等离子体表面抗菌改性

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张维，Paul K. CHU 香港城市大学物理与材料科学系 环境污染和可持续发展是目前各国关注的主题，环境恶化和生态平衡的破坏，已成为人类社会面临的严重威胁。空气和水的污染、病菌或其它细菌的大量繁衍，给人们的健康带来巨大威胁。抗菌产品国外己上市，且形成了相当规模的产业，而国内仅有少数产品有抗菌功能。前期，纤维材料和塑料是抗菌材料应用最广泛的领域。据专家预测，抗菌材料在家电和日用品领域得到应用后，其发展的第二阶段市场应用将主要是建筑材料和室内装饰材料，并且，材质将逐步扩大到应用广泛的金属领域。因此具有抗菌性能的产品有着极好的应用前景和好的社会经济效益。等离子体表面处理获得抗菌效果是一种新兴的表面抗菌改性技术，与整体材料抗菌相比，表面处理抗菌更有优势。表面处理抗菌几乎可以在任何材料上进行，可以获得多种膜系、多种类、多材料、多功能、多指标等工艺易于优化、性能容易控制的抗菌表面处理层，同时不伤害本体材料的性能。经多年的发展，真空离子/等离子体处理在材料表面改性方面的研究已经得到长足的发展。和其他的表面处理方法（如溶胶-凝胶）相比，真空等离子体表面处理更加灵活、易于控制、抗菌性对基体材料敏感性弱、适应性广等优点，更为关键的是等离子体表面处理可以获得更为耐久、不易脱落的抗菌表面涂层或薄膜。根据前人工作的总结和我们自己的研究经验，比较有效的等离子体表面处理获得材料表面抗菌性能的技术方法主要有离子注入，磁控溅射，IBAD，PIII-D等，通过这些技术的交叉与复合能够有效获得制品外观和耐用性之间的协调，当然最重要的是，满足消费者所需要的抗菌性能。几种等离子体表面抗菌处理方法简介： ① 离子注入离子注入是将高能离子在真空条件下加速注入固体表面的方法。此法几乎可以注入任何种类的离子，离子注入的深度与离子的能量、种类以及基体状态等因素有关。离子在固溶体中处于置换或间隙位置，形成亚稳相或沉淀相，从而对合金的耐蚀等性能有益。至于抗菌材料研究领域，通过在材料表面注入一些抗菌元素（如Ag、Cu等）使材料获得抗菌功能。离子注入的优点是在材料表面形成一层新的表面合金层来改变表面状态以获得抗菌性能，从而解决了其他工艺制备的涂层表面与基体的连接问题。但是离子注入得到的改性层非常薄，在医用器械等应用领域，往往无法满足所需要的表面性能，所以，单纯离子注入材料表面制备抗菌材料的方法还有待改善。 ② 磁控溅射磁控溅射是一种高速、低温镀膜方法。采用磁控溅射镀膜工艺制备的膜层均匀牢固，色泽美观，品种繁多，产品范围广，而且产量可大可小，并能按用户要求加工所需的数量和质量，灵活性大，生命力强，这是其它方法所不及的。它已广泛应用于电子工业、光学、机械化工和塑料工业，有人也将它应用于抗菌材料的研究。目前，单纯磁控溅射用于抗菌材料的研究还不多，结合其他表面改性工艺的应用将有更大的发展空间。 ③ 离子束辅助沉积（IBAD）离子束辅助沉积技术(Ion-Beam-Assisted Deposition)是一种将离子注入与薄膜沉积融为一体的材料表面改性新技术。它是指在气相沉积镀膜的同时，采用一定能量的离子束进行轰击混合，从而形成单质或化合物膜层。它除了保留离子注入的优点外，还可在较低的轰击能量下连续生长任意厚度的膜层，并能在室温或近室温下合成具有理想化学配比的化合物膜层(包括常温常压无法获得的新型膜层)。这种技术又称为离子束增强沉积技术(IBED)、离子束辅助镀膜(IAC)、动态离子共混(DIM)。 IBAD技术在材料改性方面有多方面优势，目前用于抗菌材料的研究还较少，有较大的发展潜力。 ④ 真空阴极弧技术真空阴极弧沉积是利用真空金属电极（包括石墨电极）阴极放电形成金属等离子体并获得该种金属离子的沉积。金属离子提供了表面改性极大的灵活性和多功能性，能够有效获得冶金加工之外的表面特性与功能。通过对工件上施加一定形式的负偏压（直流、脉冲、极性等）来调控成膜动力学，包括成膜速率、形成相、内应力、表面形貌等各个层面的控制与优化。真空阴极弧存在的问题是金属大颗粒问题，金属阴极放电产生的小液滴会使薄膜质量大大下降，电或磁过滤可以有效减少大颗粒在薄膜上的沉积、提高成膜质量，但也会降低成膜速率。 ⑤ 等离子浸没离子注入沉积等离子浸没离子注入沉积（PIII－D）是一种发展很快的表面改性技术。它能有效改善薄膜和复合层的物理化学性能，从而在抗菌材料的研究中有所应用。等离子体注入沉积技术是新提出来的技术，技术的原理是在真空室中事先产生等离子体，然后在工件上施加负偏压来获得离子的注入或沉积。该技术的最大优势是既具备离子注入效应又具备常规离子度效应，人们重视的也就是这种复合效应。正因为真空等离子体表面处理有上述诸多优点，为了满足人们对抗菌生活用品的耐久、美观与抗菌的要求，等离子体抗菌处理将有以下两个主要发展方向：等离子体改性提高日常生活用品的抗菌性能，如：门把手、茶杯、剃须刀等。等离子体改性提高医疗器械的抗菌性能，如：手术刀、内置医疗器材。