一种可抑制细菌生物膜形成的不锈钢及其制备方法与流程

本发明属于不锈钢材料
技术领域：
，涉及一种自来水输运过程容器或管道用不锈钢，特别涉及一种可抑制细菌生物膜形成的不锈钢及其制备方法其制备方法。
背景技术：
：传统自来水管道用不锈钢通常为普通的304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。由于传统的不锈钢作为惰性金属材料，并不具备自清洁的生物功能，在长期使用过程中，尤其是静置环境下，容易滋生细菌，并生成细菌生物膜威胁了自来水的清洁，给人民健康带来安全隐患。文献调查显示，一类含铜不锈钢（也命名为抗菌不锈钢）具有抑制细菌生物膜生成的优势，然而这类含铜不锈钢抑制细菌生物膜生成的作用时间较短，长时间与介质接触后，当细菌能够分泌足够多的酸性物质形成利于其生长的微环境后，这种抑制细菌生物膜生成的优势就显得比较有限。技术实现要素：针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可抑制细菌生物膜形成的不锈钢，本发明公开的不锈钢与现有普通不锈钢相比，能够有效抑制细菌生物膜的生成，提高不锈钢的自清洁能力，显著降低自来水管道及容器使用中引发的细菌感染风险，具有独特的抑制细菌生物膜附着的功能，可广泛应用于自来水管道及容器相关的不锈钢设备；本发明的另一目的在于提供该不锈钢的制备方法。本发明是通过以下技术方案实现的：一种可抑制细菌生物膜形成的不锈钢，按重量百分比计，该不锈钢的化学成分为：c：≤0.08%，si：≤1.00%，mn：≤2.00%，s：≤0.03%，p：≤0.045%，ni：8.0-11.0%，cr：18.0-20.0%，cu：4.5-6.0%，ca：0.02-0.10%，其余为fe及不可避免的杂质元素。本发明的进一步改进方案为：一种可抑制细菌生物膜形成的不锈钢，按重量百分比计，该不锈钢的化学成分为：c：≤0.08%，si：≤1.00%，mn：≤1.00%，s：≤0.005%，p：≤0.02%，ni：8.0-9.0%，cr：18.0-19.0%，cu：5.5-6.0%，ca：0.05-0.08%，余量为fe及不可避免的杂质元素。本发明的更进一步改进方案为：一种可抑制细菌生物膜形成的不锈钢的制备方法，所述不锈钢采用以下方法获得：真空感应冶炼或电弧炉+连铸冶炼或电弧炉冶炼+炉外精炼。本发明的再进一步改进方案为：冶炼所得的不锈钢采用以下热加工及热处理工艺，保证本发明所述不锈钢基体中能够使得cu元素均匀分布：热加工：钢锭于1050-1100℃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950℃；固溶热处理：1050-1100℃固溶处理1-3小时，空冷或水冷至室温。进一步的，上述可抑制细菌生物膜形成的不锈钢在自来水管道或容器方面的应用。在本发明所述不锈钢的成分设计中，钙（ca）是合金中最重要的合金化元素，在金属材料领域，ca在铁合金冶金过程中的主要作用是脱氧剂，即显著降低钢中的氧含量，净化钢液。本发明发现，适量的ca添加，在钢中如果以氧化钙形式存在，氧化钙在与水接触环境下，易于发生水解反应，生成氢氧化钙，造成一定的碱性环境，这对于细菌这一类酸性物质是不利的。当ca含量较低时，不锈钢基体中不易析出足够的富ca相，当与溶液介质接触时，就不能营造足够的碱性环境，以抑制细菌的黏附和增殖活动。当ca含量相对过高时，过多的富ca相会导致不锈钢成型和耐蚀性能的严重下降，影响其实际应用。此外，由于cu是已知的抗菌元素，在微碱性环境下，cu离子的释放能够进一步破坏细菌的生存空间，抑制其细菌生物膜的形成。本发明所提供的不锈钢中的其它元素如cr和ni等，用于保证该材料基本的力学性能和耐腐蚀性能。本发明的有益效果为：本发明提供的可抑制细菌生物膜形成的不锈钢实现了ca离子和cu离子在不锈钢中的完美结合，ca离子的出现进一步提升了cu离子的抗菌功效。在保证不锈钢具有良好力学性能和耐蚀性能的前提下，在现有304不锈钢中添加0.02-0.10％（重量百分比）的ca元素，获得了具有抑制细菌附着的微碱性环境，赋予不锈钢在较长时间内较强的抑制细菌生物膜附着的功能，能够显著降低现有自来水容器或管道用不锈钢在使用中引发的细菌感染风险，可广泛应用于自来水输运过程相关的管道和容器用不锈钢设备。本发明提供的可抑制细菌生物膜形成的不锈钢可广泛应用于罐装设备、干燥设备及自来水输运容器或管道相关的不锈钢设备。附图说明图1为不锈钢抑制细菌生物膜的效果照片；（a）304cu不锈钢，（b）本发明提供的不锈钢。具体实施方式根据本发明可抑制细菌生物膜形成的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1-3本发明新型不锈钢和对比例304cu不锈钢25公斤，其化学成分见表1，冶炼所得的不锈钢采用以下热加工及热处理工艺：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2小时，空冷至室温。表1实施例1-3和对比例的不锈钢化学成分(wt,％)csimnspnicrcucafe实施例10.050.640.550.0040.0038.018.04.50.02余量实施例20.060.810.220.0040.0039.019.05.50.06余量实施例30.030.440.380.0040.00311.019.05.50.06余量对比例0.020.910.390.0040.0039.019.05.50余量1、抗菌性能及对生物膜抑制作用检测将实施例1-3制得的可抑制细菌生物膜形成的不锈钢与对比例304cu不锈钢，根据“jisz2801-2000《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。定量测试了实施例1-3制得的可抑制细菌生物膜形成的不锈钢与对比例304cu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105cfu/ml。其中杀菌率的计算公式为：杀菌率(%)=[(空白对照样品活菌数-新型不锈钢活菌数)/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，新型不锈钢活菌数是指实施例1-3制得的可抑制细菌生物膜形成的不锈钢与对比例304cu不锈钢上进行细菌培养后的活菌数。与此同时，采用激光共聚焦活死染色的办法，即采用碘化丙啶（染死细菌，呈红色）和syto-9（染活细菌，呈绿色）分别染色，测定在两种细菌水环境条件下培养20天后，实施例1-3不锈钢与对比例304cu不锈钢表面细菌生物膜的厚度，以此反映两种不锈钢材料抑制细菌生物膜生成的效力。对实施例1所得可抑制细菌生物膜形成的不锈钢的进行抗菌性能及对生物膜抑制作用检测，检测结果如下：对典型细菌的抗菌性能检测结果为：对大肠杆菌（escherichercoli）的抗菌率：≥97.3％；对金黄色葡萄球菌（staphyococcusaureus）的抗菌率：≥98.5％；两种细菌生物膜厚度≤5微米。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新型不锈钢具有显著的抗菌和抑制细菌生物膜生成的效果。对实施例2所得可抑制细菌生物膜形成的不锈钢的进行抗菌性能及对生物膜抑制作用检测，检测结果如下：对典型细菌的抗菌性能检测结果为：对大肠杆菌（escherichercoli）的抗菌率：≥98.9％；对金黄色葡萄球菌（staphyococcusaureus）的抗菌率：≥99.3％；两种细菌生物膜厚度均≤4微米。综上可知，实施例2新型不锈钢具有显著的抗菌和抑制细菌生物膜生成的效果。对实施例3所得可抑制细菌生物膜形成的不锈钢的进行抗菌性能及对生物膜抑制作用检测，检测结果如下：对典型细菌的抗菌性能检测结果为：对大肠杆菌（escherichercoli）的抗菌率：≥99.9％；对金黄色葡萄球菌（staphyococcusaureus）的抗菌率：≥99.9％；两种细菌生物膜厚度均≤3微米。综上可知，实施例3新型不锈钢具有显著的抗菌效果和抑制细菌生物膜生成的效果。对对比例的所得普通304cu不锈钢的进行抗菌性能及对生物膜抑制作用检测，检测结果如下：对典型细菌的抗菌性能检测结果为：对大肠杆菌（escherichercoli）的抗菌率：≥97.5％；对金黄色葡萄球菌（staphyococcusaureus）的抗菌率：≥98.4％。大肠生物膜厚度15微米，金黄色葡萄球菌生物膜厚度16微米。综上可知，对比例304cu的抗菌效果也较明显，但长时间作用时间后，两种细菌生物膜厚度均呈现了较大幅度增加。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，采用本发明提出的可抑制细菌生物膜形成的不锈钢和对比例304cu不锈钢均能够在细菌浓度保持在105cfu/ml时仍能保持超过90％以上的抗菌率。然而，生物膜生成动力学实验结果进一步印证：相比较于304cu不锈钢，本发明的可抑制细菌生物膜形成的不锈钢具有更好的抑制细菌生物膜生成的能力，在细菌水溶液环境20天内，仍保持较好的抑制细菌生物膜的活性。当前第1页12