抗菌性金屬表面處理技術(shù)市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)向分析
http://www.hxud.cn 2008-07-02 17:18 中企顧問(wèn)網(wǎng)
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一、前言
在人類(lèi)過(guò)去歷史中，經(jīng)歷了許多因?yàn)槲⑸镆鸬墓I(yè)材料與產(chǎn)品劣化所造成的事故。例如因細(xì)菌的鋁制燃料箱腐蝕而導(dǎo)致的飛機(jī)墜落事故、不銹鋼配管系統(tǒng)發(fā)生的孔蝕事故、焊接部位的損傷，以及日常生活中家電制品的微生物污損與住宅內(nèi)部的衛(wèi)浴用品產(chǎn)生黏液等，這些與微生物有關(guān)的事故與麻煩真是不勝枚舉。1990年代，在爆發(fā)因病原性大腸菌O-157而引發(fā)大規(guī)模集體食物中毒及因抗甲氧苯青霉素金黃色葡萄球菌(Methicillin-Resistant Staphylococcus Aureus；MRSA)而引起院內(nèi)感染的效應(yīng)之下，開(kāi)始積極地從材料面開(kāi)發(fā)衛(wèi)生管理技術(shù)。隨著舒適與清潔意識(shí)的高漲及伴隨高齡化社會(huì)而來(lái)的健康照護(hù)，社會(huì)對(duì)于抗菌制品的需求逐步提高。
在金屬當(dāng)中，眾所周知有些材料具有抗菌性，像是銀或銅制的硬幣、銀制的食器或銅制的鍋、黃銅制的門(mén)把等器具的表面無(wú)菌，以及加入銀粒子的水可以長(zhǎng)時(shí)間保存的現(xiàn)象，都起因于上述的金屬發(fā)揮了抗菌作用所致。而對(duì)人體的安全性高而且具有抗菌性的金屬有銀、銅、鋅、鈷、鎳等。
對(duì)于衛(wèi)生管理要求嚴(yán)格的食品與醫(yī)藥品工廠或醫(yī)療設(shè)施等地方，使用的是耐蝕性?xún)?yōu)異的不銹鋼，而在我們的生活器材中則使用有各種的塑料制品，不銹鋼有不易生銹的優(yōu)點(diǎn)，塑料制品則有重量輕而強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)，但兩者都不具抗菌性，而近年來(lái)已經(jīng)了解到在這些材料的表面所發(fā)生的生物膜(Bio-film)也會(huì)招致腐蝕或感染等損害。另一方面，若直接就使用前述的抗菌性金屬的話，在價(jià)格、加工性、強(qiáng)度、耐蝕性、耐藥性等各方面都不容易，況且，抗菌性只要存在于素材表面就可以了，素材的體積內(nèi)部往往是不需要抗菌的。因此為了滿足既可以發(fā)揮不銹鋼和塑料的優(yōu)點(diǎn)，又可以保有金屬本來(lái)的抗菌性的期望，抗菌鍍膜的需求也就提高了。
二、抗菌電鍍的原理與特征
根據(jù)鍍覆對(duì)象素材的導(dǎo)電性、耐藥性和形狀，可以選擇電鍍或無(wú)電解鍍。電鍍是在含金屬鹽的電鍍?nèi)芤褐校运夭臑殛帢O通以電流，在陰極表面將金屬離子還原而形成金屬皮膜的方法，而電鍍反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力系來(lái)自于陰極與陽(yáng)極之間的電位差，因此必須有外部電源。至于無(wú)電解鍍就不需要外部電源了，但是必須作前處理，即用來(lái)提高鍍膜附著性的表面粗化處理及賦與鈀等觸媒的處理。經(jīng)過(guò)這項(xiàng)前處理之后，再將素材浸漬于含金屬鹽、還原劑、錯(cuò)化劑的鍍液中，素材表面的觸媒作用和還原劑就會(huì)將金屬離子還原而形成金屬皮膜，而無(wú)電解鍍的反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力則是來(lái)自于金屬離子的還原電位和還原劑的氧化電位的差。
抗菌電鍍技術(shù)與其它的抗菌技術(shù)比起來(lái)，雖然有廢水處理和可以電鍍的金屬種類(lèi)有限等限制，但也有：(1)為90℃以下的低溫成膜方法，因此對(duì)于纖維和樹(shù)脂等非導(dǎo)電性素材或耐熱性低的素材也容易應(yīng)用；(2)從微米單位的微粒子到比較大面積的制品，根據(jù)需要可以進(jìn)行從原子層單位厚度到毫米單位厚度的精密控制；(3)可以控制鍍膜的組織、組成、構(gòu)造，因此可以降低多層電鍍、合金電鍍、復(fù)合電鍍之成本等強(qiáng)的工業(yè)化適應(yīng)能力的優(yōu)點(diǎn)。
三、發(fā)展動(dòng)向分析
(一)抗沾黏性的抗菌電鍍皮膜
抗菌電鍍皮膜為人所詬病的就是一旦有污垢黏著在表面上，抗菌性能就會(huì)急劇下降。無(wú)電解鍍鎳-磷可以形成均勻的皮膜，同時(shí)兼具優(yōu)異的抗菌性及耐蝕性，但是也有對(duì)有機(jī)物的吸附親和性高的缺點(diǎn)。因此，在這種鎳-磷皮膜中將聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene；PTFE）粒子以任意的含量(～32vol%)分散共析于其中，以賦與鎳-磷皮膜抗沾黏性的鎳-磷-PTFE(Ni-P-PTFE復(fù)合電鍍)已經(jīng)實(shí)用化。
(二)多層抗菌電鍍皮膜
隨著抗菌電鍍皮膜表面的金屬的離子化，表面的光澤和外觀會(huì)呈現(xiàn)受到破壞的樣態(tài)，導(dǎo)致制品的質(zhì)量(創(chuàng)意性)下降，如銀、銅、鋅的電鍍皮膜，在與細(xì)菌懸浮液長(zhǎng)時(shí)間接觸之后就會(huì)產(chǎn)生暗淡無(wú)光澤的外觀變化，因此此時(shí)就可以采取上層是富于裝飾性且不易發(fā)生外觀變化的電鍍皮膜，而下層是抗菌性強(qiáng)的金屬電鍍皮膜所組成的雙層電鍍技術(shù)。
(三)抗菌復(fù)合電鍍皮膜
自從發(fā)現(xiàn)銳鈦礦型氧化鈦(TiO2)有光觸媒現(xiàn)象之后，應(yīng)用氧化鈦的抗菌制品接二連三地被開(kāi)發(fā)出來(lái)。當(dāng)氧化鈦受到陽(yáng)光或照明等光源中的紫外光照射而被激發(fā)時(shí)，就會(huì)在導(dǎo)電帶中產(chǎn)生電子，同時(shí)在價(jià)電帶中產(chǎn)生電洞而往表面擴(kuò)散，其中電子往吸附其上的氧移動(dòng)而生成O2-，而電洞則將吸附其上的水氧化而產(chǎn)生‧OH基，這些活性氧源發(fā)揮了強(qiáng)力的氧化作用，有助于微生物的殺菌和有機(jī)物的分解。現(xiàn)在讓氧化鈦粒子于金屬電鍍皮膜中產(chǎn)生共析的鎳-氧化鈦、鎳-磷-氧化鈦、亞鹽-鎳-氧化鈦合金復(fù)合電鍍等技術(shù)也已經(jīng)實(shí)用化了。這種透過(guò)氧化鈦的光觸媒作用及鎳離子的抗菌作用的相輔效果，即使在照不到光的暗處也可以維持優(yōu)異的抗菌作用，同時(shí)兼具有優(yōu)異耐蝕性。
四、結(jié)語(yǔ)
抗菌制品的應(yīng)用范圍已從醫(yī)療照護(hù)、公共設(shè)施、食品制造與生物相關(guān)領(lǐng)域、建筑資材、電子機(jī)器部品擴(kuò)大到以一般消費(fèi)者為對(duì)象。但另一方面，過(guò)度的抗菌加工可能連人類(lèi)生存所必要的共生菌也殺死了，連帶地招來(lái)了弊害。因此未來(lái)期待能更進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出可巧妙地調(diào)和人體的安全性及抗菌效力的抗菌表面處理技術(shù)。
在人類(lèi)過(guò)去歷史中，經(jīng)歷了許多因?yàn)槲⑸镆鸬墓I(yè)材料與產(chǎn)品劣化所造成的事故。例如因細(xì)菌的鋁制燃料箱腐蝕而導(dǎo)致的飛機(jī)墜落事故、不銹鋼配管系統(tǒng)發(fā)生的孔蝕事故、焊接部位的損傷，以及日常生活中家電制品的微生物污損與住宅內(nèi)部的衛(wèi)浴用品產(chǎn)生黏液等，這些與微生物有關(guān)的事故與麻煩真是不勝枚舉。1990年代，在爆發(fā)因病原性大腸菌O-157而引發(fā)大規(guī)模集體食物中毒及因抗甲氧苯青霉素金黃色葡萄球菌(Methicillin-Resistant Staphylococcus Aureus；MRSA)而引起院內(nèi)感染的效應(yīng)之下，開(kāi)始積極地從材料面開(kāi)發(fā)衛(wèi)生管理技術(shù)。隨著舒適與清潔意識(shí)的高漲及伴隨高齡化社會(huì)而來(lái)的健康照護(hù)，社會(huì)對(duì)于抗菌制品的需求逐步提高。
在金屬當(dāng)中，眾所周知有些材料具有抗菌性，像是銀或銅制的硬幣、銀制的食器或銅制的鍋、黃銅制的門(mén)把等器具的表面無(wú)菌，以及加入銀粒子的水可以長(zhǎng)時(shí)間保存的現(xiàn)象，都起因于上述的金屬發(fā)揮了抗菌作用所致。而對(duì)人體的安全性高而且具有抗菌性的金屬有銀、銅、鋅、鈷、鎳等。
對(duì)于衛(wèi)生管理要求嚴(yán)格的食品與醫(yī)藥品工廠或醫(yī)療設(shè)施等地方，使用的是耐蝕性?xún)?yōu)異的不銹鋼，而在我們的生活器材中則使用有各種的塑料制品，不銹鋼有不易生銹的優(yōu)點(diǎn)，塑料制品則有重量輕而強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)，但兩者都不具抗菌性，而近年來(lái)已經(jīng)了解到在這些材料的表面所發(fā)生的生物膜(Bio-film)也會(huì)招致腐蝕或感染等損害。另一方面，若直接就使用前述的抗菌性金屬的話，在價(jià)格、加工性、強(qiáng)度、耐蝕性、耐藥性等各方面都不容易，況且，抗菌性只要存在于素材表面就可以了，素材的體積內(nèi)部往往是不需要抗菌的。因此為了滿足既可以發(fā)揮不銹鋼和塑料的優(yōu)點(diǎn)，又可以保有金屬本來(lái)的抗菌性的期望，抗菌鍍膜的需求也就提高了。
二、抗菌電鍍的原理與特征
根據(jù)鍍覆對(duì)象素材的導(dǎo)電性、耐藥性和形狀，可以選擇電鍍或無(wú)電解鍍。電鍍是在含金屬鹽的電鍍?nèi)芤褐校运夭臑殛帢O通以電流，在陰極表面將金屬離子還原而形成金屬皮膜的方法，而電鍍反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力系來(lái)自于陰極與陽(yáng)極之間的電位差，因此必須有外部電源。至于無(wú)電解鍍就不需要外部電源了，但是必須作前處理，即用來(lái)提高鍍膜附著性的表面粗化處理及賦與鈀等觸媒的處理。經(jīng)過(guò)這項(xiàng)前處理之后，再將素材浸漬于含金屬鹽、還原劑、錯(cuò)化劑的鍍液中，素材表面的觸媒作用和還原劑就會(huì)將金屬離子還原而形成金屬皮膜，而無(wú)電解鍍的反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力則是來(lái)自于金屬離子的還原電位和還原劑的氧化電位的差。
抗菌電鍍技術(shù)與其它的抗菌技術(shù)比起來(lái)，雖然有廢水處理和可以電鍍的金屬種類(lèi)有限等限制，但也有：(1)為90℃以下的低溫成膜方法，因此對(duì)于纖維和樹(shù)脂等非導(dǎo)電性素材或耐熱性低的素材也容易應(yīng)用；(2)從微米單位的微粒子到比較大面積的制品，根據(jù)需要可以進(jìn)行從原子層單位厚度到毫米單位厚度的精密控制；(3)可以控制鍍膜的組織、組成、構(gòu)造，因此可以降低多層電鍍、合金電鍍、復(fù)合電鍍之成本等強(qiáng)的工業(yè)化適應(yīng)能力的優(yōu)點(diǎn)。
三、發(fā)展動(dòng)向分析
(一)抗沾黏性的抗菌電鍍皮膜
抗菌電鍍皮膜為人所詬病的就是一旦有污垢黏著在表面上，抗菌性能就會(huì)急劇下降。無(wú)電解鍍鎳-磷可以形成均勻的皮膜，同時(shí)兼具優(yōu)異的抗菌性及耐蝕性，但是也有對(duì)有機(jī)物的吸附親和性高的缺點(diǎn)。因此，在這種鎳-磷皮膜中將聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene；PTFE）粒子以任意的含量(～32vol%)分散共析于其中，以賦與鎳-磷皮膜抗沾黏性的鎳-磷-PTFE(Ni-P-PTFE復(fù)合電鍍)已經(jīng)實(shí)用化。
(二)多層抗菌電鍍皮膜
隨著抗菌電鍍皮膜表面的金屬的離子化，表面的光澤和外觀會(huì)呈現(xiàn)受到破壞的樣態(tài)，導(dǎo)致制品的質(zhì)量(創(chuàng)意性)下降，如銀、銅、鋅的電鍍皮膜，在與細(xì)菌懸浮液長(zhǎng)時(shí)間接觸之后就會(huì)產(chǎn)生暗淡無(wú)光澤的外觀變化，因此此時(shí)就可以采取上層是富于裝飾性且不易發(fā)生外觀變化的電鍍皮膜，而下層是抗菌性強(qiáng)的金屬電鍍皮膜所組成的雙層電鍍技術(shù)。
(三)抗菌復(fù)合電鍍皮膜
自從發(fā)現(xiàn)銳鈦礦型氧化鈦(TiO2)有光觸媒現(xiàn)象之后，應(yīng)用氧化鈦的抗菌制品接二連三地被開(kāi)發(fā)出來(lái)。當(dāng)氧化鈦受到陽(yáng)光或照明等光源中的紫外光照射而被激發(fā)時(shí)，就會(huì)在導(dǎo)電帶中產(chǎn)生電子，同時(shí)在價(jià)電帶中產(chǎn)生電洞而往表面擴(kuò)散，其中電子往吸附其上的氧移動(dòng)而生成O2-，而電洞則將吸附其上的水氧化而產(chǎn)生‧OH基，這些活性氧源發(fā)揮了強(qiáng)力的氧化作用，有助于微生物的殺菌和有機(jī)物的分解。現(xiàn)在讓氧化鈦粒子于金屬電鍍皮膜中產(chǎn)生共析的鎳-氧化鈦、鎳-磷-氧化鈦、亞鹽-鎳-氧化鈦合金復(fù)合電鍍等技術(shù)也已經(jīng)實(shí)用化了。這種透過(guò)氧化鈦的光觸媒作用及鎳離子的抗菌作用的相輔效果，即使在照不到光的暗處也可以維持優(yōu)異的抗菌作用，同時(shí)兼具有優(yōu)異耐蝕性。
四、結(jié)語(yǔ)
抗菌制品的應(yīng)用范圍已從醫(yī)療照護(hù)、公共設(shè)施、食品制造與生物相關(guān)領(lǐng)域、建筑資材、電子機(jī)器部品擴(kuò)大到以一般消費(fèi)者為對(duì)象。但另一方面，過(guò)度的抗菌加工可能連人類(lèi)生存所必要的共生菌也殺死了，連帶地招來(lái)了弊害。因此未來(lái)期待能更進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出可巧妙地調(diào)和人體的安全性及抗菌效力的抗菌表面處理技術(shù)。
