铝表面抗菌功能膜的制备及组织性能研究

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近年来,随着病毒、禽流感等的发生,人们对生存环境越来越重视。抗菌材料可以有效抑制细菌和病毒传播,越来越受到研究者和大众关注,其安全可靠的制备方法也成为目前研发重点。与常规的先通过直流阳极氧化制备氧化膜层,而后通以交流电沉积抗菌离子的两步法铝材抗菌表面的制备工艺不同,本文采用一步交流氧化法直接制备抗菌功能膜。该方法操作步骤简单、生产效率高、能耗小、成本较低,更适合工业化生产。本文以纯铝片为研究对象,首先通过试验确定了交流法制备抗菌功能铝片的工艺参数范围,并通过抗菌性测试结果制定了3mm厚度铝片抗菌表面处理优化工艺。随后通过扫描电子显微镜、GENESIS 60S能谱仪、X射线衍射仪、抗菌实验、点滴实验等不同的测试方法,分别研究了不同参数对膜层颜色、表面形貌、膜层厚度、膜层成分以及抗菌性、耐蚀性、硬度等性能的影响,并结合XRD、XPS、EDS测试分析了膜层成分,探索其形成机理。研究结果表明:只考虑铝表面抗菌性,结合生产效率、生产成本等因素,制备厚度3mm、抗菌率为99.9%的氧化功能铝片的较优工艺为氧化时间4min,电流密度8A/dm2,电解液中AgNO3浓度1.6g/1。在选定的参数范围内,发现随着氧化时间、电流密度、硝酸银浓度、铝片厚度的增加,膜层的抗菌率不断增加,直到增加到99.9%。.当氧化时间从2min增加到4min时,膜层的表面形貌变的更均匀致密,膜层增厚,膜层中Ag含量大量增加,膜层颜色加深,抗菌率、硬度和耐蚀性均提高;当氧化时间继续增加至6min时,膜层的致密度和均匀性有所下降,膜层厚度和Ag含量都有少许增加,其表面色泽加深,膜层抗菌率保持99.9%,膜层硬度降低,耐蚀性提高。当电流密度从6A/dm2增加到8A/dm2时,膜层颜色加深,其表面形貌更均匀致密,膜层厚度和Ag含量大量增加,抗菌率增至99.9%,膜层的硬度、耐蚀性提高;当电流密度继续增加至10A/dm2,表面色泽加深,膜层的致密度和均匀性有所下降,膜层厚度和Ag含量都有少量增加,膜层的硬度和耐蚀性降低,膜层抗菌率依然保持99.9%。电解液中AgNO3浓度对膜层的表面形貌和膜层厚度均无明显影响,故在不同AgNO3浓度下制备的铝片的硬度和耐蚀性都基本无变化。而其浓度的变化会使膜层中的Ag含量产生较大变化,对膜层的色泽和抗菌率也有较大的影响。随着铝片基体厚度的增加,膜层的致密度和均匀性逐渐变佳,膜层厚度、Ag含量也不断增加。故导致膜层的颜色不断加深、抗菌性、耐蚀性、硬度值不断增加。膜层的形成过程分为两步,在交流电正半周时,一极板发生铝的成膜反应,生成Al2O3, XRD结果中已证明存在Al2O3;在负半周时,发生金属银的沉积,XPS显示沉积的银元素即有单质又有氧化态。而氧化态的银具有较强的还原势,可以有效的杀菌。
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