CN108454190B - 一种抗菌钛合金复合板材及其制备方法 - Google Patents

一种抗菌钛合金复合板材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种抗菌钛合金复合板材及其制备方法，该复合板材由抗菌钛合金‑铝‑抗菌钛合金三层组成，或者由抗菌钛合金‑铜‑抗菌钛合金三层组成。抗菌钛合金是含铜的抗菌钛合金、含银的抗菌钛合金或既含铜又含银的钛合金。制备过程，首先将钛合金板材与铝(或铜)板材表面酸洗活化处理，然后按照钛合金‑铝(或铜)依次叠加，在真空条件下加热到一定的温度，用热轧机压延复合，变形率≥60％，再在500‑650℃(750‑1000℃)真空扩散退火，表面清理后，室温轧制压光，变形率≤8％，再在真空500‑600℃(或500‑700℃)条件下去应力退火，获得抗菌钛合金复合板材。该复合板材由于外层为抗菌钛合金，具有抗菌功能，而中间复合的铝层或铜层保证板材具有良好的导热特性，特别适合于制造锅具。

Description

一种抗菌钛合金复合板材及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种抗菌钛合金复合板材及其制备方法，特别是一种可以应用于锅具制造的抗菌钛合金复合板材及其制备方法。
背景技术
以锅具为代表的厨具在使用过程中，需要长时间与食品接触，而且在加热的过程中，需要将热量很好地传导到内部的食品。因此，长期以来，用于制备这类产品的板材都需要具有：1)良好的食品安全性，2)良好的耐腐蚀性，3)导热性好，4)不生锈，美观。
厨具的内外表面的要求由于使用的功能不同而不相同，其中内表面与食品接触，因此希望具有非常好的耐蚀性能，而且材料中最好不含有对人体有危害的元素。外表面需要将热源的热量快速且均匀地传导到内层，达到快速均匀加热和节约能源的效果。
目前，用于锅具制备的材料主要是铝、铁、钢、不锈钢及其复合板材以及纯钛。铝及铝合金用于锅具制造，导热快，但是会在使用过程中溶出铝元素，进入人体后富集会产生副作用，例如引起老年痴呆等疾病。铁和普通钢耐蚀性能较差，容易生锈，也容易引起铁或氧化铁摄入过量，对肝脏产生危害。不锈钢的耐蚀性能好，不生锈，美观，但是不锈钢中含有大量的镍元素和铬元素，摄入人体后会产生金属过敏，甚至引起癌变。纯钛已经被广泛应用于人体植入器械的制造中，已经被认为是最为安全的生物材料，不含重金属镍和铬，即使是长期使用也不会溶出铝、镍和铬等有害元素，已经被应用于锅具制造中，但是纯钛的导热性比较差，加热慢而且不均匀。
锅具在使用过程中存在的另外一个问题就是在相对潮湿的环境下，容易滋生细菌，霉变，引起疾病。为了消除细菌滋生的问题，已经有技术将抗菌涂层用于锅具制备中，但是在使用过程中抗菌性会随着涂层的脱落而慢慢消除。
如何开发一款既具有良好导热性能，又能防止细菌滋生，而且不含重金属的厨具板材就成为厨具继续开发的重要难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗菌钛合金复合板材，它由抗菌钛合金-铝-抗菌钛合金或者抗菌钛合金-铜-抗菌钛合金复合而成，可以用于锅具的制造。表层的抗菌钛合金一方面可以杀死与之相接触的细菌，防止细菌滋生，预防由细菌引起的霉变，另一方面，抗菌钛合金不含铝、镍和铬等已知的对人体有潜在危害的金属元素，是对人体十分安全的材料。复合板材中的铝和铜具有良好的导热性能，可以显著地提高板材的导热性能，很快地将热量均匀地传递到整个板材。本发明所提供的复合板材具有非常好的人体安全性、良好的导热性能和抗细菌功能，非常适合锅具制造。
具体技术方案为：
一种抗菌钛合金复合板材，该板材分为两种三层复合结构：一是抗菌钛合金-铝-抗菌钛合金依次叠加形成的三层复合结构，二是抗菌钛合金-铜-抗菌钛合金依次叠加形成的三层复合结构；其中抗菌钛合金层为含铜抗菌钛合金层或含银抗菌钛合金层或者既含铜又含银的抗菌钛合金层；铝层为纯铝层或铝合金层，铜层为纯铜层或铜合金层；复合板材各层间通过液相扩散形成的冶金结合连接。
进一步地，上述的含铜抗菌钛合金为含铜的钛合金，包括但不限于含铜二元钛合金、含铜三元钛合金和含铜四元钛合金；所述的含银抗菌钛合金为含银的钛合金，包括但不限于含银二元钛合金、含银三元钛合金和含银四元钛合金。
进一步地，上述含铜抗菌钛合金中Cu：1-10wt％；含银抗菌钛合金中Ag：1-20wt％；既含铜又含银的钛合金中Cu 1-8wt％，Ag 1-15wt％。
上述抗菌钛合金复合板材的制备方法为：
当复合板材为抗菌钛合金-铝-抗菌钛合金依次叠加形成的三层复合结构时，包括如下步骤：首先将钛合金板材和铝板材表面酸洗活化处理，然后按照钛合金、铝、钛合金依次叠加，叠加后的板材两个边采用焊接方式固定；其次，在真空条件下将叠加板材加热到500-650℃，接近铝的熔点，使得中间的铝出现少许液相，用热轧机压延复合，变形率≥50％，再在500-650℃真空扩散退火，通过液相扩散使层与层之间形成冶金结合，提高板材的整体强度和导热性能，随后表面清理后，室温轧制压光，变形率≤8％；最后，在真空条件下500-600℃去应力退火，获得抗菌钛合金-铝-抗菌钛合金复合板材；形成最终的抗菌钛合金复合板材。
当复合板材为抗菌钛合金-铜-抗菌钛合金依次叠加形成的三层复合结构时，包括如下步骤：首先将钛合金板材和铜板材表面酸洗活化处理，然后按照钛合金、铜、钛合金依次叠加，叠加后的板材两个边采用焊接方式固定；其次，在真空条件下将叠加的板材加热到800-1080℃，接近铜的熔点，使得中间的铜出现少许液相，用热轧机压延复合，变形率≥60％，使上下三层金属紧密结合在一起，再在750-1000℃真空扩散退火，通过液相扩散使层与层之间形成冶金结合，提高板材的整体强度和导热性能；随后表面清理后，室温轧制压光，变形率≤8％，最后，再在真空条件下600-700℃去应力退火，获得抗菌钛合金-铜-抗菌钛合金复合板材；形成最终的抗菌钛合金复合板材。
所述方法中的真空条件，真空度为：10-3-10-5Pa。
本发明所述板材中的抗菌钛合金是通过在纯钛或钛合金中添加适量的铜元素或银元素，经过特殊的抗菌处理，使得合金中的铜元素或银元素以纳米尺寸的铜钛金属间化合物或者纳米级银钛金属间化合物分布于合金中，从而使合金具有了抗细菌滋生的功能。其中的钛可以是纯钛也可以是所有的钛合金。由于抗菌钛合金中不含铝元素、镍元素、铬元素等对人体有害的金属元素，因此板材的外表面与食品接触时就不会溶出对人体有害的金属离子，是生物安全的材料。
本发明的有益效果是：
本发明将抗菌钛合金-铝-抗菌钛合金复合在一起，并通过后续的工艺使之紧密结合在一起，复合板材的外表面具有了抗菌钛合金的良好生物安全性和抗细菌滋生的功能，而且由于中间有导热性能良好的铝，因此复合板材整体具有良好的导热性能。
本发明将抗菌钛合金-铜-抗菌钛合金复合在一起，并通过后续的工艺使之紧密结合在一起，复合板材的外表面不仅具有了抗菌钛合金的良好生物安全性和抗细菌滋生的功能，而且由于中间有导热性能良好的铜，因此复合板材整体也具有良好的导热性能。
附图说明
图1是抗菌钛合金复合板材示意图；
图中：1抗菌钛合金层；2铝层或铜层。
具体实施方式
实施例1
按照下述方法制备抗菌钛合金板材：首先，将含Cu(或Ag或Cu与Ag)钛合金板材和铝板材表面酸洗活化处理，把钛合金、铝、钛合金依次叠加，叠加后的板材两个边采用焊接方式固定。其次，在真空条件下将叠加板材加热到500-650℃，用热轧机压延复合，变形率≥50％，再在500-650℃真空扩散退火，随后表面清理后，室温轧制压光，变形率≤8％。最后，再在真空500-600℃去应力退火，获得抗菌钛-铝-抗菌钛复合板材。
所述的抗菌钛合金可以是含铜的抗菌钛合金(Cu 1-10wt％)，可以是含银的抗菌钛合金(Ag 1-20wt％)，也可以既含铜又含银的钛合金(Cu 1-8wt％，Ag 1-15wt％)，所述的铝是纯铝或铝合金。含Cu抗菌的钛-铝-钛复合板材的抗菌性能见表1，含Ag抗菌的钛-铝-抗菌钛复合板材的抗菌性能见表2，含Cu和Ag抗菌的钛-铝-抗菌钛复合板材的抗菌性能见表3。
按照下述公式计算抗菌钛合金对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率：
杀菌率(％)＝[(对照样品活菌数-抗菌钛合金活菌数)/对照样品活菌数]×100
式中，对照样品活菌数是对照样品(商用纯钛，cp-Ti)上进行细菌培养后的活菌数，抗菌钛合金活菌数是指抗菌钛合金上进行细菌培养后的活菌数。
抑菌试验按照《JIS Z 2801-2000抗菌加工制品-抗菌性试验方法和抗菌效果》等标准规定，具体为：
分别取试验用菌液0.3ml滴加到对照样品(cp-Ti)和抗菌钛合金样品上。用灭菌镊子将覆盖膜分别覆在各个样品上，使菌液均匀接触样品，置于灭菌平皿中，放在恒温培养箱中37℃、相对湿度90％以上条件下培养24h。
取出已培养24h的样品，分别加入洗脱液，反复清洗样品与覆盖膜，充分摇匀后，分别取0.1ml滴加到板营养琼脂培养基，每个样品做三个平行样，用灭菌三角耙涂匀，置于37℃恒温箱中培养48h后按照GB/T 4789.2的方法进行活菌计数。
实施例2
按照下述方法制备抗菌钛合金板材：首先将含Cu(或Ag或Cu与Ag)钛合金板材、铜板材表面经过酸洗活化处理，形成新鲜的表面。然后按照钛合金、铜、钛合金依次叠加，叠加后的板材两个边采用焊接方式固定。其次，在真空下将板材加热到800-1080℃，接近铜的熔点，使得中间的铜出现少许液相，然后再用热轧机压延复合，变形率≥60％，使上下三层金属紧密结合在一起，并且在随后的750-1000℃真空扩散退火中通过液相扩散使层与层之间形成冶金结合，提高板材的整体强度和导热性能。最后，室温轧制压光，变形率≤8％，在真空600-700℃下去应力退火，形成最终的抗菌钛合金复合板材。
所述的抗菌钛合金可以是含铜的抗菌钛合金(Cu 1-10wt％)，可以是含银的抗菌钛合金(Ag 1-20wt％)，也可以既含铜又含银的钛合金(Cu 1-8wt％，Ag 1-15wt％)，所述的铜是纯铜或铜合金。含Cu抗菌的钛-铜-钛复合板材的抗菌性能见表4，含Ag抗菌的钛-铜-钛复合板材的抗菌性能见表5，含Cu和Ag抗菌的钛-铜-钛复合板材的抗菌性能见表6。。
按照下述公式计算抗菌用钛合金对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率：
杀菌率(％)＝[(对照样品活菌数-抗菌钛合金活菌数)/对照样品活菌数]×100
式中，对照样品活菌数是对照样品(商用纯钛，cp-Ti)上进行细菌培养后的活菌数，抗菌钛合金活菌数是指抗菌钛合金上进行细菌培养后的活菌数。
抑菌试验按照《JIS Z 2801-2000抗菌加工制品-抗菌性试验方法和抗菌效果》等标准规定，具体为：
分别取试验用菌液0.3ml滴加到对照样品(cp-Ti)和抗菌钛合金样品上。用灭菌镊子将覆盖膜分别覆在各个样品上，使菌液均匀接触样品，置于灭菌平皿中，放在恒温培养箱中37℃、相对湿度90％以上条件下培养24h。
取出已培养24h的样品，分别加入洗脱液，反复清洗样品与覆盖膜，充分摇匀后，分别取0.1ml滴加到板营养琼脂培养基，每个样品做三个平行样，用灭菌三角耙涂匀，置于37℃恒温箱中培养48h后按照GB/T 4789.2的方法进行活菌计数。
表1 含Cu抗菌的钛-铝-钛复合板材的抗菌性能
Figure BDA0001562416170000071
表2 含Ag抗菌的钛-铝-钛复合板材的抗菌性能
Figure BDA0001562416170000072
表3 含Cu和Ag抗菌的钛-铝-钛复合板材的抗菌性能
Figure BDA0001562416170000081
表4 含Cu抗菌的钛-铜-钛复合板材的抗菌性能
Figure BDA0001562416170000082
表5 含Ag抗菌的钛-铜-钛复合板材的抗菌性能
Figure BDA0001562416170000091
表6 含Cu和Ag抗菌的钛-铜-钛复合板材的抗菌性能
Figure BDA0001562416170000092

Claims (4)

1.一种抗菌钛合金复合板材，其特征在于，该板材分为两种三层复合结构：一是钛合金-铝-钛合金依次叠加形成的三层复合结构，二是钛合金-铜-钛合金依次叠加形成的三层复合结构；
其中钛合金层为含铜钛合金层或含银钛合金层或者既含铜又含银的钛合金层；铝层为纯铝层或铝合金层，铜层为纯铜层或铜合金层；复合板材各层间通过液相扩散形成的冶金结合连接；合金中的铜元素或银元素以纳米尺寸的铜钛金属间化合物或者纳米级银钛金属间化合物分布于合金中；
当复合板材为钛合金-铝-钛合金依次叠加形成的三层复合结构时，包括如下步骤：首先将钛合金板材和铝板材表面酸洗活化处理，然后按照钛合金、铝、钛合金依次叠加，叠加后的板材两个边采用焊接方式固定；其次，在真空条件下将叠加板材加热到500-650℃，用热轧机压延复合，变形率≥50％，再在500-650℃真空扩散退火，随后表面清理后，室温轧制压光，变形率≤8％；最后，在真空条件下500-600℃去应力退火，获得具有抗菌特性的钛合金-铝-钛合金复合板材；
当复合板材为钛合金-铜-钛合金依次叠加形成的三层复合结构时，包括如下步骤：首先将钛合金板材和铜板材表面酸洗活化处理，然后按照钛合金、铜、钛合金依次叠加，叠加后的板材两个边采用焊接方式固定；其次，在真空条件下将叠加的板材加热到800-1080℃，用热轧机压延复合，变形率≥60％，再在750-1000℃真空扩散退火，随后表面清理后，室温轧制压光，变形率≤8％，最后，再在真空条件下600-700℃去应力退火，获得具有抗菌特性的钛合金-铜-钛合金复合板材。
2.根据权利要求1所述的抗菌钛合金复合板材，其特征在于：含铜钛合金中Cu：1-10wt％；含银钛合金中Ag：1-20wt％；既含铜又含银的钛合金中Cu 1-8wt％，Ag 1-15wt％。
3.根据权利要求1或2所述的抗菌钛合金复合板材，其特征在于，所述的含铜的钛合金，包括但不限于含铜二元钛合金、含铜三元钛合金和含铜四元钛合金；所述的含银的钛合金，包括但不限于含银二元钛合金、含银三元钛合金和含银四元钛合金。
4.根据权利要求1或2所述的抗菌钛合金复合板材，其特征在于，其制备方法所述的真空条件，真空度为：10-3-10-5Pa。
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