CN110201864B - 一种含铜抗菌自清洁涂层、制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含铜抗菌自清洁涂层、制备方法及其应用，属于金属材料表面处理技术领域。其包括以下步骤：(1)将打磨抛光后的基体浸没于含铜加工液中并在室温下沉积20s‑5min；(2)将沉积后的基体浸没于碱性加工液中在室温下处理20min‑80min；(3)将碱性处理后的基体浸没于修饰溶液中在室温下处理1h‑5h；(4)将修饰液处理后的基体在80℃‑200℃温度下保温处理0.5h‑2h，在基体上得到含铜抗菌自清洁涂层。本发明的含铜抗菌自清洁涂层的制备方法，其制备工艺简单、反应条件温和、对设备要求低、且生产成本低廉，制备得到的涂层兼具抗菌和自清洁功能，有效地阻止微生物附着及腐蚀的发生，同时实现抗菌、抗粘污和防腐蚀等多重功能。

Description

一种含铜抗菌自清洁涂层、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种含铜抗菌自清洁涂层、制备方法及其应用。
背景技术
目前，现在社会中钢的应用非常广泛，遍布于建筑、机械、交通运输、海工等领域。钢的主要成分为铁，由于铁元素无抗菌作用，因而限制了钢的抗菌应用。而铜元素有抗菌作用，因此为了扩大钢的抗菌应用前景，往往是制备含铜抗菌钢材。
现有制备含铜抗菌钢材技术主要采用两种策略，其一是合金成分设计，即在冶炼钢时添加铜元素，制备整体含铜钢铁材料。这样的方法需涉及合金的成分设计和熔炼制备。其二是表面改性，制备表面含铜层的钢材，常见的方法有：1)渗铜，如固体渗铜、等离子渗铜、磁控溅射渗铜等；2)含铜抗菌涂料。
上述的技术中存在成本高、设备要求高，流程繁琐、制备周期长，制品仅具单一抗菌功能等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含铜抗菌自清洁涂层、制备方法及其应用，以解决现有制备含铜抗菌钢材技术中存在成本高、设备要求高，流程繁琐、制备周期长，制品仅具单一抗菌功能等问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种含铜抗菌自清洁涂层的制备方法，包括：
(1)将打磨抛光后的基体浸没于含铜加工液中并在室温下沉积20s-5min；
(2)将沉积后的基体浸没于碱性加工液中在室温下处理20min-80min；
(3)将碱性处理后的基体浸没于修饰溶液中在室温下处理1h-5h；
(4)将修饰液处理后的基体在80℃-200℃温度下保温处理0.5h-2h，在基体上得到含铜抗菌自清洁涂层。
本发明通过含铜加工液先在基体表面沉积含铜层，奠定抗菌性能的物质基础，又利用碱性加工液通过无模板蚀刻的方法对含铜层作微纳米图案化处理，构筑含铜微纳米结构表面，奠定超疏水自清洁性能的结构基础，然后采用修饰溶液对具有微纳米图案的含铜表面进行低能修饰，降低含铜微纳米结构的表面能，使其具有超疏水自清洁性能，阻碍微生物、菌落附着的性能，最后通过保温固化提高涂层的稳定性。
本发明涂层能具有超疏水自清洁性能，其原因在于具有微纳米粗糙结构和较低的表面自由能。当固体表面具有图案化的微纳米粗糙结构，在发生固-液接触时，可在接触界面形成空气垫，减少固-液接触面积。当固体的表面自由能低，液体难以铺展浸润固体表面，而是在液体自身表面张力的作用下呈球滴状与固体表面接触。当固体表面同时具备了上述两个条件，在发生固液接触时，液体难以浸润固体表面而呈液滴状，当固体稍有倾斜或不倾斜，液滴在重力作用下滚落，同时卷走固体表面尘埃，显示出自清洁效果。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述步骤(1)中含铜加工液包括CuSO4·5H2O、酒石酸钾钠、葡萄糖和OP-10；其中，CuSO4·5H2O的浓度为0.1mol/L-1mol/L；酒石酸钾钠的浓度为0.05mol/L-0.15mol/L；葡萄糖的浓度为0.1mol/L-0.5mol/L；OP-10的浓度为0.01g/L-1g/L。
本发明采用的含铜加工液中，以CuSO4·5H2O为铜源，并辅于酒石酸钾钠作为稳定剂，控制反应速度；葡萄糖作为促进剂，促进铜的沉积进程；OP-10作为表面活性剂，对铜源进行表面活化和分散，提高含铜层的沉积质量。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述步骤(2)中碱性加工液包括：NaOH和(NH4)2S2O8；其中NaOH的浓度为1mol/L-10mol/L，(NH4)2S2O8的浓度为0.1mol/L-2mol/L。
本发明采用的碱性加工液对含铜层作微纳米图案化处理，以NaOH和(NH4)2S2O8作为蚀刻剂为含铜层进行无模板蚀刻构筑图案化含铜微纳米结构，奠定超疏水自清洁性能的结构基础。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述步骤(3)中修饰溶液为含修饰剂的有机溶液，所述修饰溶液的浓度为0.01mol/L-0.05mol/L，且所述修饰剂为硫醇、高级脂肪酸、硅氧烷、氟硅烷中的一种或多种。
本发明采用修饰溶液对含铜微纳米结构进行低能修饰，以降低含铜微纳米结构的表面能，使其具有超疏水自清洁性能，阻碍微生物、菌落的附着的性能。
上述的含铜抗菌自清洁涂层的制备方法制备得到的含铜抗菌自清洁涂层。
上述的含铜抗菌自清洁涂层在制备抗菌自清洁钢材上的应用。
本发明具有以下有益效果：
本发明的含铜抗菌自清洁涂层的制备方法，其制备工艺简单、反应条件温和、对设备要求低且生产成本低廉，制备得到的涂层兼具抗菌和自清洁功能，有效地阻止微生物附着及腐蚀的发生，同时实现抗菌、抗粘污和防腐蚀等多重功能。并且该制备方法为原位制备，在基体上得到的涂层其附着力强，稳定性能好。
附图说明
图1为本发明的实施例2的含铜抗菌自清洁涂层的扫描电镜(SEM)图；
图2为本发明的实施例2的含铜抗菌自清洁涂层的能谱(EDS)图；
图3为本发明的实施例2的含铜抗菌自清洁涂层的水接触角图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本发明的含铜抗菌自清洁涂层的制备方法，包括：
(1)先将基体进行打磨抛光后，将其浸没于含铜加工液中在室温下沉积20s；其中，含铜加工液包括CuSO4·5H2O、酒石酸钾钠、葡萄糖和OP-10；其中，CuSO4·5H2O的浓度为0.1mol/L；酒石酸钾钠的浓度为0.05mol/L；葡萄糖的浓度为0.1mol/；OP-10的浓度为0.01g/L。
(2)将沉积后的基体浸没于碱性加工液中在室温下处理20min；其中，碱性加工液包括：NaOH和(NH4)2S2O8；其中NaOH的浓度为1mol/L，(NH4)2S2O8的浓度为0.1mol/L。
(3)将碱性处理后的基体浸没于修饰溶液中在室温下处理1h；其中，修饰溶液为含修饰剂的有机溶液，所述修饰溶液的浓度为0.01mol/L，且所述修饰剂为正十二硫醇；有机溶剂为乙醇。
(4)将修饰液处理后的基体在80℃温度下保温处理0.5h，在基体上得到含铜抗菌自清洁涂层。
实施例2
本发明的含铜抗菌自清洁涂层的制备方法，包括：
(1)将基体进行打磨抛光后，将其浸没于含铜加工液中在室温下沉积1min；其中，含铜加工液包括CuSO4·5H2O、酒石酸钾钠、葡萄糖和OP-10；其中，CuSO4·5H2O的浓度为0.5mol/L；酒石酸钾钠的浓度为0.1mol/L；葡萄糖的浓度为0.3mol/L；OP-10的浓度为0.05g/L。
(2)将沉积后的基体浸没于碱性加工液中在室温下处理50min；其中，碱性加工液包括：NaOH和(NH4)2S2O8；其中NaOH的浓度为5mol/L，(NH4)2S2O8的浓度为1mol/L。
(3)将碱性处理后的基体浸没于修饰溶液中在室温下处理3h；其中，修饰溶液为含修饰剂的有机溶液，所述修饰溶液的浓度为0.03mol/L，且所述修饰剂为硫醇和硅氧烷以体积比1：1混合；有机溶剂为乙醇。
(4)将修饰液处理后的基体在140℃温度下保温处理1h，在基体上得到含铜抗菌自清洁涂层。
实施例3
本发明的含铜抗菌自清洁涂层的制备方法，包括：
(1)将基体进行打磨抛光后，将其浸没于含铜加工液中在室温下沉积20s-5min；其中，含铜加工液包括CuSO4·5H2O、酒石酸钾钠、葡萄糖和OP-10；其中，CuSO4·5H2O的浓度为1mol/L；酒石酸钾钠的浓度为0.15mol/L；葡萄糖的浓度为0.5mol/L；OP-10的浓度为1g/L。
(2)将沉积后的基体浸没于碱性加工液中在室温下处理80min；其中，碱性加工液包括：NaOH和(NH4)2S2O8；其中NaOH的浓度为10mol/L，(NH4)2S2O8的浓度为2mol/L。
(3)将碱性处理后的基体浸没于修饰溶液中在室温下处理5h；其中，修饰溶液为含修饰剂的有机溶液，所述修饰溶液的浓度为0.05mol/L，且所述修饰剂为硫醇、硬质酸和氟硅烷以体积比1：1：1混合；有机溶剂为乙醇。
(4)将修饰液处理后的基体在200℃温度下保温处理2h，在基体上得到含铜抗菌自清洁涂层。
本发明的实施例1～3中基体采用的是钢基材料。
将实施例1～3中含铜抗菌自清洁涂层进行水接触角测试，得到实施例1～3的水接触角表，如表1所示；
表1实施例1～3的水接触角表
实施例 实施例1 实施例2 实施例3
水接触角 168° 175° 170°
将实施例2中的含铜抗菌自清洁涂层进行扫描电镜(SEM)测试，得到实施例2的含铜抗菌自清洁涂层的表面形貌图，如图1所示。
从图1可以清晰看出，其内部为针状微纳米结构，甚至在聚集部位出现絮状微纳米结构。
将实施例2中的含铜抗菌自清洁涂层进行能谱分析，得到实施例2的含铜抗菌自清洁涂层的能谱(EDS)图，如图2所示。
从图2可以看出，含铜抗菌自清洁表面的铜元素主要以铜的氧化物形式存在。
将实施例2中的含铜抗菌自清洁涂层进行水接触角测试，得到实施例2的含铜抗菌自清洁涂层的水接触角图，如图3所示。
从图3可以看出，实施例2的含铜抗菌自清洁涂层的水接触角为170°。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种含铜抗菌自清洁涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将打磨抛光后的基体浸没于含铜加工液中并在室温下沉积20s-5min；其中含铜加工液包括CuSO4•5H2O、酒石酸钾钠、葡萄糖和OP-10；其中，CuSO4•5H2O的浓度为0.1mol/L-1mol/L；酒石酸钾钠的浓度为0.05mol/L-0.15mol/L；葡萄糖的浓度为0.1mol/L-0.5mol/L；OP-10的浓度为0.01g/L-1g/L；
（2）将沉积后的基体浸没于碱性加工液中在室温下处理20min-80min；其中碱性加工液包括：NaOH和(NH4)2S2O8，其中NaOH的浓度为1mol/L-10mol/L，(NH4)2S2O8的浓度为0.1 mol/L-2mol/L；
（3）将碱性处理后的基体浸没于修饰溶液中在室温下处理1h-5h；其中，修饰溶液为含修饰剂的有机溶液，所述修饰溶液的浓度为0.01mol/L-0.05mol/L，且所述修饰剂为硫醇、高级脂肪酸、硅氧烷、氟硅烷中的一种或多种；
（4）将修饰液处理后的基体在80℃-200℃温度下保温处理0.5h-2h，在基体上得到含铜抗菌自清洁涂层。
2.采用权利要求1所述的含铜抗菌自清洁涂层的制备方法制备得到的含铜抗菌自清洁涂层。
3.权利要求2所述的含铜抗菌自清洁涂层在制备抗菌自清洁钢材上的应用。
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