不锈钢表面渗铜扩散复合处理合金层的抗菌性能研究
张翔宇, 蒋立, 黄晓波, 马永, 范爱兰, 唐宾
太原理工大学 表面工程研究所, 太原 030024
唐 宾, 教授. E-mail:tangbin@tyut.edu.cn

张翔宇(1984-), 男, 博士研究生. E-mail:zxyclwl@126.com

摘要

采用等离子表面合金化及辉光轰击热扩散复合处理技术在不锈钢表面进行了铜合金化处理. 利用薄膜密贴法对改性层的抗菌性能进行了测试. 通过扫描电子显微镜(SEM)、辉光放电光谱分析仪(GDOES)和X射线光电子能谱(XPS)等手段, 研究了铜合金层的微观组织、化学成分分布及抗菌前后表面铜的价态变化. 结果表明, 铜合金层对大肠杆菌(E. coli)和金黄色葡萄球菌(S. aureus)都展现了优良抗菌性能; 合金层表面铜约为5.7wt%, 合金层厚度约2.7 µm; 表面铜合金化不锈钢与菌液接触后, 不锈钢表面的铜元素以铜离子析出, 并且与试验菌种发生作用, 杀灭试验细菌.

关键词: 不锈钢; 复合处理; 铜合金层; 抗菌性能
中图分类号:TQ174   文献标志码:A    文章编号:1000-324X(2012)05-0519-05
Improvement of Antibacterial Properties of Stainless Steel by Combining Plasma Cu and Thermal Diffusion
ZHANG Xiang-Yu, JIANG Li, HUANG Xiao-Bo, MA Yong, FAN Ai-Lan, TANG Bin
Research Institute of Surface Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China
Abstract

The duplex treatment consisting of plasma surface alloyed with copper followed by thermal diffusion under the bombardment of glow was carried out on AISI 304 stainless steel in order to improve its antibacterial properties. The antibacterial properties against Gram-negativeE.coliATCC10536 and Gram-positiveS.aureus ATCC25923 of the untreated and duplex-treated stainless steel were investigated by using a spread plate method. The microstructure, chemical composition and the change of the chemical state of copper on the surface of the duplex treated stainless steel were characterized using scanning electron microscope (SEM), glow discharge optical emission spectroscope (GDOES) and X-ray photoelectron spectroscope (XPS). The results show that the antibacterial rates gradually rise with increase of the contact time between the bacteria and the copper-alloyed stainless steel, and the alloyed surface exhibits excellent antibacterial properties against bothE.coli andS.aureus within 12 h. The copper concentration on the alloyed surface reaches to 5.7wt% and the thickness of the alloyed layer is about 2.7 µm. XPS analysis indicated that Cuions was released when the copper-alloyed surface contacted with bacterial solution, which led to death of the bacteria.

Keyword: stainless steel; duplex treatment; copper alloyed layer; antibacterial property

抗菌不锈钢不仅具有不锈钢的耐腐蚀性、可加工性好等性能, 而且还具有优良的抗菌性能, 市场前景十分广泛. 在不锈钢生产过程中直接添加一些具有抗菌作用的金属元素(如银、铜等), 再通过特殊的抗菌处理即可使不锈钢具有抗菌性[ 1, 2, 3, 4, 5], 但这种整体冶炼方法工艺复杂, 并且低熔点银/铜合金元素的添加, 易导致不锈钢整体力学性能的劣化. 抗菌不锈钢发挥抗菌功能的区域是其与其它介质接触的表面, 因此, 可以通过表面改性制备抗菌不锈钢. 目前用于制备表面抗菌不锈钢的方法有离子注 入[ 6, 7]、PVD镀膜[ 8, 9]和沉积扩散[ 10]等. 由于银/铜在不锈钢中的溶解度很低, 传统的表面改性方法很难在不锈钢表面形成一定厚度且成分可控的抗菌改性层. 本工作采用等离子表面冶金[ 11, 12]和辉光轰击热扩散复合处理技术, 在不锈钢表面制备获得了表面含铜的合金改性层, 对其微观组织、成分分布及抗菌性能进行了研究.

1 实验部分

实验所用材料是φ20mm×4mm的圆形AISI304奥氏体不锈钢, 主要成分为 0.076wt%C、18.18wt%Cr、 8.37wt%Ni, 将样品用砂纸打磨、抛光至表面粗糙度 R a<0.05 µm. 试样用丙酮清洗, 表面合金化采用太原理工大学自制的表面合金化设备, 极限真空度<6.7×10-2Pa. 选用的源极材料为纯度99.99%的纯铜, 尺寸为70 mm×70 mm×60 mm. 铜合金化工艺分为两部分:(1)双层辉光等离子渗铜; (2)辉光轰击促使铜向不锈钢基体扩散. 试验步骤如下: 首先充入少量氩气, 在阴极和源极之间施加直流电压, 产生辉光放电, 轰击清理试样和靶材表面. 利用阴极与源极间形成的空心阴极效应使试样升温. 试样温度升至950℃时, 调整阴、源两极电压, 使温度保持稳定进行渗铜. 保温40 min后关闭源极电压, 调整阴极电压使试样温度保持在850℃, 保温3 h后, 关闭阴极电压, 试样随炉冷却. 具体工艺参数为渗铜工艺: 工件电压-550~ -600 V, 源极电压-850~ -900 V, 极间距15 mm, 保温温度950℃, 保温时间40 min; 辉光轰击热扩散工艺为工件电压: -600~ -800 V, 极间距15 mm, 保温温度850℃, 保温时间3 h.

采用薄膜密贴法对待测试样的抗菌性能进行测试, 所用菌种为大肠杆菌( Escherichia coli)和金黄色葡萄球菌( Staphylococcus aureus). 抗菌实验程序如下:

(1) 将用乙醇清洗后的对照试样和铜合金化试样在121℃下高压灭菌20 min.

(2) 将接种后的菌液用生理盐水稀释成浓度约为105cfu/mL的菌液, 并分别将0.4 mL的菌液均匀滴至铜合金化试样和对照试样表面.

(3) 分别将滴了菌液的测试试样与菌液作用1、3和12 h后置于培养皿中, 用生理盐水反复冲洗试样表面, 混合均匀后将菌液稀释成3个梯度. 分别从稀释后的菌液中取0.1 mL滴至事先灭菌的固体培养基中, 用涂布棒将菌液均匀涂在培养基表面.

(4) 将涂了菌液的固体培养基放置于温度为37℃的培养箱中培养18 h. 计数每个培养皿中的菌落个数, 计算抗菌率.

抗菌率(%)=100% ×[( λ0- λ t)/ λ0], 其中, λ0为抗菌实验后对照试样表面的菌落数, λ t为抗菌实验后铜合金化不锈钢表面的菌落数.

采用LEO438VP 扫描电镜对铜合金化试样表面形貌及成分进行分析; 用 GDA750辉光光谱分析仪分析合金层元素分布; 采用英国VG公司的ESCALAB 250型光电子能谱分析仪对合金化试样抗菌前后表面进行XPS分析, 分析室真空度2.0×10-7Pa, 以AlKα(1486.6 eV) X 射线为激发源,溅射斑点为500 μm, 全扫描通过能50 eV, 窄扫描通过能30 eV, 步长0.05 eV, 结合能用C1s (284.6 eV)标定.

2 结果与讨论
2.1 抗菌性能

本实验采用大肠杆菌( E.coli)和金黄色葡萄球菌( S.aureus)作为试验菌种. 大肠杆菌( E.coli)和金黄色葡萄球菌( S.aureus)分别是革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的典型代表, 都是日常生活中最常见的菌种.对两种细菌与铜合金化不锈钢作用不同时间后的杀菌效果进行了测试, 结果见表1. 从表中可以看出, 随着接触时间的延长, 铜合金化不锈钢对大肠杆菌( E.coli)和金黄色葡萄球菌( S.aureus)的抗菌率逐渐增大. 接触时间达12 h后, 合金化不锈钢对两种细菌的杀菌率都达到99.9%. 图1为两种细菌与对照不锈钢和铜合金化不锈钢接触12 h后的平板培养照片, 由图可以看出, 与对照不锈钢相对应的平板几乎完全被菌落覆盖, 而与铜合金化不锈钢对应的平板只有少数几个可见的菌落. 对比结果说明, 铜合金化不锈钢显示出良好的抗菌效果, 与细菌接触12 h后细菌几乎全部被杀死.

表1 铜合金化不锈钢与细菌接触不同时间后的杀菌率 Table 1 Calculated antibacterial rate of Cu-alloyed stainless steel after a designated contact time with bacterial
图1 对照不锈钢和铜合金化不锈钢分别对大肠杆菌(a、b)和金黄色葡萄球菌(c、d)抗菌性能检测效果图Fig. 1 Photos of antibacterial effects of the tested stainless steel against E.coli: (a) control and (b) Cu-alloyed, and S.aureus: (c) control and (d) Cu-alloyed
2.2 铜合金层表面形貌与成分分析

图2为不锈钢表面铜合金化后的表面SEM照片及面扫描能谱图. EDS分析结果表明不锈钢表面铜合金化后表面含铜质量百分数为5.26%.

图2 铜合金化不锈钢表面形貌照片及面扫描EDS分析Fig. 2 SEM image of Cu-alloyed stainless steel and corresponding EDS analysis

图3为铜合金层各元素沿层深的浓度分布. 不锈钢表面进行铜合金化后, 表面铜含量为5.7wt%,而后缓慢下降, 到2.5 µm深度下降到1wt%. GDOES所测合金层表面铜含量与EDS测量结果基本一致.

图3 铜合金层各元素成分分布Fig. 3 Alloy elements distribution of the Cu-alloyed layer

由于铜在不锈钢中的溶解度很低, 借助传统的表面改性技术很难在不锈钢表面形成一定厚度的含铜合金层. 铜在不锈钢中的扩散机制主要是空位机制, 铜原子通过与空位交换位置而实现迁移. 普通渗金属过程中, 一定温度下金属基体中存在一个平衡空位浓度. 本研究采用的等离子表面冶金技术, 由于离子对工件表面的轰击, 造成金属基体表层形成大量空位的晶体缺陷层, 从而可以溶入更多的合金元素, 在基体表层形成空位浓度梯度. 此外, 等离子渗金属过程中, 氩离子对工件表面的轰击可以侵蚀掉表面氧化物等钝化层, 不断活化工件表面, 增强基体对金属离子的吸附能力[ 13].

在等离子表面合金化过程中, 铜元素从源极溅射出来被不锈钢试样表面吸附后, 有两种走向,一是迅速固溶于试样中, 并向内部继续扩散; 二是被从阴极表面溅射出来, 即形成反溅射. 由于铜在不锈钢中的固溶度很低, 会制约铜向不锈钢基体的扩散, 而铜自身溅射率很高, 可以提供充足的供给量, 从而在不锈钢表面会形成沉积层. 因此, 本实验采用等离子表面合金化技术在不锈钢表面形成一定的铜元素浓度梯度之后, 关闭源极切断铜元素的供给, 借助工件极辉光等离子轰击及热扩散效应使铜元素继续向基体内部扩散.

2.3 抗菌机理讨论

近期在欧洲蔓延的肠出血性大肠杆菌( E.coli)疫情再次让人类感受到了细菌带来的危害. 致病型的大肠杆菌( E.coli)对人类和动物都有病原性, 常会引起严重腹泻和败血症. 大肠杆菌( E.coli)细胞壁是由肽聚糖组成的, 相对较薄, 厚度约2~3 nm. 金黄色葡萄球菌( S.aureus)是人类化脓感染中最常见的病原菌, 可引起局部化脓感染, 也可引起肺炎、伪膜性肠炎、心包炎等, 甚至败血症、脓毒症等全身感染. 金黄色葡萄球菌( S.aureus)细胞壁的组成结构与大肠杆菌不同, 含90%的肽聚糖和10%的磷壁酸, 其肽聚糖的网状结构比大肠杆菌致密, 厚度达到10~100 nm.

图1表1可以看出, 表面铜合金化的不锈钢不仅对细胞壁相对较薄的大肠柑菌( E.coli)有优良的抗菌效果, 对细胞壁相对较厚、较难杀灭的金黄色葡萄球菌( S.aureus)也有较好的杀菌效果. 尽管已有文献报道铜及含铜材料对细菌具有较强的杀灭作用[ 14, 15, 16], 但是关于铜的抗菌机理尚未完全明确. 普遍认为, 抗菌机理是材料表面与菌液接触时会缓慢释放铜离子. 溶出的铜离子会与细菌的细胞壁发生作用, 之后可能与细菌的DNA分子相结合, 破坏细菌的代谢过程, 从而达到杀菌的作用[ 17, 18].

为了研究铜合金化不锈钢与细菌作用后表面铜元素的价态变化, 本试验对铜合金层表面在与细菌作用前后分别进行了XPS测试. 图4为与细菌作用前后的铜合金化不锈钢表面Cu2p3/2的XPS图谱. 由图可见, 铜合金化不锈钢表面与细菌接触前只有单一的铜峰(932.8 eV处), 而与细菌作用后出现了2个铜峰(932.7和933.8 eV). 与标准谱线对比可知, 在结合能为932.8 eV处, 铜以单质铜存在, 而在932.7和933.8 eV处, 铜可能以单质铜和氧化铜两种价态存在. 说明铜合金不锈钢与菌液作用后溶出了铜离子, 从而起到了杀菌作用.

图4 与细菌作用前(a)、后(b)合金化不锈钢表面Cu2p3/2的XPS能谱Fig. 4 XPS spectra of Cu2p3/2for Cu-alloyed stainless steel before (a) and after (b) contacting the bacterial

3 结论

1) 采用等离子表面合金化和辉光轰击热扩散复合处理在不锈钢表面制备了铜合金层. 铜合金化不锈钢对大肠杆菌( E.coli)和金黄色葡萄球菌( S.aureus)都表现出良好的抗菌效果.

2) 铜合金层厚度约2.7 µm, 表面铜含量达到5.7wt%. 铜合金化不锈钢与细菌作用后, 表面上的铜以铜离子析出, 并与细菌发生作用, 导致细菌死亡.

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