一种抗菌不锈钢及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种抗菌不锈钢及其制备方法，其中，制备步骤包括超声除油、酸洗、渗镀和冲洗干燥，本方法在不锈钢表面渗镀纳米二氧化钛抗菌材料，制备成本低，工艺简单，抗菌层与不锈钢基体的结合力强。本方法区别于在不锈钢中添加抗菌元素，在不锈钢表面渗镀纳米二氧化钛不影响不锈钢的机械性能，不改变不锈钢材质的加工性能。本方法区别于离子型抗菌材料，纳米二氧化钛无毒无害，在杀灭或抑制细菌生长过程中，不会向接触环境中释放金属离子，同时其催化杀菌能力强，可有效杀死大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等有害细菌。
【专利说明】一种抗菌不锈钢及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及不锈钢【技术领域】，具体而言，涉及一种抗菌不锈钢及其制备方法。
【背景技术】
[0002]现代生活中人们时刻面临微生物的侵扰，而有害细菌如致病菌更是严重威胁着人类的健康，人们对所处环境和自身健康的重视，促进了抗菌材料以及抗菌产品的研究与开发。不锈钢由于其具有良好的加工性和耐蚀性，多用来制作食具容器。赋予不锈钢食具容器抗菌性能一方面可有效地延长所盛放食品的保质期限，保证人们健康食用食品；另一方面可以有效地拓宽食具容器的适用范围，使原来仅用于制作食品的容器或器皿也可用来盛放和保存食品。
[0003]目前抗菌不锈钢的研究主要分为两条路线，一种是在不锈钢基体中加入抗菌元素入Cu或Ag等，通过特定热处理或时效处理在组织中生成铜的固溶相，如ε-Cu相。在使用过程中Cu离子不断从该固溶体中释放出来杀灭细菌。这种合金型抗菌不锈钢的缺陷是由于铜含量达到一定量才会出现抗菌性能，因此其生产成本较高；同时ε -Cu相在热处理析出过程中会带来组织的变化，产生耐腐蚀性能降低、加工性能差的问题。另一种方法是以不锈钢为基体，通过喷涂、辊 涂、溶胶一凝胶、离子注入、测控溅射等工艺将具有抗菌功能的材料涂覆到不锈钢表面上，这种方法可以克服合金型抗菌不锈钢由于抗菌相析出造成抗蚀性和加工性能变差的缺陷，但是由于其对制备设备、工艺技术要求较高，在实际生产中难以得到广泛应用。
[0004]纳米二氧化钛具有优良的抗菌性能，目前在建筑、纺织行业已有应用。但在不锈钢表面渗镀纳米二氧化钛光触媒抗菌层使不锈钢具备抗菌性能的技术未见报道。
【发明内容】
[0005]本发明的目的之一在于提供一种化学沉积纳米二氧化钛以制备抗菌不锈钢的方法，以解决上述的加工成本高、制备设备和工艺技术要求高的问题。
[0006]采用的技术方案为:一种抗菌不锈钢的制备方法，包括以下步骤:
[0007](I)超声除油，采用有机试剂并在超声波环境下去除不锈钢表面的油污；
[0008](2)酸洗，超声除油后的不锈钢在无机酸中进行酸洗；
[0009](3)渗镀，在容器中加入钛氟酸铵、硼酸和去离子水配制成渗镀溶液，然后保持溶液温度在40°C，将酸洗后的不锈钢置于渗镀溶液中渗镀；
[0010](4)冲洗干燥，渗镀完成后冲洗表面，然后干燥，即得。
[0011]本技术方案先采用超声除油和酸洗的方式，去除不锈钢表面的钝化膜，并在不锈钢表面产生活化点，然后再由钛氟酸铵、硼酸和去离子水配制成的渗镀液中进行渗镀，再清洗和干燥，即可在不锈钢表面渗镀纳米二氧化钛抗菌材料，这种以二氧化钛为抗菌成分采用化学沉积制备抗菌不锈钢的方法，制备成本低，制备设备和工艺技术的要求都较低。
[0012]作为优选的技术方案，在步骤(I)之前，对不锈钢表面进行打磨。[0013]在用化学试剂进行超声去污之前，先进行纯物理去污。打磨的工具可以采用砂纸，砂纸优选先用800目的干砂纸再用1000目的干砂纸。打磨样品的目的是去除不锈钢表面的大部分钝化物，使最后制得的抗菌不锈钢产品的抗菌层与不锈钢基体的结合力更强。
[0014]作为优选的技术方案，在步骤(I)之后，步骤(2)之前，还采用NaOH、NaCO3、Na3PO4和NaSiO4配制化学除油液，然后将步骤(I)处理后的不锈钢置于所配制的化学除油液中进行化学除油。
[0015]该步骤目的是通过碱性的化学试剂进行除油，进一步清除不锈钢表面油脂和污物，达到进一步净化不锈钢样品表面的目的。
[0016]作为优选的技术方案，步骤(1)中的有机试剂为丙酮、乙酸乙酯中的一种。也可以采用表面活性剂，该类试剂的作用原理是对不锈钢表面有机物具有较强的溶解能力，可最大限度地去除表面油污。有机试剂的加入量，以恰好覆盖不锈钢样品为宜。主要目的是去除工件表面在机械加工或存储过程中残留的润滑油、防锈油、抛光膏等油脂或污物。
[0017]作为优选的技术方案，步骤(I)中超声除油的时间为8-15分钟。更优选为10-15分钟。这样的优选时间，一方面可以使除油更彻底，另一方面也兼顾整个工艺的效率。
[0018]超声除油后，优选采用无水乙醇清洗，再采用去离子水吹干，再进行下一步骤。采用无水乙醇清洗时间进一步优选为6-10分钟，更优选为8分钟。这样的优选时间，一方面可以使清洗更彻底，另一方面也兼顾整个工艺的效率。
[0019]作为优选的技术方案，步骤(2)中，酸洗的过程为:先在盐酸溶液中酸洗I分钟，再在硫酸溶液中活化30秒。采用这样的酸洗步骤和时间，除去钝化膜、产生活化点的效果更好。
[0020]作为更进一步优选的技术方案，打磨至不锈钢的表面粗糙度小于Ra0.050，使工件表面具有镜面效果。这样的粗糙度控制，可以最大限度去除不锈钢表面钝化物，使最后制得的抗菌不锈钢产品的抗菌层与不锈钢基体之间具有较强的结合力，同时兼顾工件的美观性。
[0021]作为更进一步优选的技术方案，所述的化学除油液，NaOH浓度为60g/L，NaCO3浓度为30g/L，Na3PO4浓度为20g/L，NaSiO4浓度为8g/L。多次试验表明，该浓度条件下，除油效果较为理想。
[0022]化学除油液的温度优选为60°C。适度加热，可进一步提高除油质量。
[0023]化学除油的时间优选为20-40分钟，更优选为30-40分钟。这样的时间控制一方面保证除油更彻底，另一方面也兼顾工艺的效率。
[0024]作为优选的技术方案，步骤(3)中，所述渗镀溶液的组成和比例为，以质量百分比计，钛氟酸铵:硼酸:去离子水=3.3:3.1:100。该配比下，二氧化钛抗菌层与不锈钢基体的结合力更强，且渗镀层平整光滑。
[0025]作为优选的技术方案，步骤(3)中，渗镀时间为48-60小时。
[0026]这样的渗镀时间的控制一方面保证渗镀层的厚度和坚固性，另一方面也兼顾工艺的效率。
[0027]本发明的目的之二在于提供上述的方法制备得到的抗菌不锈钢。
[0028]由于采用了上述的化学沉积纳米二氧化钛制备抗菌不锈钢的技术方案，本发明的有益效果是:在不锈钢表面渗镀纳米二氧化钛抗菌材料，制备成本低，工艺简单，抗菌层与不锈钢基体的结合力强。本方法区别于在不锈钢中添加抗菌元素，在不锈钢表面渗镀纳米二氧化钛不影响不锈钢的机械性能，不改变不锈钢材质的加工性能。本方法区别于离子型抗菌材料，纳米二氧化钛无毒无害，在杀灭或抑制细菌生长过程中，不会向接触环境中释放金属离子，同时其催化杀菌能力强，可有效杀死大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等有害细菌。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为本发明实施例1的不锈钢的显微组织图；
[0030]图2为本发明实施例1制得的抗菌不锈钢的SEM图；
[0031]图3是本发明实施例1制得的抗菌不锈钢表面的二氧化钛抗菌层的XRD谱图；
[0032]图4是本发明实施例1制得的抗菌不锈钢的外观图；
[0033]图5是本发明实施例2制得的抗菌不锈钢的外观图；
[0034]图6是本发明实施例3制得的抗菌不锈钢的外观图；
[0035]图7是本发明实施例4制得的抗菌不锈钢的外观图。
【具体实施方式】
[0036]实施例1
[0037]—种抗菌不锈钢的制备方法，包括以下步骤:
[0038](I)取不锈钢，不锈钢的显微组织结构见图1，采用丙酮并在超声波环境下去除不锈钢表面的油污，超声时间为8分钟；
[0039](2)酸洗，超声除油后的不锈钢在盐酸中2分钟，进行酸洗；
[0040](3)渗镀，在容器中加入钛氟酸铵和硼酸和去离子水配制成渗镀溶液，然后保持溶液温度在40°C，将酸洗后的不锈钢置于渗镀溶液中渗镀48小时；
[0041](4)冲洗干燥，渗镀完成后冲洗表面，然后干燥，即得。
[0042]图2是制备得到的抗菌不锈钢的SEM图(即扫描电镜图)，从图2中可看出，不锈钢表面镀层中含有大量二氧化钛晶粒，呈点状或纺锤状，且其均匀分布于不锈钢样品表面；
[0043]图3是所制得的抗菌不锈钢表面的二氧化钛抗菌层的的XRD谱图(即X射线衍射谱图)，从图3中的谱峰可看出，抗菌层的主要成分为锐钛型二氧化钛。
[0044]图4为本实施例所制备抗菌不锈钢样品的外观照片。
[0045]实施例2
[0046]—种抗菌不锈钢的制备方法，包括以下步骤:
[0047](I)取不锈钢，用1000目的砂纸打磨不锈钢表面，使其表面的粗糙度为Ra0.045 ；
[0048](2)采用乙酸乙酯并在超声波环境下去除不锈钢表面的油污，乙酸乙酯的量为刚好覆盖不锈钢样品，超声时间为15分钟；
[0049](3)用 NaOH、NaCO3> Na3PO4 和 NaSiO4 配制化学除油液，其中 NaOH 浓度为 50g/L，NaCO3浓度为35g/L，Na3PO4浓度为30g/L，NaSiO4浓度为6g/L，化学除油液的温度保持为50°C，将经过步骤(2)处理后的样品置于化学除油液中`20分钟；
[0050](4)酸洗，将步骤(3)处理后的样品在盐酸溶液中酸洗I分钟，再放置于硫酸溶液中活化30秒，其中盐酸溶液的体积浓度为20%，硫酸溶液浓度的体积浓度为5%。
[0051](5)渗镀，在容器中加入钛氟酸铵、硼酸和去离子水配制成渗镀溶液，然后保持溶液温度在40°C，将酸洗后的不锈钢置于渗镀溶液中渗镀60小时，所述渗镀液的组成和比例为，以质量百分比计，钛氟酸铵:硼酸:去离子水=3.3:3.1:100；
[0052](6)然后用去离子水冲洗表面，然后自然风干，即得。
[0053]所得的抗菌不锈钢的外观照片见图5。
[0054]实施例3
[0055]一种抗菌不锈钢的制备方法，包括以下步骤:
[0056](I)取不锈钢，先用800目的砂纸，再用1000目的砂纸打磨不锈钢表面，使其表面的粗糙度为Ra0.042 ；
[0057](2)采用丙酮并在超声波环境下去除不锈钢表面的油污，丙酮的量为刚好覆盖不锈钢样品，超声时间为12分钟；超声除油后，再用无水乙醇清洗6分钟，再用去离子水清洗后吹干；
[0058](3)用 NaOH、N aCO3> Na3PO4 和 NaSiO4 配制化学除油液，其中 NaOH 浓度为 60g/L，NaCO3浓度为30g/L，Na3PO4浓度为20g/L，NaSiO4浓度为8g/L，化学除油液的温度保持为60°C，将经过步骤(2)处理后的样品置于化学除油液中30分钟；
[0059](4)酸洗，将步骤(3)处理后的样品在盐酸溶液中酸洗I分钟，再放置于硫酸溶液中活化30秒，其中盐酸溶液的体积浓度为30%，硫酸溶液浓度的体积浓度为为8%。
[0060](5)渗镀，在容器中加入钛氟酸铵和硼酸和去离子水配制成渗镀溶液，然后保持溶液温度在40°C，将酸洗后的不锈钢置于渗镀溶液中渗镀50小时，所述渗镀液的组成和比例为，以质量百分比计，钛氟酸铵:硼酸:去离子水=3.3:3.1:100；
[0061](6)然后用去离子水冲洗表面，然后自然风干，即得。
[0062]所得的抗菌不锈钢的外观照片见图6。
[0063]实施例4
[0064]一种抗菌不锈钢的制备方法，包括以下步骤:
[0065](I)取不锈钢，先用800目的砂纸，再用1000目的砂纸打磨不锈钢表面，使其表面的粗糙度为Ra0.046 ；
[0066](2)采用丙酮并在超声波环境下去除不锈钢表面的油污，丙酮的量为刚好覆盖不锈钢样品，超声时间为5分钟；超声除油后，再用无水乙醇清洗5分钟，再用去离子水清洗后吹干；
[0067](3)用 NaOH、NaCO3> Na3PO4 和 NaSiO4 配制化学除油液，其中 NaOH 浓度为 55g/L，NaCO3浓度为40g/L，Na3PO4浓度为15g/L，NaSiO4浓度为10g/L，化学除油液的温度保持为40°C，将经过步骤(2)处理后的样品置于化学除油液中15分钟；
[0068](4)酸洗，将步骤(3)处理后的样品在盐酸溶液中酸洗I分钟，再放置于硫酸溶液中活化30秒，其中盐酸溶液的体积浓度为36%，硫酸溶液浓度的体积浓度为为12%。
[0069](5)渗镀，在容器中加入钛氟酸铵和硼酸和去离子水配制成渗镀溶液，然后保持溶液温度在40°C，将酸洗后的不锈钢置于渗镀溶液中渗镀50小时，所述渗镀液的组成和比例为，以质量百分比计，钛氟酸铵:硼酸:去离子水=4.5:2.1:100；
[0070](6)然后用去离子水冲洗表面，然后自然风干，即得。
[0071]所得的抗菌不锈钢的外观照片见图7。
[0072]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
【权利要求】
1.一种抗菌不锈钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)超声除油，采用有机试剂并在超声波环境下去除不锈钢表面的油污； (2)酸洗，超声除油后的不锈钢在无机酸中进行酸洗； (3)渗镀，在容器中加入钛氟酸铵、硼酸和去离子水配制成渗镀溶液，然后保持溶液温度在40°C，将酸洗后的不锈钢置于渗镀溶液中渗镀； (4)冲洗干燥，渗镀完成后冲洗表面，然后干燥，即得。
2.根据权利要求1所述的一种抗菌不锈钢的制备方法，其特征在于，在步骤(I)之前，对不锈钢表面进行打磨。
3.根据权利要求1所述的一种抗菌不锈钢的制备方法，其特征在于，在步骤(I)之后，步骤(2)之前，还采用NaOH、NaCO3> Na3PO4和NaSiO4配制化学除油液，然后将步骤(I)处理后的不锈钢置于所配制的化学除油液中进行化学除油。
4.根据权利要求1所述的一种抗菌不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤(I)中的有机试剂为 丙酮、乙酸乙酯中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种抗菌不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤(I)中超声除油的时间为8-15分钟。
6.根据权利要求1所述的一种抗菌不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，酸洗的过程为:先在盐酸溶液中酸洗I分钟，再在硫酸溶液中活化30秒。
7.根据权利要求2所述的一种抗菌不锈钢的制备方法，其特征在于，打磨至不锈钢的表面粗糙度小于Ra0.050。
8.根据权利要求3所述的一种抗菌不锈钢的制备方法，其特征在于，所述的化学除油液，NaOH 浓度为 60g/L，NaCO3 浓度为 30g/L，Na3PO4 浓度为 20g/L，NaSiO4 浓度为 8g/L。
9.根据权利要求1所述的一种抗菌不锈钢的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述渗镀溶液的组成和比例为，以质量百分比计，钛氟酸铵:硼酸:去离子水=3.3:3.1:100。
10.根据权利要求1-9任意一项的方法所制备得到的抗菌不锈钢。
【文档编号】C23C18/00GK103451631SQ201310428631
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】庞晋山 申请人:庞晋山