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抗菌性是不锈钢发展的一个重要方向

2020-07-16 16:52:00

  本报实习记者 赵萍

 

  2020年注定是要载入史册的一年。新年伊始,新冠肺炎疫情突然暴发。这场由新冠肺炎疫情引起的公共卫生事件改变了人们的生活方式,大家开始越来越关注个人健康和公共卫生,各种抗病毒、抗菌类产品变得炙手可热。与此同时,在不锈钢行业,抗菌不锈钢的关注度也开始悄然回升。

  今年初以来,宝钢德胜、酒钢等多家钢企相继研发出了不同类型的抗菌不锈钢产品。而在此前,中科院金属研究所、太钢、宝钢不锈等单位成功研发的合金型铁素体和奥氏体抗菌不锈钢已广泛用于制造餐厨具、洗衣机滚筒、医疗器械等。可以预见,随着社会对健康卫生越来越重视,抗菌性将成为不锈钢发展的一个重要方向。

  不过,不锈钢基体本身不具有抗菌性,抗菌不锈钢是如何实现抗菌的?近日,中国特钢企业协会不锈钢分会举办的CSSC不锈钢线上讲堂解答了这一疑问。

  不锈钢如何具备抗菌性这件事得从抗菌金属元素说起。目前已发现的具有抗菌性的金属离子主要分为具有较强抗菌效果的Ag(银)、Bi(铋)、Cu(铜)、Mo(钼),具有一般抗菌效果的Cd(镉)、Pr(镨)、Si(硅)、Ti(钛),和具有较弱抗菌效果的AI(铝)、Co(钴) 、Cr(铬)、Mg(镁)、Mn(锰)、Pb(铅)、Zn(锌),而当前可以通过技术手段加入不锈钢中起到抗菌效果的元素主要是Ag和Cu,两者抗菌性能具有持久、广谱的特点且具有生物安全性,同时由于不改变基体结构,基本不会降低传统不锈钢的性能。相较而言,Ag的抗菌效果要好于Cu,但是受Ag在钢中的溶解度非常低、不易加入等影响,目前多数钢厂生产的抗菌不锈钢主要通过添加Cu元素来达到抑制甚至杀死细菌的效果。

  那么,含铜抗菌不锈钢中的铜元素是如何工作以达到抗菌效果的呢?对此,学界有多种说法。一是细菌在铜表面不易形成保护性的生物膜,加上过量的铜元素堆积在细菌细胞内破坏了细菌细胞膜结构,使其流失细胞质等营养物质,导致其凋亡;二是细菌的细胞壁和细胞膜带负电荷,铜离子带正电荷,由于异性电荷相吸,细菌内部电平衡被破坏,细菌的生存微环境紊乱失调,导致其死亡;三是铜以离子形态穿透细胞壁进入细菌细胞内,与羟基(-SH)发生反应,使蛋白质凝固,破坏细胞合成酶的活性,使细菌丧失分裂增殖能力而死亡。总的来看,无论是化学反应还是物理作用,经过试验,含铜抗菌不锈钢对多种细菌的杀菌率可以达到90%以上甚至是100%,完全满足中国抗菌材料及制品行业协会对抗菌制品抗菌率达90%的标准规定。

  目前,多数钢厂主要生产的是合金型抗菌不锈钢。这类抗菌不锈钢主要通过在冶炼过程中整体添加抗菌元素,并利用特殊工艺加以热处理而制成,具有良好的抗菌性能,抗菌性持久,对人体无二次伤害。值得注意的是,只有经过热处理才能析出富铜相,富铜相的形貌、数量和分布决定了抗菌性能的强弱。由于富铜相在不锈钢表面和内部均匀分布,即使材料表面因长时间使用造成磨损也不会影响其抗菌性,而且制造合金型抗菌不锈钢可以利用现有的不锈钢生产装备,为钢厂节约制造成本。

  除了合金型抗菌不锈钢外,还有涂层型抗菌不锈钢、表面改性型抗菌不锈钢、复合型抗菌不锈钢。涂层型抗菌不锈钢主要依靠表面具有抗菌功能的银铜合金、光催化性氧化物涂层达到抗菌效果,但抗菌金属层经过长时间使用后容易磨损甚至脱落,难以长久抗菌。复合型抗菌不锈钢是利用铜或铜合金的抗菌性与不锈钢材料本身的力学性能、工艺性能相结合,将两者复合到一起而制成,这种制造方法目前对生产设备和生产技术要求较高,难以实现批量化生产。表面改性型抗菌不锈钢是通过离子溅射和热处理等方法,向不锈钢基体表面渗入铜、银等抗菌元素以增加不锈钢的抗菌性能,可利用成品不锈钢进行短流程生产,但表面磨损后抗菌性能降低。此外,有企业工业化生产出一种抗菌氧化膜不锈钢。其将不锈钢基体置于含银的酸性溶液介质中经过通电等特别处理,在不锈钢表面形成大分子结构氧化膜以达到抗菌的效果。这种抗菌不锈钢在抗菌性能、防霉性能、防腐蚀性、抗变色性及加工性能等方面有独特优势,能够快速高效地抗菌,但其持久性未知。

  综上来看,我国抗菌不锈钢还有很大的发展空间,如何解决铜在某些介质中不耐腐蚀问题,如何精准控制析出相尺寸、分布等,均需要企业加强基础研究,攻克核心难题,同时也需要企业在稳定批量工业化制备工艺上加大研发力度,助推抗菌不锈钢快速发展。

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