CN109108277A - 一种具有纳米银材料的水五金装置及其制作方法 - Google Patents

一种具有纳米银材料的水五金装置及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有纳米银材料的抗菌水五金装置的制作方法，包括下列步骤：首先，制作一中孔洞氧化硅（Mesoporous silica,MPS），其次为利用该中孔洞氧化硅做为生产纳米银材料的器具，接着，使用该纳米银材料制作纳米银浆料，最后，将该水五金装置浸渍于该纳米银浆料中，取出后以离心力及固化处理，使得纳米银材料披覆在该水五金装置上，即可获得抗菌水五金装置。本发明采用先进的纳米科技技术开发，运用纳米金属银颗粒的除菌功能，阻断水中有害菌体代谢并使其失去活性，做到提供安全饮用水及降低微生物生长的效果，享受方便的用水，却不让微生物附着，制作出高附加价值的抗菌水五金装置。

Description

一种具有纳米银材料的水五金装置及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种水五金装置及其制作方法， 特别是涉及一种含有纳米银材料的抗菌水五金装置及其制作方法。
背景技术
水五金是一个极为传统的产业，水五金装置包括水龙头、管接头以及莲蓬头等卫浴设备，由于此一产业牵涉到民生而创造出一定产值的需求，造就市场上水五金商家聚落的形成。以往政府对水五金的产品规范并不严谨，而在水五金装置方面的创新也大多仅止于外观的变化，很难得看见一个具有革命性的创新。近年来由于新型区域性病毒传染与食安问题的层出不穷，引起大众对于民生需求的安全问题日渐重视，而日常用水的品质攸关着人们的生命安全与存续，因此消费者对于水五金装置所使用的材质安定性疑虑与日俱增。基于这个严肃的议题，世界各国对于水五金装置逐渐定出了应有的规范，而制造厂商也逐渐将水五金装置的研发改良方向转为以除菌安全为优先考虑。
在科学界与医疗研究中发现银具有超强的杀菌力效能，且对人体无毒性伤害，因此常用来治病、保存液体与验毒，此一论点在《本草纲目》与美国FDA成份安定性分析认证中都有详细的记载，因此使用纳米银抗菌是值得采用的一种方法。然而目前市场上对于水五金装置的镀膜防锈技术多使用外加涂料或喷剂的方法处理，而受限于技术的不成熟让水五金装置有其无法喷涂的死角，倘若要采用外加涂料或喷剂的方法来涂加纳米银抗菌薄膜，将会严重的降低其应有的功效。此外，需要定期补充纳米银抗菌薄膜喷涂，除造成民众的不便外，涂料本身对环境的影响也是需要考虑的。
发明内容
为了解决上述的问题，本发明的目的即在于提供一种抗菌水五金装置，特别是涉及一种含有纳米银材料的抗菌水五金装置，可以保有传统水五金装置的耐用度，兼具美观与实用特性。
本发明提供一种具有纳米银材料的水五金装置的制作方法，包括：制备一纳米银材料，其包括制作一中孔洞氧化硅，对该中孔洞氧化硅进行表面官能基改质，利用该中孔洞氧化硅做为生产该纳米银材料的器具；使用该纳米银材料制作一纳米银浆料；以及，披覆制程，将一水五金装置浸渍于该纳米银浆料中，使得纳米银材料披覆在该水五金装置上。
本发明另一实施例提供了一种具有纳米银材料的水五金装置的制作方法，包括制备纳米银材料，其包括制作中孔洞氧化硅，对中孔洞氧化硅进行表面官能基改质，利用中孔洞氧化硅做为生产纳米银材料的器具；以及，将纳米银材料与水五金装置材料混合，两者直接融合制成具有纳米银材料的水五金装置。
在本发明的实施例中，中孔洞氧化硅的制备是由三区块聚合物P123（EO20PO70EO20）为模板，并以四乙氧基硅烷（TEOS）做为硅源进行合成。
在本发明的实施例中，中孔洞氧化硅有经过加热到550~650℃进行锻烧。
在本发明的实施例中，是采用溶胶-凝胶法（sol-gel process）來制备超疏水纳米银材料，分别以前置物法（precursor）的反应系统与同时聚合法(in-situ) 的反应系统来进行制作，在不同反应温度及反应时间下进行反应，并借由改变TEOS/硅烷比例可得到不同薄膜表面性质的变化。
在本发明的实施例中，采用湿式研磨来制作纳米银浆料，以达到纳米级粉体涂料进行水五金设备表面涂层附着性与减菌率要求。
在本发明的实施例中，纳米银颗粒大小介于150~250纳米之间，其平均粒径(D50)可小于200纳米。
在本发明的实施例中，可选择分散剂较佳的溶剂有丙二醇甲醚乙脂(PMA)、氰基丙烯酸乙酯(EAC)、异丙醇(IPA)、甲乙酮(MEK)、 2-苯氧基乙基丙烯酸酯(2-PEA)、聚氨酯(PU)、去离子水(DI Water)或四乙氧基硅烷（TEOS）。
在本发明的实施例中，纳米银材料披覆厚度介于0.005 ~ 0.015mm。
在本发明的实施例中，纳米银材料披覆厚度最佳值为0.01mm。
在本发明的实施例中，披覆制程另包括将该水五金装置的表面进行一固化与一表面处理步骤。
本发明另提供了一种具有纳米银材料的抗菌水五金装置之制作方法，包括：制备纳米银材料，首先，制作一中孔洞氧化硅（Mesoporous silica, MPS），其次为利用该中孔洞氧化硅做为生产纳米银材料的器具；接着，将该纳米银材料与该水五金装置材料直接融合制成抗菌水五金装置。
本发明提供一种包含有纳米银材料水五金装置，具有抗菌消毒的功能。
本发明的有益效果在于将传统水五金装置与纳米制程结合，不同于目前市场上对于水五金装置的镀膜防锈技术多使用外加涂料或喷剂的方法处理，而受限于技术的不成熟让水五金装置有其无法喷涂的死角，既可达到其应有的功效，也不会需要定期补充纳米银抗菌薄膜喷涂而造成对环境的不良影响。
附图说明
图1是本发明制作抗菌水五金装置的流程图。
图2是本发明制作纳米银浆料的示意图。
图3是本发明研磨纳米银浆料的示意图。
图4A~图4C是本发明制成的抗菌水龙头抗菌试验结果照片。
【符号说明】
S100~S300 步骤；
21 混合器；
22 帮浦；
23 研磨室；
231 粉体银离子；
232 研磨介质。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明采用先进的纳米科技技术开发，运用纳米金属银颗粒与病菌的细胞壁/膜有相当强的结合能力，能直接进入菌体，迅速与氧代谢的硫醇（-SH）结合，阻断水中有害菌体代谢并使其失去活性，进而可以放心接触水五金的产品。纳米银优点为纳米银是原子结构组成的「银粒子」不带电荷固体粉末，其缺点为纳米银的应用与其真实颗粒大小和是否具有纳米效应有紧密的关联性。本发明使用的制备方法是运用低温超音波双轴驱动纳米分散机，可独立驱动研磨分散轴及研磨介质分離器，产生产品复合性纳米银离子，克服传统纳米银离子无法在高粘度及高温下顺利运作的纳米分散及浸渍(dipping)缺点，并选择适合分散剂喷涂或浸渍至水五金装置表面，运用复合式纳米银离子与病菌的细胞壁/膜有相当强的结合能力，阻断水中菌体代谢并使其失去活性，以达成长效抗菌效果，成为包覆与披覆的创新关键技术。
请参阅图1，图1是本发明制作抗菌水五金装置的流程图。本发明提供一种具有纳米银材料的水五金装置的制作方法，包括：制备纳米银材料(S100)，其至少包括制作一中孔洞氧化硅，对该中孔洞氧化硅进行表面官能基改质，利用该中孔洞氧化硅做为生产纳米银材料的器具；使用该纳米银材料制作纳米银浆料(S200)；以及，进行披覆制程，将一水五金装置浸渍于该纳米银浆料中，使得纳米银材料披覆在该水五金装置上(S300)。
本发明的水五金装置制作方法，其中制备纳米银材料(S100)时，先制作中孔洞氧化硅（Mesoporous silica, MPS）用来做为生产纳米银材料所需要的器具；其次，利用中孔洞氧化硅来制作纳米银材料；接着，使用纳米银材料制作纳米银浆料；最后进行披覆制程时，再将水五金装置浸渍于纳米银浆料中，取出后可进一步加以离心力与固化处理，使得纳米银材料披覆在水五金装置上，即可获得本发明抗菌水五金装置。
纳米材料是指三维空间中至少有一维的尺度介于1∼100纳米的物质。纳米孔洞材料的孔洞本身是空的，这些孔洞可以提供一个空间用来储存、分离、制备纳米材料。依国际纯粹与应用化学联合会的定义，多孔洞材料的孔径尺寸小于2纳米的称为微孔材料，大于50纳米的称为巨孔材料，介于两者之间的则是中孔洞材料。中孔洞材料的合成方法通常是利用具有亲水性和疏水性官能基的界面活性剂的自组装特性，加上无机物种（例如硅酸盐）的水解聚合反应，简单地说，即是利用界面活性剂自组装所构成的结构当作模板，然后，无机物种再水解聚合于此模板的外侧，最后，再利用高温烧结或酸洗的方式将有机界面活性剂去除，即可得到本发明的中孔洞材料。
制作本发明纳米银材料(S100)的中孔洞氧化硅是以三区块聚合物（triblockpolymer）P123（EO20PO70EO20）做为模板，并以四乙氧基硅烷（tetraethoxysilane, TEOS）做为硅源进行合成。本实例制作中孔洞氧化硅是先将11.5 ml界面活性剂三区块聚合物P123加入到338 ml去离子水中，并加入66.8 ml (浓度37%)盐酸，搅拌后于室温下静置4小时。待溶液形成无颗粒的均相状态后，再加入25.8 ml四乙氧基硅烷搅拌6小时。接着，再将溶液加热到35~45℃加以搅拌24小时，随即放入设定100℃的烘箱内进行24小时烘干。烘干后的粉末以无水酒精与去离子水加以清洗过滤，并再次重复烘干步骤，即可得到中孔洞氧化硅之样品。此外，在本发明另一实施例，可采用二组不同条件制作中孔洞氧化硅粉末，分别为有锻烧与未锻烧的中孔洞氧化硅，有锻烧条件为在空气氛围中加热到550~650℃进行，其中较佳的条件为550℃，其中的空气氛围可以是氮气(N2)。
为了能制作出本发明所需要的纳米银材料(S100)，必须进行中孔洞氧化硅表面官能基改质。先取用0.5g中孔洞氧化硅粉末在绝对温度373K下除水24小时，再加入75~85ml的甲苯(toluene)做为溶剂并搅拌6小时，待搅拌到均相态后可加入100~500μl的APTMS（3-Aminopropyltrimethoxysilane）搅拌20小时，其中APTMS的量以300μl为较佳。然后随即加以离心过滤，并以丙酮溶解不必要的多余硅原子，再以去离子水加以清洗，最后以100℃烘干24小时即可完成中孔洞氧化硅的制作。
此外，为了达到本发明水五金装置具有良好的疏水效果，本发明另一制备纳米银材料的方法可以采用溶胶-凝胶法（sol-gel process），在此实施例中是以前置物法（precursor）的反应系统来制作，在前置物系统中将个别种类硅烷、乙醇及水在酸性环境下进行水解-缩合反应，然后再加入二氧化硅粉体进行混合，以旋转涂布方式（spin-coating）涂布于玻璃基材上，在不同反应温度及反应时间下进行反应，并借由改变TEOS/硅烷比例可得到不同薄膜表面性质的变化。
在本发明的另一实施例中，制备纳米银材料的方法是以同时聚合法(in-situ) 的反应系统來制备超疏水纳米银材料。在同时聚合系统中，利用乙醇将个别粒径的纳米银粉体分散后，借由改变TEOS/硅烷比例与改变硅烷种類、加水在酸性环境下进行水解-缩合反应，以旋转涂布方式涂布于玻璃基材上，并在不同温度下进行反应，可得到不同薄膜表面性质的变化。
最后，为本发明所需纳米银浆料的制作(S200)。首先，以制成的具有粉体银离子的纳米银材料、并取氯化银粉末(2~5%)与氧化锌粉末(8~12%)加入螯合剂(trien Bey)约1ml，于酸碱值为pH14的氯化钠(NaCl)溶液中，然后以500W的微波加热合成15分钟，即可完成本发明所需要的纳米银浆料。
本发明另一纳米银浆料的制作方式，请参阅图2与图3，浆料包含粉体银离子231及氧化锌与溶剂，在混合器21适当预混合后，经由帮浦22输送至研磨室23中，在研磨机主轴叶片高速旋转下(圆周速度约8~12m/s)，浆料与研磨室23中的研磨介质232(填充率约60~80vol.%)相互摩擦与撞击进而可被研磨或分散至复合纳米银等级。
为达到纳米级粉体涂料进行水五金设备表面涂层附着性与减菌率要求，本发明采用湿式研磨，即将研磨粉体加入适当的溶剂均匀混合，调制成研磨的原浆料，经由研磨介质232的剪切力(Shear Force)、冲击力(Impact Force)使研磨粉体逐渐纳米化。湿式研磨不仅安全性高，更能有效率地取得次微米或纳米级的研磨浆料和粉体，在本实施例中所得到的纳米银颗粒大小介于150~250纳米之间，其平均粒径(D50)可小于200纳米。
特予说明的是，在本发明可选择分散剂较佳的溶剂有丙二醇甲醚乙脂(PMA)、氰基丙烯酸乙酯(EAC)、异丙醇(IPA)、甲乙酮(MEK)、 2-苯氧基乙基丙烯酸酯(2-PEA)、聚氨酯(PU)、去离子水(DI Water)或四乙氧基硅烷（TEOS）。
最后再将水五金装置本体浸渍于纳米银浆料中，取出后以快速旋转的離心力去除附着在水五金装置本体上多余的纳米银浆料，然后再进行固化(curing)，电镀时纳米银将会依比例(5~10%)镕炼于水五金装置上，经表面处理后即可获得表面平整之抗菌水五金装置。在本实施例中所得到的纳米银材料披覆厚度介于0.005~0.015mm，其中较佳值为0.01mm。
此外，本发明的另一实施例中，也可以将前述制作完成的纳米银材料直接融合在水五金装置材料里面一起制作，不需要再进行繁琐的浸渍制程，即可获得抗菌水五金装置。
为评估运用本发明制成的抗菌水龙头经抗菌和抑菌处理的抗菌活性检测及其效果，依据纺织品抗菌试验方法和抗菌效果(JIS L 1902-2002、AATCC 100)进行灭菌试验。经抗菌功能验证报告显示，请参考图4A~图4C所显示的样品结果照片，金黄色葡萄球菌(图4A)、绿脓杆菌(图4B)、大肠杆菌(图4C)三项试验结果，各别项目中的三个样品的灭菌率皆达99%以上 ，图4A至图4C左边三个样品，即样品1、样品2及样品3，是培养48小时的样品覆盖照，图4A至图4C右边是将样品移除后，可看到原来放置样品(样品1、样品2及样品3)的边界处(即，照片中的方框处)没有金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌、大肠杆菌等微生物生长。
本发明可将传统水五金装置与纳米制程结合，不同于目前市场上对于水五金装置的镀膜防锈技术多使用外加涂料或喷剂的方法处理，而受限于技术的不成熟让水五金装置有其无法喷涂的死角，既可达到其应有的功效，也不会需要定期补充纳米银抗菌薄膜喷涂而造成对环境的不良影响。经过本发明的提出之后，不须仰赖任何进口原料，即可在经济的制造流程下获得高附加价值的抗菌水五金装置，可同时做到提供安全饮用水及降低微生物生长的效果，享受方便的用水，却不让微生物附着，达到市场的高需求。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种具有纳米银材料的水五金装置的制作方法，其特征在于，包括下列步骤：
制备一纳米银材料，其至少包括制作一中孔洞氧化硅，对该中孔洞氧化硅进行表面官能基改质，利用该中孔洞氧化硅做为生产该纳米银材料的器具；
使用该纳米银材料制作一纳米银浆料；以及，
一披覆制程，将一水五金装置浸渍于该纳米银浆料中，使得纳米银材料披覆在该水五金装置上。
2.如权利要求1所述的水五金装置的制作方法，其特征在于，该中孔洞氧化硅制作方法是以三区块聚合物做为模板，以四乙氧基硅烷做为硅源进行合成。
3.如权利要求1所述的水五金装置的制作方法，其特征在于，该表面官能基改质方法包括：
将该中孔洞氧化硅粉末进行除水；
加入甲苯做为溶剂并搅拌；
再加入APTMS（3-Aminopropyltrimethoxysilane）搅拌；
以丙酮溶解多余硅原子；以及
以去离子水清洗及烘干。
4.如权利要求1所述的水五金装置的制作方法，其特征在于，该制备纳米银材料步骤是以前置物法的反应系统来进行制作，在不同反应温度及反应时间下进行反应，并借由改变四乙氧基硅烷比例可得到不同薄膜表面性质的变化。
5.如权利要求1所述的水五金装置的制作方法，其特征在于，该制备纳米银材料步骤是以同时聚合法的反应系统来进行制作，在不同反应温度及反应时间下进行反应，并借由改变四乙氧基硅烷比例可得到不同薄膜表面性质的变化。
6.如权利要求1所述的水五金装置的制作方法，其特征在于，该纳米银浆料制作方法包括：
将纳米银材料与氯化银粉末与氧化锌粉末混合；以及
加入螯合剂，并置于氯化钠(NaCl)溶液中进行加热合成。
7.如权利要求1所述的水五金装置的制作方法，其特征在于，该纳米银浆料制作方法包括：
将纳米银材料及氧化锌与溶剂混合；以及
再经由研磨机与研磨介质相互摩擦与撞击而形成该纳米银浆料。
8.如权利要求1所述的水五金装置的制作方法，其特征在于，该披覆制程进一步包括:对该水五金装置进行一固化与一表面处理。
9.一种具有纳米银材料的水五金装置的制作方法，其特征在于，包括下列步骤：
制备一纳米银材料，其至少包括制作一中孔洞氧化硅，对该中孔洞氧化硅进行表面官能基改质，利用该中孔洞氧化硅做为生产该纳米银材料的器具；以及
将该纳米银材料与该水五金装置材料混合，两者直接融合制成具有纳米银材料的水五金装置。
10.一种如权利要求1或9所述的制作方法制成的水五金装置。
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