Zn/Ni元素对铜合金抗菌性及腐蚀性能影响研究

来源 :北京有色金属研究总院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qncypt
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抑菌铜材料作为铜及铜合金一个新类别,在保有铜及铜合金良好耐蚀耐磨和导电导热的性能基础上,具有天然高效的抗菌性能,可以有效地阻止或者降低由密切接触引发二次传染发生的概率,因此具备良好的应用前景。然而当铜及铜合金材料作为表面接触材料应用于医疗等日常人员密集、流动性较高的环境中时,合金表面主要会与人类手掌皮肤等部位频繁接触,在人体汗液与大气环境下发生腐蚀,从而引发变色等问题。因此,本研究将针对抑菌铜材料在应用过程中的抗菌及耐蚀性能进行探究,主要研究Zn/Ni元素对铜合金两种性能的影响规律,优化抑菌铜材料的合金成分设计,进而为应用过程中抑菌铜材料的设计提供一定的数据支持。本研究以Zn、Ni为主要添加元素,研究了不同元素添加量对铜合金性能影响规律,利用大肠杆菌菌株(ATCC8739),采用覆盖法和平板计数法对铜及铜合金的抗菌性能进行评估。采用X射线光电子能谱仪分析与细菌接触后的合金表面成分。采用盐雾法模拟人工汗液接触环境,测试合金的变色和抗腐蚀能力,并采用扫描电子显微镜分析被腐蚀样品的膜层形貌和成分。通过电化学测试,分析人工汗液静态腐蚀环境下各成分合金耐蚀性能及影响机制;采用多角度色差仪对合金表面色差改变情况进行判定。研究结果表明,铜及铜合金具有快速高效的杀菌能力,在15 min以内就可以有效的灭活细菌,铜合金表面释放出的Cu(Ⅰ)离子在抗菌过程中起到关键作用。铜合金中Cu含量的高低不是铜合金抗菌性能表现的必要条件,不同添加元素以及添加量不同均有不同的抗菌表现,Zn元素添加量为35 wt.%时,铜合金仍可保持较高的抗菌能力,抗菌率≥99%;而Ni元素的添加量超过20 wt.%时,铜合金的抗菌性会减弱,添加20wt.%Ni时,合金的抗菌率仅为76%。Zn、Ni元素的添加均降低了铜合金的腐蚀速率,提高了铜合金在人工汗液中的耐蚀性能;其中,在24 h时,Cu-35Zn合金的腐蚀速率最低,为0.0367 mm/y;240 h时,Cu-40Ni合金的腐蚀速率最低为0.00365 mm/y;长时间使用情况下,Cu-Ni合金整体耐蚀性能最佳。Zn、Ni元素的加入改变合金腐蚀后腐蚀产物的结构,提高抗变色能力,随着铜合金中Zn、Ni元素含量的增加,表面腐蚀产物堆积减少,试样前后颜色变化减弱。与Zn元素相比,Ni元素的加入对铜合金耐蚀与抗变色性能的改善更优异。在此基础上设计Cu-30Zn-10Ni合金,该合金在保证快速抑菌的同时仍具备良好的耐蚀和抗变色性能,由此可在后续进行进一步的开发与应用。
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