一種輕金屬基載銀複合抗菌層及其製備方法
2023-10-05 16:19:04 2
專利名稱：一種輕金屬基載銀複合抗菌層及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬表面抗菌層的製備，具體是輕金屬基載銀複合抗菌層及其製備方法。
背景技術：
鋁、鎂、鈦等輕金屬具有良好的導電導熱性及塑性，比強度高，因而廣泛應用於航空航天、機械、航海和交通運輸等領域。但是未經表面處理的輕金屬無法滿足具有高接觸應力的環境要求，所以需要對材料表面進行相應的加工處理。近些年來興起的微弧氧化技術大大克服了輕金屬某些機械性能的不足。利用該技術製備的陶瓷膜硬度高，耐磨耐蝕性和抗高溫衝擊性能好。另外，微弧氧化技術製備工藝相對簡單，電解液對環境無汙染，所以該技術成為目前材料表面工程領域的研究熱點，並已成功應用於某些微弧氧化技術領域。化學鍍也是一種常用的材料表面處理方法，其工藝相對簡單，已廣泛應用於微電子、無線電、 計算機工程和航天技術等領域。化學鍍對施鍍基體的形狀要求較低，可以在無規則外形的小型複雜零件上得到均勻鍍層。抗菌材料主要應用於紡織、醫藥及生活家居用品等和人類日常生活密切相關的領域。隨著人類生活水平和科學技術的不斷提高，新型抗菌性材料的研製備受關注。目前國內外研究人員已經製備出許多具有良好光譜抗菌性的載銀無機抗菌材料。為擴展抗菌材料的應用範圍，研究人員已經將目標逐漸轉向金屬基材料。目前，具有高度實用性的抗菌性金屬材料大致可分為合金型抗菌金屬材料；表面塗層型抗菌金屬材料；複合型抗菌金屬材料。其中表面塗層型抗菌金屬材料的基體材料選擇範圍大，獲得的膜層性能優異，功能性多樣化。但是，塗層型抗菌膜層的缺點是膜基結合力差，在應用環境中易磨損失效，生存持久性有待提高。有研究表明，在輕金屬陽極氧化膜上利用化學鍍銀製備載銀抗菌層，由於陽極氧化膜耐磨性較差，所以根據此方法製備的抗菌層在應用領域仍有所限制。
發明內容
本發明的目的是為克服現有技術的不足，而提供一種輕金屬基載銀複合抗菌層及其製備方法，該方法充分結合微弧氧化陶瓷層的特性和化學鍍銀的工藝特點，使複合抗菌層兼顧優良機械性能和高度抗菌性，並能夠對微弧氧化陶瓷層有效封孔，使複合抗菌層緻密均勻。本發明的另一個目的是提供一種微弧氧化添加劑的配比方案。實現本發明的技術方案是—種輕金屬基載銀複合抗菌層結構，包括輕金屬基體、設置在輕金屬基體表面上的微弧氧化陶瓷層和設置在微弧氧化陶瓷層上的化學鍍銀層。上述輕金屬基載銀複合抗菌層的具體製備方法，包括如下步驟(1)清潔輕金屬表面；(2)在微弧氧化電解液中加入添加劑進行微弧氧化，常溫處理45 70min，獲得具有一定厚度和高機械性能的陶瓷層；(3)再清洗、吹乾，進行敏化和活化預處理；(4)放入調配好的化學鍍液中進行化學鍍銀，常溫處理30 60min，對陶瓷層有效封孔，獲得具有高度抗菌性的複合抗菌層。所述輕金屬為鋁、鎂、鈦等金屬。步驟O)中所述的微弧氧化電解液為矽酸鹽、氫氧化鈉和偏鋁酸鹽的一種或幾種，使用濃度為矽酸鹽、偏鋁酸鹽的濃度為l_35g/L，氫氧化鈉的濃度為l-8g/L。所述微弧氧化電解液中的添加劑及其濃度為鎢酸鈉4 18g/L，氟化物(氟化鈉或氟化鉀)0. 3 lg/L，檸檬酸鈉1 3g/L，乙二胺四乙酸鈉1 4g/L，十二烷基苯磺酸鈉1 4g/L，酒石酸鉀鈉0. 2 6g/L，硼酸0. 4 lg/L，硝酸鈰0. 1 0. 4g/L，微弧氧化電解液的PH值為11。添加劑的組合不同，可以產生不同的效果，本發明所使用的添加劑含有以下四組，其中每組可選一種或幾種混合第一組對陶瓷層表面形貌起到有益效果，可以選擇鎢酸鈉、硼酸、氟化物和檸檬酸鈉的一種或幾種混合；第二組對陶瓷層耐磨性起到有益效果，可以選擇鎢酸鈉和硝酸鈰中的一種或兩種混合；第三組對陶瓷層耐蝕性起到有益效果， 可以選擇氟化物、檸檬酸鈉和酒石酸鈉中的一種或幾種混合；第四組對微弧氧化溶液穩定性起到有益效果，可以選擇乙二胺四乙酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉或酒石酸鉀鈉中的一種或幾種混合。將添加劑添加到微弧氧化電解液中。步驟(3)中所述的敏化處理是將3g氯化亞錫溶於30ml的37%鹽酸中，待溶液澄清後，用去離子水緩慢稀釋至150ml，室溫，將試件放入此溶液中處理13分鐘後，清洗，吹乾；活化處理是採用銀氨活化法，將2g無色透明的AgNO3晶體溶於200ml去離子水中，待晶體溶解後，向溶液中緩慢滴加氨水，溶液中開始出現棕色絮狀沉澱，繼續滴加氨水使沉澱逐漸溶解，直至溶液變為透明，停止滴加氨水，即為較佳的銀氨溶液，將清洗的試件放入該銀氨溶液中浸泡15分鐘後，清洗，吹乾。步驟中所述的化學鍍銀中使用的化學鍍液包括氧化液和還原液氧化液的配置將2. 4g無色透明的AgNO3晶體溶於IOOml去離子水中，待晶體溶解後，向溶液中緩慢滴加氨水，溶液中開始出現棕色絮狀沉澱，繼續滴加氨水使沉澱逐漸溶解，直至溶液變為透明，停止滴加氨水。緩慢滴入NaOH溶液，出現黑色沉澱，再次滴加氨水使沉澱溶解直至溶液變澄清；還原液的配置將2. 4g酒石酸鉀鈉溶於IOOml去離子水中，加熱煮沸15分鐘後， 冷卻至室溫，再加乙醇20ml即可使用；然後氧化液與還原液按體積比1 1混合，將氧化液緩慢倒入還原液中，儘可能減輕銀鏡反應現象，使銀鹽得到充分利用。產品經檢測鍍層具有較高的硬度、耐磨性和耐蝕性等綜合機械性能，表面光亮。本發明的有益效果是(1)本發明利用化學鍍銀在微弧氧化陶瓷層上製備複合抗菌層，由於微弧氧化層具有良好的硬度、耐磨性和耐蝕性等綜合機械性能，並且銀元素具有良好的廣譜抗菌性，所以此種複合抗菌層兼顧優良機械性能和高效抗菌性的特點；(2)本發明可以對微弧氧化陶瓷層有效封孔。微弧氧化陶瓷層具有多孔性表面結構，利用化學鍍銀工藝可以將銀元素充分滲入陶瓷層的孔隙中，從而使塗層緻密均勻；
(3)本發明提供的添加劑可以有效增強微弧氧化陶瓷層緻密性、硬度和耐磨性，為下一步化學鍍銀工藝打好基礎；(4)預施鍍微弧氧化陶瓷層具有多孔性表面結構，使化學鍍銀工藝無需粗化階段， 從而簡化工藝過程；陶瓷膜表面眾多孔洞可以增加施鍍基體的粗糙度和表面積，有利於銀元素的充分滲入和膜基結合強度的提高；(5)由於化學鍍對施鍍基體形狀要求極低，所以利用該方法製備的器械可以滿足各種複雜形狀的要求；(6)由於鍍層中的銀粒子均勻緻密，在器械某些損壞部位仍然可以擴散出足夠的銀離子，使鍍層具有高度抗菌性；(7)鍍層的高滲入結合工藝使膜層表面均勻光滑，與單一微弧氧化工藝或化學鍍銀工藝相比，鍍層具有較高的硬度、耐磨性和耐蝕性等綜合機械性能，並且由於銀元素的銀鏡效果，材料表面非常光亮，無需進行特殊的外觀裝飾加工。
圖1為本發明複合抗菌層截面結構示意圖；圖2為本發明複合抗菌層截面形貌掃描電鏡圖；圖3為本發明微弧氧化陶瓷層表面形貌掃描電鏡圖；圖4為本發明複合抗菌層表面形貌掃描電鏡圖。圖中1.輕金屬基體2.微弧氧化陶瓷層3.化學鍍層4.橡膠
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明，但不是對本發明內容的限定。實施例1如圖1所示，一種輕金屬載銀複合抗菌層結構，包括輕金屬基體1、設置在輕金屬基體1表面上的微弧氧化陶瓷層2和設置在微弧氧化陶瓷層2上的化學鍍銀層3。採用包括如下步驟的方法製成試件材料6061型鋁合金，試件尺寸20mm X 20mm X 3mm1、將試件放入丙酮和氫氧化鈉溶液中進行超聲波清洗lOmin，取出，吹乾；2、將試件置於裝有電解液的微弧氧化槽中，試件做陽極，微弧氧化槽內側周圍的不鏽鋼板做陰極，進行微弧氧化實驗，採用的工藝參數為恆流模式，電流密度ΙΟΑ/dm2，佔空比0. 3，頻率為470HZ，處理時間60min，常溫，使用的電解液為3L，其中矽酸鈉42g、氫氧化鈉6g，添加劑鎢酸鈉30g，硝酸鈰0. 6g，氟化鈉1. 5g，乙二胺四乙酸鈉6g，檸檬酸鈉3. 6g，溶液的PH值為11，進行完畢後，將試件取出，清洗，吹乾；3、敏化處理將3g氯化亞錫溶於30ml的37%鹽酸中，待溶液澄清後，用去離子水緩慢稀釋至150ml，室溫，將試件放入此溶液中處理13分鐘後，清洗，吹乾；4、活化處理採用銀氨活化法，將2g無色透明的AgNO3晶體溶於200ml去離子水中，待晶體溶解後，向溶液中緩慢滴加氨水，溶液中開始出現棕色絮狀沉澱，繼續滴加氨水使沉澱逐漸溶解，直至溶液變為透明，停止滴加氨水，即為較佳的銀氨溶液，將清洗的試件放入該銀氨溶液中浸泡15分鐘後，清洗，吹乾；
5、化學鍍銀首先配置化學鍍液，其中鍍液包括氧化液和還原液，配製方法如下氧化液的配製將2. 4g無色透明的AgNO3晶體溶於IOOml去離子水中，待晶體溶解後，向溶液中緩慢滴加氨水，溶液中開始出現棕色絮狀沉澱，繼續滴加氨水使沉澱逐 漸溶解，直至溶液變為透明，停止滴加氨水。緩慢滴入NaOH溶液，出現黑色沉澱，再次滴加氨水使沉澱溶解直至溶液變澄清。還原液的配製將2. 4g酒石酸鉀鈉溶於IOOml去離子水中，加熱煮沸15分鐘後， 冷卻至室溫，再加乙醇20ml即可使用。然後按1 1的體積比混合氧化液與還原液，將氧化液緩慢倒入還原液中，儘可能減輕銀鏡反應現象，使銀鹽得到充分利用。將清潔試件置於化學鍍液中處理15分鐘後取出，清洗，吹乾。利用掃描電子顯微鏡觀察到微弧氧化陶瓷膜表面孔洞較多，緻密性和均勻性較差，如圖3;經化學鍍處理後的複合抗菌層表面緻密均勻，如圖4所示，抗菌層經檢測，硬度達1900HV，粗糙度值Ra為6 μ m，結合強度為58MPA，利用膜層測厚儀檢測陶瓷層厚度可達 150 μ m，試件進行抗菌性檢測，對照抑菌環檢測標準得知抗菌層具有高度抗菌性。實施例2試件材料6061型鋁合金，試件尺寸20mm X 15mm X 2mm將試件進行微弧氧化處理45min，採用的添加劑種類及濃度為鎢酸鈉54g，硼酸 2.7g，檸檬酸鈉9g，十二烷基苯磺酸鈉12g。其餘製備工藝與實施例一相同。獲得的複合抗菌層表面緻密均勻，硬度1700HV，結合強度50MPA，粗糙度值Ra為6. 1 μ m，試件進行抗菌性檢測，可知抗菌層具有高度抗菌性。實施例3試件材料LY12鋁合金，試件尺寸Φ 35mm圓片，厚度2mm將試件進行微弧氧化處理70min，採用的添加劑種類及濃度為鎢酸鈉15g，硼酸 1.2g，檸檬酸鈉3g，十二烷基苯磺酸鈉3g。其餘製備工藝與實施例一相同。獲得的複合抗菌層表面緻密均勻，硬度1800HV，結合強度48MPA，粗糙度值Ra為6 μ m，試件進行抗菌性檢測，可知抗菌層具有高度抗菌性。實施例4試件材料=TiAl合金，試件尺寸20mmX20mmX2mm將試件進行微弧氧化處理60min，採用添加劑種類及濃度為氟化鈉3g，硝酸鈰 1.2g，酒石酸鉀鈉12g。其餘製備工藝與實施例一相同。獲得的複合抗菌層表面緻密均勻， 硬度1700HV，結合強度49MPA，粗糙度值Ra為6. 2 μ m，試件進行抗菌性檢測，可知抗菌層具有高度抗菌性。實施例5試件材料鎂合金AZ91，試件尺寸30_X40_X2_將試件進行微弧氧化處理45min，採用添加劑種類及濃度為鎢酸鈉24g，檸檬酸鈉 6g，酒石酸鉀鈉18g，氟化鉀2.4g。其餘製備工藝與實施例一相同。獲得的複合抗菌層表面緻密均勻，硬度1700HV，結合強度46MPA，粗糙度值Ra為6. 2 μ m，試件進行抗菌性檢測，可知抗菌層具有高度抗菌性。
權利要求
1.一種輕金屬基載銀複合抗菌層，包括輕金屬基體，其特徵是在輕金屬基體表面上設置有微弧氧化陶瓷層，在微弧氧化陶瓷層上設置有化學鍍銀層。
2.權利要求1所述的一種輕金屬基載銀複合抗菌層的製備方法，其特徵是包括如下步驟(1)清潔輕金屬表面；(2)在微弧氧化電解液中加入添加劑進行微弧氧化，常溫處理45 70min，獲得具有一定厚度和高機械性能的陶瓷層；(3)再清洗、吹乾，進行敏化和活化預處理；(4)放入調配好的化學鍍液中進行化學鍍銀，常溫處理30 60min，對陶瓷層有效封孔，獲得具有高度抗菌性的複合抗菌層。
3.根據權利要求2所述的製備方法，其特徵是所述微弧氧化電解液中的添加劑及其濃度為鎢酸鈉4 18g/L，氟化物0. 3 lg/L，檸檬酸鈉1 3g/L，乙二胺四乙酸鈉1 4g/L，十二烷基苯磺酸鈉1 4g/L，酒石酸鉀鈉0. 2 6g/L，硼酸0. 4 lg/L，硝酸鈰0. 1 0.4g/L0
全文摘要
本發明公開了一種輕金屬基載銀複合抗菌層及其製備方法，其特徵是將潔淨處理的輕金屬進行微弧氧化，常溫處理45～70min，獲得一定厚度的微弧氧化陶瓷層；再將金屬清洗、吹乾，經過敏化和活化預處理後，放入調配好的化學鍍液中進行化學鍍銀，常溫處理30～60min後取出，清洗、乾燥，獲得包括有輕金屬基體、設置在輕金屬基體表面上的微弧氧化陶瓷層及設置在微弧氧化陶瓷層上的化學鍍銀層的複合抗菌層。該方法充分結合微弧氧化陶瓷層的特性和化學鍍銀的工藝特點，使複合抗菌層兼顧優良機械性能和高度抗菌性，並能夠對微弧氧化陶瓷層有效封孔，使複合抗菌層緻密均勻。
文檔編號C23C28/00GK102181859SQ20111008130
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月29日 優先權日2011年3月29日
發明者劉亞娟, 葉仿擁, 唐焱, 徐晉勇, 王斌, 羅奕, 職利, 陳靜, 高成, 高鵬 申請人:桂林電子科技大學