.01％；Ni：13.0-16.0％；Cr：17.0-19.0％；Cu：2.0-4.0％；Mo：2.0-3.5％；N：0.05-0.30％；Ga：0.5-1.5％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。
作为优选的技术方案，其化学成分如下：C：≤0.03％；Si：≤0.50％；Mn：≤0.50％；P：≤0.005％；S：≤0.005％；Ni：14.0-15.0％；Cr：17.5-18.5％；Cu：2.5-3.5％；Mo：2.5-3.0％；N：0.10-0.20％；Ga：0.80-1.20％；余量为Fe。
在本发明所述抗菌不锈钢的成分设计中，镓(Ga)是合金中最重要的合金化元素，在金属材料领域，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，还未见镓在不锈钢中应用的相关报道。依据Fe-Ga二元相图，在一定温度范围内，Ga能够与Fe形成三价的Fe3Ga相(αFe3Ga和βFe3Ga)。当保证在合适热处理条件下，富Ga相在含铜不锈钢基体中能均匀弥散析出。当Ga含量较低时，即使经过特殊热处理，不锈钢基体中不易析出富Ga相，当与溶液介质接触时，就不能析出足够浓度的Ga离子，以抑制细菌的正常增殖活动，并充分发挥Ga离子和Cu离子的协同抗菌作用。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。
本发明所提供的抗菌不锈钢中的其它元素如Cu、Cr、Mo、N和Ni等，用于保证该材料基本的抗菌性能、力学性能和耐腐蚀性能。
本发明所述抗菌不锈钢的制备方法包括如下步骤：
热加工：钢锭于1050-1130℃均匀化处理1-3小时，开坯锻造，分多道次锻造成坯料，终锻造温度不低于920℃；
固溶热处理：1050-1130℃固溶处理1-3小时，空冷或水冷至室温。
时效热处理：560-680℃处理1-8小时，空冷或水冷至室温。
其目的为保证本发明所述抗菌不锈钢基体中能够析出足够的富Ga相和富Cu相以起到更强的抗细菌感染功能。
因此，本发明的食品加工容器或管道用抗菌不锈钢创新地实现了Ga离子和Cu离子在不锈钢中的完美结合，Ga离子的出现进一步提升了Cu离子的抗菌功效。在保证新型抗菌不锈钢具有良好力学性能和耐蚀性能的前提下，赋予食品加工容器或管道用抗菌不锈钢更强的抗细菌感染能力和抗菌时效性，能够显著降低现有食品加工容器或管道用不锈钢在使用中引发的细菌感染风险，可广泛应用于高温清洗设备、罐装设备、杀菌设备及干燥设备等与食品加工容器或管道相关的不锈钢设备。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过实验研究，在现有含铜抗菌不锈钢中添加0.5-1.5％(重量百分比)的Ga元素，获得了具有更强抗菌功能和抗菌时效性的食品加工容器或管道用抗菌不锈钢新材料。
2、本发明中的抗菌不锈钢可广泛应用于高温清洗设备、罐装设备、杀菌设备及干燥设备等与食品加工容器或管道相关的不锈钢设备。
附图说明
图1为抗菌不锈钢杀灭金黄色葡萄球菌(细菌浓度为107CFU/mL)的杀菌效果照片；(a)含Cu抗菌不锈钢，(b)含Ga抗菌不锈钢。
图2为抗菌不锈钢杀灭金黄色葡萄球菌(细菌浓度为107CFU/mL)的杀菌动力学曲线(含Cu抗菌不锈钢和含Ga+Cu抗菌不锈钢)。
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，采用25公斤真空感应炉冶炼实施例1-5本发明抗菌不锈钢和对比例抗菌不锈钢25公斤。
锻造工艺：钢锭于1100℃均匀化处理3小时，开坯锻造，分多道次锻造成坯料，终锻造温度950℃；
固溶热处理：1100℃固溶处理1.5小时，空冷至室温。
时效热处理：620℃处理4小时，水冷至室温。
1、抗菌性能检测
分别实施例含Ga抗菌不锈钢和对比例含铜不锈钢，根据“JIS Z2801-2000《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。定量测试了所示实施例和对比例中的普通含铜抗菌不锈钢和新型含Ga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，细菌浓度为107CFU/mL。其中杀菌率的计算公式为：杀菌率(％)＝[(空白对照样品活菌数-抗菌不锈钢活菌数)/空白对照活菌数]×100，空白对照样品活菌数是单独培养基条件下进行细菌培养后的活菌数，抗菌不锈钢活菌数是指在含铜抗菌不锈钢和新型含Ga抗菌不锈钢上进行细菌培养后的活菌数。
实施例1
抗菌不锈钢的化学成分(质量百分比)为：C：0.01％；Si：0.72％；Mn：0.24％；P：0.003％；S：0.004％；Ni：13.0％；Cr：17.0％；Cu：2.0％；Mo：2.0％；N：0.05％；Ga：0.5％；余量为Fe。
对典型细菌的抗菌性能检测结果为：
对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥96.6％；
对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥95.8％。
一般来说，抗菌率超过90％的材料才可称之为抗菌材料。综上可知，实施例1含Ga抗菌不锈钢具有显著的抗菌效果。
实施例2
抗菌不锈钢的化学成分(质量百分比)为：C：0.01％；Si：0.80％；Mn：0.25％；P：0.003％；S：0.004％；Ni：14.0％；Cr：17.5％；Cu：2.5％；Mo：2.5％；N：0.10％；Ga：0.8％；余量为Fe。
对典型细菌的抗菌性能检测结果为：
对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥97.9％；
对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥98.4％。
综上可知，实施例2含Ga抗菌不锈钢具有显著的抗菌效果。
实施例3
抗菌不锈钢的化学成分(质量百分比)为：C：0.01％；Si：0.64％；Mn：0.33％；P：0.003％；S：0.004％；Ni：14.5％；Cr：18.0％；Cu：3.0％；Mo：2.8％；N：0.15％；Ga：1.0％；余量为Fe。
对典型细菌的抗菌性能检测结果为：
对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥97.7％；
对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥97.9％。
综上可知，实施例3含Ga抗菌不锈钢具有显著的抗菌效果。
实施例4
抗菌不锈钢的化学成分(质量百分比)为：C：0.01％；Si：0.82％；Mn：0.28％；P：0.003％；S：0.004％；Ni：15.0％；Cr：18.5％；Cu：3.5％；Mo：3.0％；N：0.20％；Ga：1.2％；余量为Fe。
对典型细菌的抗菌性能检测结果为：
对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥98.8％；
对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥98.6％。
综上可知，实施例4含Ga抗菌不锈钢具有显著的抗菌效果。
实施例5
抗菌不锈钢的化学成分(质量百分比)为：C：0.01％；Si：0.88％；Mn：0.37％；P：0.003％；S：0.004％；Ni：16.0％；Cr：19.0％；Cu：4.0％；Mo：3.5％；N：0.30％；Ga：1.5％；余量为Fe。
对典型细菌的抗菌性能检测结果为：
对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥97.0％；
对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥97.5％。
综上可知，实施例5含Ga抗菌不锈钢具有显著的抗菌效果。
对比例
抗菌不锈钢的化学成分(质量百分比)为：C：0.01％；Si：0.94％；Mn：0.19％；P：0.003％；S：0.004％；Ni：14.5％；Cr：18.0％；Cu：3.0％；Mo：2.8％；N：0.15％；余量为Fe。
对典型细菌的抗菌性能检测结果为：
对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥58.1％；
对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥63.2％。
综上可知，对比例抗菌不锈钢在高的细菌浓度下抗菌效果并不明显。
以实施例3和对比例分别进行细菌与样片作用不同时间后的抗菌动力学曲线的绘制，抗菌结果如图2所示。结果表明，含Ga抗菌不锈钢抗菌率超过90％的作用时间均在2小时左右；而对于含Cu抗菌不锈钢，其抗菌率超过50％时的细菌和样片作用均超过6小时以上。由此可知含Ga抗菌不锈钢具有更强的抗菌时效性。
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)

1.一种食品加工容器或管道用强抗菌不锈钢，其特征在于：按重量百分比计，该不锈钢的化学成分为：C：≤0.03％；Si：≤1.00％；Mn：≤1.00％；S：≤0.005％；P：≤0.01％；Ni：13.0-16.0％；Cr：17.0-19.0％；Cu：2.0-4.0％；Mo：2.0-3.5％；N：0.05-0.30％；Ga：0.5-1.5％，其余为Fe及不可避免的杂质元素；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所述食品加工容器或管道用强抗菌不锈钢，按重量百分比计，其优选的化学成分如下：C：≤0.03％；Si：≤0.50％；Mn：≤0.50％；P：≤0.005％；S：≤0.005％；Ni：14.0-15.0％；Cr：17.5-18.5％；Cu：2.5-3.5％；Mo：2.5-3.0％；N：0.10-0.20％；Ga：0.80-1.20％；余量为Fe。
3.一种权利要求1或2所述食品加工容器或管道用强抗菌不锈钢的制备方法，其特征在于：所述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所述食品加工容器或管道用强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1050-1130℃均匀化处理1-3小时，开坯锻造，分多道次锻造成坯料，终锻造温度不低于920℃；
固溶热处理：1050-1130℃固溶处理1-3小时，空冷或水冷至室温；
时效热处理：560-680℃处理1-8小时，空冷或水冷至室温。
5.一种权利要求1或2所述强抗菌不锈钢在制备食品加工容器或管道方面的应用。
6.按照权利要求5所述强抗菌不锈钢在制备食品加工容器或管道方面的应用，其特征在于：所述食品加工容器或管道为高温清洗设备、罐装设备、杀菌设备、干燥设备涉及到的容器或管道之一种或多种。
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