利用物理氣相沉積技術製造表面抗菌製品的方法
2023-05-01 23:41:46 1
專利名稱：利用物理氣相沉積技術製造表面抗菌製品的方法
技術領域：
本發明涉及一種表面抗菌製品的製備方法，特別是涉及一種利用物理氣相沉積技術製造表面抗菌製品的方法。
背景技術：
抗菌製品的抗菌能力主要體現在抗菌製品的表面。傳統的抗菌製品採用在金屬材料、高分子材料、釉瓷等基材中直接摻入抗菌材料製成，這種方法造成大量抗菌材料的浪費，且製造工藝複雜，加工成本過高。現有技術中出現了一些採用物理氣相沉積技術製造表面抗菌製品的新技術，如中國專利申請《一種表面抗菌、耐磨不鏽鋼製品及其製備方法》(申請號200410027063.2)，該技術提供了一種採用磁控濺射法製備耐磨、抗菌不鏽鋼製品的方法，此方法單純用於不鏽鋼製品的生產，存在使用範圍過小，在許多領域不實用，①有些技術領域不需要耐磨技術，如一次性抗菌導尿管、醫用傷口縫合線表面、及呼吸機管道內壁等；②使用的抗菌材料僅有銀和銅，在特殊技術領域達不到要求，如光催化領域就無法實現，現有的光催化材料TiO2僅能在387.5納米以下的紫外光照射下有抗菌作用，在387.5納米以上就不抗菌了；③這種鍍膜方法具有方向性，不適用於複雜表面的鍍件，如呼吸機管道內壁等。
物理氣相沉積技術分四種真空蒸發鍍、磁控濺射鍍、多弧鍍和等離子鍍，其中採用上述等離子鍍、磁控濺射鍍和多弧鍍三種方法鍍膜時，均需在鍍膜腔內加入氬氣，氬氣在磁場和高壓電流的作用下變成帶電的氬離子，氬離子高速打擊靶材，從而將靶材擊向被鍍工件，同時在反應鍍膜時，還須加入氧氣、氮氣、乙炔氣、硫化氫等反應氣體，使靶材物質變成氧化物、碳化物、氮化物、硫化物等。而離子鍍是指在被鍍工件上加上偏壓電流，便沉積物質具有方向性和高速動能，使鍍材和基材更緊密結合。主要有多弧離子鍍，離子束輔助沉積鍍，離化團束的沉積鍍及等離子鍍等。
但是，在實際工作中上述鍍膜技術均存在不同的技術缺陷，如1.在實際工作中發現，濺射平面靶的物質利用率僅為20％，而濺射園柱靶的物質利用率為80％，象銀等貴重金屬材料多選用園柱靶，將製成的銀管套在銅製的靶芯上。在使用過程中銀套管受熱後會出現橫向膨脹，縱向收縮，即銀管變粗變短，使銀管與銅芯分離，影響濺射效果。
2.在多弧鍍膜過程中，特別是鍍黑膜過程中出現反應不全面，即鍍不出純黑製品，這是因為多弧鍍是利用電弧方法蒸發靶材，產生大量的離子氣流，這種大量的離子氣流排斥反應氣體到達被鍍工件表面。
3.在磁控濺射鍍黑膜過程中易出現靶中毒現象，這是由於為鍍制純黑色製品向爐腔內充入過量碳氫氣體，致氬離子濃度下降，影響濺射效果。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺陷，提供一種成本低，使用範圍更為廣泛而且製作簡單方便的利用物理氣相沉積技術製造表面抗菌製品的方法，本發明的方法具有①可以將抗菌材料鍍制到複雜表面被鍍件上；②加強光催化抗菌材料的抗菌效果；③提供出更多的抗菌材料；④解決園柱靶的套管與管芯相分離；⑤用多弧鍍純黑膜工藝；⑥磁控濺射鍍純黑膜，又防止靶中毒等優點。
本發明的技術方案為一種利用物理氣相沉積技術製造表面抗菌製品的方法，包括利用物理氣相沉積技術將抗菌靶材或蒸發物鍍到基材表面形成膜層，其特徵是所述的抗菌材料為Ti、Zn、Ca、Si、Mg、Zr、Cd、As、Sb、Se、Ce、Re、Cu、Ag、Pb、Hg、Co、Ni、Al、Fe及其氧化物、硫化物、氮化物、碳化物中的一種或幾種，其在物理氣相沉積技術中充入的反應氣體為O2、N2、NH3、CH4、C2H6或H2S；上述物理氣相沉積技術為蒸發鍍、磁控濺射鍍、多弧鍍或等離子鍍；所述的等離子鍍為浸沒式等離子體鍍、磁控濺射等離子鍍、射頻等離子鍍、微波等離子鍍、熱絲陰極輔助等離子鍍或離化團束沉積等離子鍍；所述離化團束沉積等離子鍍裝置由下至上依次為加熱源、離子化裝置、加速電極及襯底，坩堝安裝在加熱源內部，且為3～5個；所述的離子化裝置為微波離化裝置；在所述的多弧鍍工藝中，需要在上述抗菌靶材上鑽有微小氣孔，並利用氣管向該氣孔內通入反應氣體；在所述的磁控濺射鍍工藝中，需要在基材表面設置通氣線管；所述的抗菌材料在膜層中所佔的比例為0.01％～100％；所述的圓柱靶是由銅管制成的內芯和抗菌材料製成的外套組成，上述抗菌材料被製成金屬帶後繞貼在內芯上；所述的圓柱靶是由銅管制成的內芯和抗菌材料製成的外套組成，上述內芯與外套採用螺紋連接；所述的基材為乾燥的固體材料，可以為金屬材料、非金屬材料、纖維製品、高分子材料、乾燥的植物材料或皮革材料；所述的表面抗菌製品為不鏽鋼刀具，其製作工藝為先將含銀或含銅不鏽鋼板焊接或粘貼在刀具主體鋼板刀刃口處，然後磨製刀鋒，再進行物理氣相沉積鍍制耐磨抗菌表層。
採用本發明的技術方案可產生如下技術效果1.可將抗菌材料鍍制到複雜製品表面，如呼吸機管道內壁，本發明採用浸沒式等離子體鍍。在磁控濺射輝光放電等離子體中，給被鍍件施加脈衝電壓，壓高在數十千伏，被鍍件就被等離子體浸沒，等離子體中的離子將被到工件的各表面，在鉤、孔中都能被鍍到。除磁控濺射等離子體外還有射頻等離子體、微波等離子體，熱絲陰極輔助等離子體，均可用於抗菌鍍膜。
2.利用抗菌材料的組合加強光催化抗菌材料的抗菌效果具有光催化抗菌材料有TiO2、ZnO、CaO、SiO2、MgO、ZrO2、CdS、SeO2、SiC。這些材料光催化作用較低，在自然光照下顯示不出抗菌效果，當在鍍膜過程中加入稀土鈰、錸或抗菌材料Cu、Ag、Pb等，在自然光下就有很強的抗菌作用。在物理氣相沉積過程中，將Ti、Zn、Ca、Si、Mg、Zr、Ca、Se、Si，材料為單質材料或化合物中的一種或多種，加入稀土鈰、錸或Cu、Ag、Pb中的一種或多種材料混合鍍，並充入相應的氣體O2就可以鍍出具體光催化作用的複合抗菌材料。
3.提供出更多的抗菌材料本發明採用物理氣相沉積技術製備表面抗菌製品，其工藝製作簡單方便，效率高，成本低，且本發明根據需要將具有不同特性的抗菌材料排列組合，從而獲得適用於不同技術領域的表面抗菌製品，如採用對人體安全無毒的Ag、Cu、Zn、Ce、Ca製備人體植入材料和食具等表面抗菌製品；採用安全的Co、Ni、Al、Fe、S製備人體接觸材料等表面抗菌製品；採用具有強殺菌能力，但對人體有毒的抗菌材料As、Sb、Se、Hg製備其它表面抗菌製品；採用抗細菌強的如Ag與抗黴菌強的如Cu混合鍍製備廣譜性抗菌製品；在銀鍍膜材料中加入Zn、Ce、Cr解決銀易氧化發黑的缺陷，獲得外觀漂亮，性質穩定的表面抗菌製品。充入的反應氣體有O2、N2、NH3、CH4、C2H6、H2S，上述抗菌材料與反應氣體可以根據需要相互組合，抗菌材料也可以相互組合，如AgS、AgCeNi也可以與其它金屬非金屬相互組合如AgW、CrAgN、CuZnO等可相互組合成數千種新組合抗菌材料。所述的單質的抗菌材料在被鍍膜層中所佔的比例為0.01％～100％。
4.解決了園柱靶的套管與管芯相分離缺陷，本發明採用上述抗菌靶材料為圓柱靶，所述的圓柱靶是由銅管制成的內芯和抗菌材料製成的外套組成，上述抗菌材料可以採用金屬帶繞貼在內芯上，也可以採用螺紋連接方式與內芯連接。
5.實現了用多弧鍍鍍純黑膜工藝，本發明採用在多弧靶周邊打上微小氣孔，直接向孔內通入CH4、C2H6氣體，在鍍區形成高碳，就可以鍍制純黑膜質。
6.實現了磁控濺射鍍既能鍍純黑膜，又可防止靶中毒的弊端，本發明採用在被鍍工件(基材)表面分布通氣線管，通入氣體CH4、C2H6在被鍍工件表面形成高碳化區，可有效地防止靶中毒，可以鍍制純黑膜質。
7.本發明還提供一種組合離化團束沉積技術。離化團束沉積是利用具有一定能量的離化原子團實現薄膜的沉積。這種離化後的原子團可以包括幾百甚至幾千個原子，它在電場的加速下沉積在被鍍工件上，在與工作件接觸的瞬間，原子團發生破裂，原子分散開來並沉積在襯底表面。這具有沉積各種材料，鍍膜附著力好，溫度低，可控制。本發明技術由於需複合材料鍍膜，各種物質的氣化溫度點不同需要有多個蒸發坩堝才能滿足需要。一般採用電阻加熱法。為了控制方便，本發明設計一種碳包埋坩，一組微波加熱法，本方法有一大好處，微波可以給予離化團帶電荷，加速離化效果，使離化原子團濺射速度加快，鍍膜質量更好。
圖1為弧源靶分布氣體管道示意圖，其中5為離子弧區；圖2為弧源靶切面圖；圖3為採用金屬帶繞貼法製作的套管圓柱靶的結構示意圖；圖4為採用螺紋連接製作的套管圓柱靶的結構示意圖；圖5為採用浸沒式等離子體鍍進行表面鍍膜的原理示意圖；圖6為採用離化團束沉積等離子鍍進行表面鍍膜的原理示意圖；圖7為抗菌不鏽鋼餐刀的結構示意簡圖；圖8為圖7的A-A向視圖。
1.通氣孔 2.通氣管 3.靶材或蒸發物 4.被鍍基材 5.等離子體爐6.熱絲陰極 7.氣體輸入管 8.高壓脈衝 9.坩堝 10.熱源 11.離化源12.加速電極 13.襯底 14.刀體 15.含銀不鏽鋼刃口刀體 16.抗菌鍍膜層具體實施方式
實施例1採用蒸發鍍膜技術進行物體表面鍍抗菌層。
該鍍膜技術是在現有的活化反應蒸發沉積裝置中進行的其中基材選用乾燥的固體材料，如金屬材料、非金屬材料、纖維製品、高分子材料、乾燥的植物材料或皮革材料，抗菌蒸發材料選用Ti、Zn、Ca、Si、Mg、Zr、Cd、As、Sb、Se、Ce、Re、Cu、Ag、Pb、Hg、Co、Ni、Al、Fe及其氧化物、硫化物、氮化物、碳化物中的一種或幾種，其用量為整個膜層重量的0.01％～100％，反應氣體為O2、N2、NH3、CH4、C2H6或H2S。
實施例2採用多弧鍍技術進行物體表面鍍抗菌層。
該鍍膜技術是在現有的多弧離子鍍膜機中進行的其中基材選用乾燥的固體材料，如金屬材料、非金屬材料、纖維製品、高分子材料、乾燥的植物材料或皮革材料，抗菌靶材選用Ti、Zn、Ca、Si、Mg、Zr、Cd、As、Sb、Se、Ce、Re、Cu、Ag、Pb、Hg、Co、Ni、Al、Fe及其氧化物、硫化物、氮化物、碳化物中的一種或幾種，其用量為整個膜層重量的0.01％～100％，在圖1.圖2中所示，此時需要在抗菌靶材3上鑽有微小氣孔1，並利用氣管2向該氣孔1內通入反應氣體。在多弧鍍膜爐中還設置有磁控濺射抗菌靶材，且抗菌靶材3為圓柱靶，圖3所示，該圓柱靶是由銅管制成的內芯3-1和抗菌材料製成的外套3-2組成，上述抗菌材料被製成金屬帶後繞貼在內芯上；反應氣體為O2、N2、NH3、CH4、C2H6或H2S。
實施例3採用磁控濺射鍍膜技術進行表面抗菌製品的製備。
該鍍膜技術是在現有的磁控濺射離子鍍膜機中進行的其中基材選用乾燥的固體材料，如金屬材料、非金屬材料、纖維製品、高分子材料、乾燥的植物材料或皮革材料，抗菌靶材選用Ti、Zn、Ca、Si、Mg、Zr、Cd、As、Sb、Se、Ce、Re、Cu、Ag、Pb、Hg、Co、Ni、Al、Fe及其氧化物、硫化物、氮化物、碳化物中的一種或幾種，其用量為整個膜層重量的0.01％～100％，此時需要需要在基材表面設置通氣線管。且抗菌靶材3為圓柱靶，圖4所示該圓柱靶是圓柱靶是由銅管制成的內芯3-1和抗菌材料製成的外套3-2組成，上述內芯與外套採用螺紋連接。反應氣體為O2、N2、NH3、CH4、C2H6或H2S。
實施例4採用磁控濺射鍍膜技術進行表面抗菌製品的製備。
該鍍膜技術是在離化團束沉積等離子鍍裝置中進行的其中基材選用乾燥的固體材料，如金屬材料、非金屬材料、纖維製品、高分子材料、乾燥的植物材料或皮革材料，抗菌靶材選用Ti、Zn、Ca、Si、Mg、Zr、Cd、As、Sb、Se、Ce、Re、Cu、Ag、Pb、Hg、Co、Ni、Al、Fe及其氧化物、硫化物、氮化物、碳化物中的一種或幾種，其用量為整個膜層重量的0.01％～100％，反應氣體為O2、N2、NH3、CH4、C2H6或H2S。
上述離化團束沉積等離子鍍裝置的基本結構同現有技術一致，圖6所示為由下至上依次為加熱源10、離子化裝置11、加速電極12及襯底13，坩堝9安裝在加熱源10內部，主要區別在於坩堝9為多個，一般為3～5個，可以盛放多種靶材。
實施例5採用浸沒式等離子體鍍進行表面抗菌製品的製備。
該鍍膜技術是在浸沒式等離子體鍍裝置中進行的，圖5所示其中基材選用乾燥的固體材料，如金屬材料、非金屬材料、纖維製品、高分子材料、乾燥的植物材料或皮革材料，抗菌靶材選用Ti、Zn、Ca、Si、Mg、Zr、Cd、As、Sb、Se、Ce、Re、Cu、Ag、Pb、Hg、Co、Ni、Al、Fe及其氧化物、硫化物、氮化物、碳化物中的一種或幾種，其用量為整個膜層重量的0.01％～100％，此時需要需要在基材表面設置通氣線管。反應氣體為O2、N2、NH3、CH4、C2H6或H2S。
實施例6抗菌不鏽鋼刀的製備餐刀在切、剝、砍過程中其鋒口易鈍化及鋒利度會下降，需要磨製刀鋒，在磨製刀鋒過程中就會把刀鋒處的抗菌表層磨掉，磨掉表層部分就達不到抗菌效果。
為了解決這一問題，使用下述方案解決，圖7.圖8所示即在鍍膜前需要將不鏽鋼刀進行前處理，具體為先將含銀或含銅不鏽鋼板15焊接或粘貼在刀具主體鋼板14刀刃口處，然後磨製刀鋒，再進行物理氣相沉積鍍制耐磨抗菌表層，具體鍍膜技術可以採用上述實施例1～4中的任何一種。
通過上述方法製備的抗菌不鏽鋼刀具有以下優點1、刀刃被磨製後仍然有抗菌性。2、節省含銀不鏽鋼的使用量。
權利要求
1.一種利用物理氣相沉積技術製造表面抗菌製品的方法，是利用物理氣相沉積技術將抗菌靶材或蒸發物質沉積到被鍍基材表面形成抗菌膜層，其特徵是所述的抗菌靶材或蒸發物質為Ti、Zn、Ca、Si、Mg、Zr、Cd、As、Sb、Se、Ce、Re、Cu、Ag、Pb、Hg、Co、Ni、Al、Fe及其氧化物、硫化物、氮化物、碳化物中的一種或幾種，其在物理氣相沉積技術中充入的反應氣體為O2、N2、NH3、CH4、C2H6或H2S。
2.按照權利要求1所述的利用物理氣相沉積技術製造表面抗菌製品的方法，其特徵是上述物理氣相沉積技術為蒸發鍍、磁控濺射鍍、多弧鍍或等離子鍍。
3.按照權利要求2所述的利用物理氣相沉積技術製造表面抗菌製品的方法，其特徵是所述的等離子鍍為浸沒式等離子體鍍、磁控濺射等離子鍍、射頻等離子鍍、微波等離子鍍、熱絲陰極輔助等離子鍍或離化團束沉積等離子鍍。
4.按照權利要求3所述的利用物理氣相沉積技術製造表面抗菌製品的方法，其特徵在於所述離化團束沉積等離子鍍裝置由下至上依次為加熱源(10)、離子化裝置(11)、加速電極(12)及襯底(13)，坩堝(9)安裝在加熱源(10)內部，且為3～5個。
5.按照權利要求4所述的利用物理氣相沉積技術製造表面抗菌製品的方法，其特徵在於所述的離子化裝置(11)為微波離子化裝置。
6.按照權利要求1或2所述的利用物理氣相沉積技術製造表面抗菌製品的方法，其特徵是在所述的多弧鍍工藝中，需要在上述靶材(圖3、圖4所示)(3)上鑽有微小氣孔(1)，並利用氣管(2)向該氣孔(1)內通入反應氣體。
7.按照權利要求1或2所述的利用物理氣相沉積技術製造表面抗菌製品的方法，其特徵是在所述的磁控濺射鍍工藝中，需要在被鍍基材表面設置通氣線管。
8.按照權利要求1所述的利用物理氣相沉積技術製造表面抗菌製品的方法，其特徵在於所述的抗菌靶材在膜層中所佔的比例為0.01％～100％。
9.按照權利要求1所述的利用物理氣相沉積技術製造表面抗菌製品的方法，其特徵是上述抗菌靶材為圓柱靶或平面靶。
10.按照權利要求9所述的利用物理氣相沉積技術製造表面抗菌製品的方法，其特徵是所述的圓柱靶是由銅管制成的內芯(3-1)和抗菌材料製成的外套(3-2)組成，上述抗菌材料被製成金屬帶後繞貼在內芯上。
11.按照權利要求9所述的利用物理氣相沉積技術製造表面抗菌製品的方法，其特徵是所述的圓柱靶是由銅管制成的內芯(3-1)和抗菌材料製成的外套(3-2)組成，上述內芯與外套採用螺紋連接。
12.按照權利要求1所述的利用物理氣相沉積技術製造表面抗菌製品的方法，其特徵在於所述的被鍍基材為金屬材料、非金屬材料、纖維製品、高分子材料、乾燥的植物材料或皮革材料。
13.按照權利要求1所述的利用物理氣相沉積技術製造表面抗菌製品的方法，其特徵在於所述的表面抗菌製品為不鏽鋼刀具，其製作工藝為先將含銀或含銅不鏽鋼板(15)焊接或粘貼在刀具主體鋼板(14)刀刃口處，然後磨製刀鋒，再進行物理氣相沉積鍍制耐磨抗菌表層(16)。
全文摘要
本發明涉及一種利用物理氣相沉積技術製造表面抗菌製品的方法，本技術包括利用物理氣相沉積技術將抗菌靶材或蒸發材料鍍到基材表面形成抗菌膜層，其特徵是所述的抗菌靶材或蒸發材料為Ti、Zn、Ca、Si、Mg、Zr、Cd、As、Sb、Se、Ce、Re、Cu、Ag、Pb、Hg、Co、Ni、Al、Fe及其氧化物、硫化物、氮化物、碳化物中的一種或幾種，其在物理氣相沉積技術中充入的反應氣體為O
文檔編號C23C14/22GK1995442SQ20061012194
公開日2007年7月11日 申請日期2006年8月28日 優先權日2006年2月28日
發明者姜培齊 申請人:姜培齊