一种含银的氮化钛/铜纳米多层抗菌膜及其制备工艺制造技术

一种含银的氮化钛/铜纳米多层抗菌膜，包含TiN、Cu和Ag，其特征在于：所述纳米多层膜的主体成分为TiN和Cu，表层含Ag。所述纳米多层膜的具体结构为基体/Ti过渡层/TiN和Cu膜层单元组/含银TiN‑Cu膜层，每一个膜层单元均为将TiN‑Cu纳米复合膜以子膜层的形式套接入TiN/Cu纳米多层膜中，所述含银TiN‑Cu膜层为TiN‑Cu纳米复合膜层表面进行Ag离子注入改性获得。本发明专利技术中的耐磨抗菌纳米多层膜具有优异耐磨性能和抗菌性能，可以很好地满足食品机械实际加工过程中磨损和抗菌工况的纳米多层膜。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种食品机械设备接触食品的表面耐磨抗菌纳米多层膜，更具体涉及一种含银的TiN/Cu耐磨抗菌纳米多层膜材料及其制备工艺。
技术介绍
食品的安全问题一直是关系国计民生的重大事情,其中作为与食品紧密接触的食品加工机械,表面抗菌性能至关重要。由于优异的安全性能，不锈钢一直是食品机械大量使用的材料，但由于其抗磨性能较差，抗菌性能也有待改善，因此通过各种表面处理技术在不锈钢表面引入Ag、Cu和Zn等金属元素来提高不锈钢表面的耐磨性能和抗菌性能是食品机械领域的研究热点之一。近年来，采用食品机械部件表面制备抗菌杀菌的长效涂层逐渐成为该类研究的关注热点，其目的就是要保证抗菌涂层可以长期具有优异的抗菌杀菌性能，使食品机械可以具备长期抗菌杀菌的功效。一是通过表面处理手段增加抗菌涂层中抗菌金属离子的厚度或深度；二是通过增加抗菌涂层的硬度来提高涂层的耐磨性能或者通过改善涂层的耐腐蚀性能，来降低材料的磨损率，减少抗菌金属离子的磨耗，延长涂层抗菌时效。其中采用磁控溅射等膜层技术制备的金属氮化物涂层因其优异的耐磨性能和耐腐蚀性能成为研究的热点之一。通过在TiN、TaN、ZrN等金属氮化物膜层中引入Ag和Cu等一种或两种抗菌金属离子，可以制备兼具优异抗菌性能和耐磨性能的膜层体系。其中膜层结构主要为复合膜，金属氮化物和抗菌金属处于同一膜层当中，两者协同作用。研究表明，复合膜具有优异的耐磨性能，更容易实现金属抗菌离子的溶出，具有更快更高效的杀菌效果，但其抗菌效果的保持较差。另外，在抗菌长效性研究方面，现有的研究主要通过对膜层表面在经过不同时间后的抗菌效果进行评价，而在实际应用中，食品机械表面膜层的抗菌长效性则更多的体现在随着时间的延长，由于清洁或者使用引起的磨损和腐蚀使膜层表面出现损耗后，其抗菌效果依旧优异。研究表明，较高的表面粗糙度会增加细菌的吸附和粘着，降低抗菌性能。而磨损后表面形貌的改变会直接导致表面粗糙度的升高，另外抗菌的长效性和灭菌效率同时考虑才能更好地反映膜层的长效抗菌性能。然而，现有的研究对该方向的研究和关注还不够。因此，在食品机械实际使用中不同条件清洁和清理条件下，如何使食品机械表面的纳米多层膜在保持优异长效抗菌性能的同时，具备更加优异的抗菌效率对食品机械和食品安全都非常重要。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种具有优异耐磨性能和抗菌性能，可以很好地满足食品机械实际加工过程中磨损和抗菌工况的食品机械部件表面的纳米多层膜。按照本专利技术提供的含银TiN/Cu耐磨抗菌纳米多层膜，其采用的主要技术方案为：一种含银的氮化钛/铜纳米多层抗菌膜，包含TiN、Cu和Ag，其特征在于：所述纳米多层膜的主体成分为TiN和Cu，表层含Ag。所述纳米多层膜的具体结构为基体/Ti过渡层/TiN和Cu膜层单元组/含银TiN-Cu膜层，所述TiN和Cu膜层单元组的结构为TiN/TiN-Cu/Cu纳米膜层单元的重复组合,每一个所述膜层单元均为将所述TiN-Cu纳米复合膜以子膜层的形式套接入所述TiN/Cu纳米多层膜中，而整个所述TiN和Cu膜层单元组则是将每一个所述TiN/TiN-Cu/Cu纳米膜层单元进行叠加获得,所述含银TiN-Cu膜层为所述TiN-Cu纳米复合膜层表面进行Ag离子注入改性获得。本专利技术提供的含银TiN/Cu耐磨抗菌纳米多层膜，还具有以下附属技术方案：所述的一种含银的氮化钛/铜纳米多层抗菌膜，其特征在于：所述耐磨抗菌纳米多层膜的厚度范围为300～2000nm。所述的一种含银的氮化钛/铜纳米多层抗菌膜，其特征在于：所述耐磨抗菌纳米多层膜的Ti过渡层、TiN和Cu膜层单元和含银TiN-Cu膜层的膜厚可根据实际情况进行相应的调整。所述的一种含银的氮化钛/铜纳米多层抗菌膜，其特征在于：所述TiN和Cu膜层单元中TiN、TiN-Cu和Cu的膜层厚度比例为1:(1～5):1。所述的一种含银的氮化钛/铜纳米多层抗菌膜，其特征在于：所述含银TiN-Cu膜层采用Ag离子注入对TiN-Cu纳米复合膜层表面进行改性处理时，其离子注入剂量范围为1×106～1×108离子/cm2。按照本专利技术提供的一种制备所述的耐磨抗菌纳米多层膜的工艺，其技术方案包括：采用磁控溅射镀膜设备和金属蒸汽真空弧电源离子注入设备进行膜层的制备，主要包括以下步骤：(1)基材的准备，将金属基材试样分别在无水乙醇和丙酮中经过超声波充分清洗后，将其固定在磁控溅射镀膜设备的试样台上；将充分清洗的质量百分比纯度为99.99％的Ti靶和Cu靶分别安装在靶位上，将靶材的挡板关闭；关闭磁控溅射镀膜设备溅射腔室，开启压缩机电源，开始抽真空，使溅射腔室内的真空度达到1×104～5×104Pa。(2)靶材和试样的清洗，接通Ar气，调整磁控溅射镀膜设备溅射腔室内的真空度达到0.5～1Pa，首先接通Ti靶的直流电源，电流调至0.3～0.5A，打开Ti靶前的靶材挡板，对其进行5分钟左右的Ar离子溅射清洗，然后关闭Ti靶挡板，关闭Ti靶电源；同样的步骤完成对Cu靶的靶材清洗，靶材电流0.1～0.3A，清洗时间5分钟左右；将基体试样接通负偏压-200到-500V，对基材试样表面进行溅射清洗10～15分钟。(3)Ti过渡层的制备，接通Ar气，调整磁控溅射镀膜设备溅射腔室内的真空度达到0.5～1Pa，接通Ti靶的直流电源，电流调至0.6～1A，打开Ti靶前的靶材挡板,将基体试样接通负偏压-200到-500V,按照Ti过渡层厚度需要确定相应溅射时间。(4)TiN和Cu膜层单元组的制备，接通Ar气和N2气，调整磁控溅射镀膜设备腔室内的真空度达到0.5～1Pa，Ar气和N2气的比例10:1～5:1,接通Ti靶的直流电源，电流调至0.6～1A，打开Ti靶前的靶材挡板,将基体试样接通负偏压-200到-500V,按照TiN膜层厚度需要确定相应溅射时间；保持磁控溅射镀膜设备腔室内的真空度和气体比例，将Ti靶和Cu靶的靶材电流分别调整为0.3～0.5A和0.1～0.3A，将两个靶材挡板都打开，按照TiN-Cu膜层厚度需要确定相应溅射时间；关闭Ti靶电源，关闭Ti靶前的挡板，保持磁控溅射镀膜设备腔室内的真空度和气体比例，按照Cu膜层厚度需要确定相应溅射时间，最终按照TiN、TiN-Cu和Cu的膜层厚度比例为1:(1～5):1制备一个TiN和Cu膜层单元，按照膜层厚度需要制备相应的TiN和Cu膜层单元组。(5)含银TiN-Cu膜层的制备，接通Ar气和N2气，调整磁控溅射镀膜设备腔室内的真空度达到0.5～1Pa，Ar气和N2气的比例10:1～5:1,接通Ti靶的直流电源，电流调至0.6～1A，打开Ti靶前的靶材挡板,将基体试样接通负偏压-200到-500V,按照TiN-Cu膜层厚度需要确定相应溅射时间；将制备的上述膜层试样放置于金属蒸汽真空弧电源离子注入设备的试样台上，采用Ag例子进行注入处理,调整离子注入设备腔室内的真空度(1～4)×10-4Pa，采用Ar离子溅射清洗表面10min，离子电压70keV，离子的注入剂量5×1016～8×1017ions/cm2，从而获得表面注Ag的TiN-Cu膜层。所述的一种制备所述的耐磨抗菌纳米多层膜的工艺，Ag离子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含银的氮化钛/铜纳米多层抗菌膜，包含TiN、Cu和Ag，其特征在于：所述纳米多层膜的主体成分为TiN和Cu，表层含Ag，所述纳米多层膜的具体结构为基体/Ti过渡层/TiN和Cu膜层单元组/含银TiN‑Cu膜层，所述TiN和Cu膜层单元组的结构为TiN/TiN‑Cu/Cu纳米膜层单元的重复组合,每一个所述膜层单元均为将所述TiN‑Cu纳米复合膜以子膜层的形式套接入所述TiN/Cu纳米多层膜中，而整个所述TiN和Cu膜层单元组则是将每一个所述TiN/TiN‑Cu/Cu纳米膜层单元进行叠加获得,所述含银TiN‑Cu膜层为所述TiN‑Cu纳米复合膜层表面进行Ag离子注入改性获得。

【技术特征摘要】
1.一种含银的氮化钛/铜纳米多层抗菌膜，包含TiN、Cu和Ag，其特征在于：所述纳米多层膜的主体成分为TiN和Cu，表层含Ag，所述纳米多层膜的具体结构为基体/Ti过渡层/TiN和Cu膜层单元组/含银TiN-Cu膜层，所述TiN和Cu膜层单元组的结构为TiN/TiN-Cu/Cu纳米膜层单元的重复组合,每一个所述膜层单元均为将所述TiN-Cu纳米复合膜以子膜层的形式套接入所述TiN/Cu纳米多层膜中，而整个所述TiN和Cu膜层单元组则是将每一个所述TiN/TiN-Cu/Cu纳米膜层单元进行叠加获得,所述含银TiN-Cu膜层为所述TiN-Cu纳米复合膜层表面进行Ag离子注入改性获得。2.如权利要求1所述的一种含银的氮化钛/铜纳米多层抗菌膜，其特征在于：所述耐磨抗菌纳米多层膜的厚度范围为300～2000nm。3.如权利要求1所述的一种含银的氮化钛/铜纳米多层抗菌膜，其特征在于：所述耐磨抗菌纳米多层膜的所述Ti过渡层、TiN和Cu膜层单元和含银TiN-Cu膜层的膜厚可根据实际情况进行相应的调整。4.如权利要求3所述的一种含银的氮化钛/铜纳米多层抗菌膜，其特征在于：所述TiN和Cu膜层单元中所述TiN、TiN-Cu和Cu的膜层厚度比例为1:(1～5):1。5.如权利要求3所述的一种含银的氮化钛/铜纳米多层抗菌膜，其特征在于：所述含银TiN-Cu膜层采用Ag离子注入对TiN-Cu纳米复合膜层表面进行改性处理时，其离子注入剂量范围为1×106～1×108离子/cm2。6.一种制备上述权利要求1-5任意一项所述的含银的氮化钛/铜纳米多层抗菌膜的工艺，采用磁控溅射镀膜设备和金属蒸汽真空弧电源离子注入设备进行膜层的制备，主要包括以下步骤：（1）基材的准备，将金属基材试样分别在无水乙醇和丙酮中经过超声波充分清洗后，将其固定在磁控溅射镀膜设备的试样台上；将充分清洗的质量百分比纯度为99.99%的Ti靶和Cu靶分别安装在靶位上，将靶材的挡板关闭；关闭磁控溅射镀膜设备溅射腔室，开启压缩机电源，开始抽真空，使溅射腔室内的真空度达到1×104～5×104Pa；（2）靶材和试样的清洗，接通Ar气，调整磁控溅射镀膜设备溅射腔室内的真空度达到0.5～1Pa，首先接通Ti靶的直流电源，电流调至0.3～0.5A，打开Ti靶前的靶材挡板，对其进行5分钟左右的Ar离子溅射清洗，然后关闭Ti靶挡板，关闭Ti靶电...

【专利技术属性】
技术研发人员：田斌，孟春玲，刘宝辉，张媛，王建利，
申请(专利权)人：北京工商大学，
类型：发明
国别省市：北京;11