抗菌不銹鋼的應用進展

□張文毓

中國船舶重工集團公司 第七二五研究所 河南洛陽 471023

抗菌不銹鋼的應用進展

□張文毓

中國船舶重工集團公司 第七二五研究所 河南洛陽 471023

近年來已經開發(fā)出的抗菌不銹鋼，其應用前景十分廣闊。抗菌不銹鋼以不銹鋼為載體，添加一些抗菌金屬元素（如銅、銀）作為抗菌劑，既具有不銹鋼的耐蝕性能，又具有優(yōu)良的抗菌性能。從抗菌不銹鋼原理、國內外現(xiàn)狀、市場現(xiàn)狀等幾方面對抗菌不銹鋼進行了綜述。

1　抗菌不銹鋼概述

1.1抗菌不銹鋼定義

在普通不銹鋼內添加一定量的抗菌金屬元素（如銀、銅）等，控制冶煉、鑄造、鍛壓、軋制及熱處理過程，使抗菌金屬元素在不銹鋼基體內以一定的大小、形態(tài)均勻析出，并保證析出相的體積百分比，在不降低普通不銹鋼力學性能和抗腐蝕性能的前提下，賦予其優(yōu)異的抗菌性能，這就是抗菌不銹鋼。

1.2抗菌不銹鋼抗菌機制

抗菌不銹鋼主要利用不銹鋼表面的光觸媒或金屬離子對細菌的抑制或殺滅作用來實現(xiàn)抗菌。

1.3抗菌不銹鋼的種類

抗菌不銹鋼按制造方法的不同，可分為表面涂層抗菌不銹鋼、復合抗菌不銹鋼、表面改性抗菌不銹鋼及添加抗菌金屬元素的合金型抗菌不銹鋼等［1］。

1.4抗菌不銹鋼性能特點

合金型抗菌不銹鋼的產品優(yōu)點如下：①廣譜抗菌性，對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等常見病菌均具有良好的抗菌效果；②抗菌持久性，長期使用表面磨損后仍保持良好的抗菌性能；③人體安全性，在食品安全性和人體安全性方面完全符合相關技術標準；④成本增加較少，與常規(guī)不銹鋼相比，含銅抗菌不銹鋼成本增加10%～20%，含銀抗菌不銹鋼成本增加20%～40%［2］。

1.5抗菌不銹鋼的制備方法

目前，抗菌不銹鋼的制備方法主要有：①在不銹鋼基體中整體添加抗菌金屬元素；②不銹鋼表面改性；③不銹鋼表面涂層；④不銹鋼與具有抗菌功能的金屬板復合。

1.6抗菌不銹鋼的應用

近年來，抗菌不銹鋼越來越為人們所關注，逐漸成為鋼鐵企業(yè)、科研單位研發(fā)和生產的熱點。20世紀90年代，日本日新制鋼公司先后成功開發(fā)了具有良好加工性和抗菌性的鐵素體抗菌不銹鋼，以及馬氏體和奧氏體抗菌不銹鋼，隨后日本川崎鋼鐵公司擴充了銀系抗菌不銹鋼的品種。日本生產的鐵素體、奧氏體和馬氏體抗菌不銹鋼已在家電、廚房用具、刀具等方面應用或推廣。韓國、美國及加拿大等國也在積極開發(fā)抗菌不銹鋼。

日本的日新鋼鐵公司開發(fā)成功一種加工性更好的高加工性奧氏體抗菌不銹鋼NSSAM4，適用于高級廚房用具［3］。

日本愛知鋼公司開發(fā)了用于加工菜肴的抗菌刀具材料和抗菌性優(yōu)良的復合不銹鋼板。在日本，抗菌產品每年以30%的速度遞增。

目前，國內很多企業(yè)和研究院所也在積極致力于抗菌不銹鋼的研發(fā)。中科院金屬研究所、太原鋼鐵集團有限公司等單位已經開發(fā)了合金型鐵素體和奧氏體抗菌不銹鋼。浙江天寶實業(yè)有限公司等已生產出合金型奧氏體抗菌不銹鋼制品。常州大平新型不銹鋼制品有限公司在近期成功推出使用表面鍍銀抗菌不銹鋼生產的餐廚具等制品，目前正在大力拓展市場。寶鋼對抗菌不銹鋼進行了相當廣泛的研究與開發(fā)，一系列含銅、含銀的抗菌不銹鋼已經研制成功，并申請了多項專利。從2009年起，寶鋼批量生產中鉻鐵素體抗菌不銹鋼（牌號：B430KJ），產品質量穩(wěn)定、性能優(yōu)良，目前已用于制造餐廚具制品、洗衣機滾筒、洗碗機內壁及空調部件等［4］。

隨著不銹鋼在人們生活中的廣泛應用，抗菌不銹鋼應用領域也逐步擴展，特別是合金型抗菌不銹鋼以其成本低、抗菌性能佳的優(yōu)勢而更受歡迎。例如鐵素體抗菌不銹鋼可用于餐廚具、家電等方面，奧氏體抗菌不銹鋼可應用于餐廚具、家電、食品工業(yè)、醫(yī)療器械等方面，馬氏體抗菌不銹鋼可用于制造餐廚刀具等。總之，隨著社會的不斷進步，人們的生活水平逐漸提高，防菌、抗菌的健康意識逐漸增強，對抗菌產品的需求不斷增大，抗菌不銹鋼的開發(fā)和應用前景必將十分廣闊。

抗菌不銹鋼應用范圍極廣，如啤酒、奶類、制藥等企業(yè)的設備管道和儲罐、廚房用具及餐具、洗衣機、家用器具、醫(yī)療器械、食品工業(yè)的工作臺及器皿等。日常生活中的毛巾架、冷藏柜的托架、公共場所的一些設施（如公交汽車扶手、樓梯扶手、電話亭、護欄等）為杜絕交叉感染也應使用抗菌不銹鋼［5］。含銅抗菌不銹鋼的鋼種及用途見表1，抗菌不銹鋼的抗菌性能見表2。

表1　含銅不銹鋼的種類及用途

家電行業(yè)是推動抗菌不銹鋼制品產業(yè)化的先鋒，海爾、伊萊克斯、西門子等知名制造商在市場中極為活躍。

2　抗菌不銹鋼技術國內外現(xiàn)狀

20世紀90年代，日本日新制鋼公司開發(fā)出含銅的低碳鐵素體系抗菌不銹鋼（17Cr-1.5Cu）、含銅馬氏體系抗菌不銹鋼（0.3C-13Cr-3Cu）和加工性良好的奧氏體型抗菌不銹鋼NSSAM4。

2000年，日本川崎鋼鐵公司在SUS430不銹鋼中添加銀，制備出含銀的抗菌不銹鋼材料，并開發(fā)出奧氏體加銀抗菌不銹鋼，這些含銀不銹鋼制品的主要銷售對象是食品加工廠。

2002年，日本大阪府立工業(yè)專科學校將水霧化18-8型奧氏體不銹鋼粉末與銅粉采用注射成型（MIM）工藝研制出加銅抗菌不銹鋼。

2005年，中國臺灣的技術人員研究了含銅304抗菌不銹鋼，結果表明，304抗菌不銹鋼中銅的最佳加入量為3.5%。此后，日本愛知鋼公司、日本深海金屬公司、日本鋼管公司、日本大同鋼板公司、新日本制鐵公司以及美國維克費爾德市阿金公司先后研制出在不同加工工藝下的抗菌不銹鋼［7］。

表2　抗菌不銹鋼的抗菌性能［6］

我國在抗菌材料領域的研究和應用雖然起步較晚，但在抗菌不銹鋼的工藝性能研究和產品開發(fā)領域發(fā)展迅速。2000年以來，中國科學院的楊柯研究員等人相繼開發(fā)了0Crl7鐵素體抗菌不銹鋼和0Crl8Ni9奧氏體抗菌不銹鋼，不僅從組織和性能上對抗菌不銹鋼進行了研究，而且對抗菌不銹鋼的抗菌特性也進行了充分的研究，極大地推動了國內抗菌不銹鋼的研究進展，特別是所研制的0Crl8Ni9含鈰抗菌不銹鋼，無需時效熱處理就具有極其優(yōu)異的抗菌性能。

2005年，太原鋼鐵成功研制出鐵素體抗菌不銹鋼和奧氏體抗菌不銹鋼，隨后，上海寶鋼、浙江興利特鋼有限公司、湖南泰鑫瓷業(yè)有限公司研制生產出各種具有抗菌性能的不銹鋼制品。鐵素體抗菌不銹鋼NSS-AMl對各種細菌都具有良好的抗菌效果，用于全自動洗衣機、食品冷藏車、食品冷庫及商業(yè)廚房設備等方面效果非常好。馬氏體抗菌不銹鋼NSS-AM2適用于菜刀、廚房用剪刀等家用刀具的加工制造。奧氏體抗菌不銹鋼NSS-AM3適用于廚房器具、食品和醫(yī)療設施及有關設備。

目前對抗菌不銹鋼的研究主要存在以下幾個問題：①整體系抗菌不銹鋼。由于整體系抗菌不銹鋼在不銹鋼基體中添加了銀、銅元素，因此提高了制造成本。在不銹鋼基體整體添加銅元素會影響鑄坯，從而使不銹鋼材料在連鑄和軋制時形成微裂紋。此外，整體系摻銀抗菌不銹鋼由于銀容易氧化而會變色。②表面改性抗菌不銹鋼。表面改性抗菌不銹鋼雖然工藝比整體系抗菌不銹鋼簡單，且銀、銅等的消耗量也少，但是由于加工材料的尺寸、形狀多樣化，處理設備往往受到限制，難以進行大規(guī)模生產。此外，抗菌離子與不銹鋼的結合力不夠強，抗菌性能會隨著材料表面的磨損而降低，這些都是亟需解決的。③抗菌機制研究。目前對抗菌不銹鋼抗菌機制的研究還處于探索階段，大多是從材料學的角度開展。由于抗菌不銹鋼涉及材料學、生物學、醫(yī)學等多個領域，需要從生物、醫(yī)學角度深入研究抗菌原理及是否對人體有害。④抗菌不銹鋼相關標準的研究。目前國外針對抗菌不銹鋼專門成立了協(xié)會，并制訂了相關的標準，我國在抗菌不銹鋼領域發(fā)展時間較短，對不銹鋼材料抗菌能力評價的指標（MBC、MIC）還沒有統(tǒng)一的規(guī)范，針對不同類型的抗菌不銹鋼也無標準可依，因此制訂我國在抗菌不銹鋼領域的標準也是一項重要的工作［8］。

綜上所述，各種抗菌不銹鋼各有其特點，但一種抗菌元素和抗菌相具有全部優(yōu)點是不可能的，因此開發(fā)復合型的抗菌不銹鋼材料是今后抗菌不銹鋼發(fā)展的趨勢之一。

與此同時，開發(fā)對多種細菌和真菌具有持久的抗菌性且能夠大規(guī)模生產的不銹鋼材料是今后研究的重點。對于某些領域而言，只需要對單種細菌作用，因此也可以根據(jù)實際情況進行有針對性的開發(fā)。降低材料的成本、拓寬抗菌不銹鋼材料的應用領域也是今后需努力的方向。此外，抗菌不銹鋼的抗菌機制，抗菌相析出的最佳條件，抗菌性能與抗菌相形態(tài)、大小、含量的關系，抗菌性能與時間的關系，抗菌材料的人體安全性等都有待深入研究。隨著我國社會的發(fā)展及人民生活水平的提高，對抗菌不銹鋼的研究和開發(fā)必將不斷深入。

3　抗菌不銹鋼市場現(xiàn)狀

我國目前的抗菌制品發(fā)展滯后，不僅品種少于國外，總產量也遠低于國外，2000年的統(tǒng)計表明，我國抗菌制品的年產值只有國際同類產品的1%，因此抗菌制品發(fā)展空間廣闊。隨著國民收入的增加和抗菌意識的增強，抗菌制品的銷售一定會出現(xiàn)強勁增長，尤其是抗菌不銹鋼產品適用范圍極廣，能夠涵蓋現(xiàn)有抗菌制品無法涵蓋的應用領域，抗菌不銹鋼市場能夠順利拓展并不斷擴大是勿庸置疑的。

涂層型抗菌不銹鋼需要先經預處理（如酸洗、堿洗），再噴以漆膜和光催化劑等進行高溫烘烤，不僅工序煩復，而且成本也非常高，提供給用戶的目前只有成型板材，不宜用于成型器皿和零部件。相比于涂層型抗菌不銹鋼，抗菌氧化膜不銹鋼具有很好的加工性能，能夠承受180°彎曲和深拉延、模壓加工等，既適于制成板材、帶材、線材，又適于制成各種大小異型零件，幾乎不受材料限制（無論鐵素體、奧氏體、馬氏體），也不受零件大小和形狀限制，可以大大拓展抗菌不銹鋼的應用范圍。

合金型抗菌不銹鋼目前報道的有加銅抗菌不銹鋼和加銀抗菌不銹鋼兩種。加銅抗菌不銹鋼銅加入量多，不僅成本高，而且在某些介質中不耐腐蝕，尤其是點蝕比較嚴重。抗菌氧化膜不銹鋼則具有很好的耐腐蝕性，根據(jù)常州市產品質量監(jiān)督檢驗所檢驗，抗菌氧化膜不銹鋼鹽霧試驗等級為10級，而SUS316不銹鋼只有4～8級。

2015年從中科院金屬研究所獲悉，由楊柯研究員帶領的研究團隊與中科普金、太原鋼鐵合作，成功生產出40 t級規(guī)模的304型含銅抗菌不銹鋼板材。工業(yè)化規(guī)模抗菌不銹鋼試生產的成功，標志著我國已具備大規(guī)模推廣并應用抗菌不銹鋼材料的能力。

據(jù)了解，此次合作生產出的抗菌不銹鋼板材的寬度為1 200 mm，有2.5 mm、1.0 mm、0.8 mm、0.5 mm和0.4 mm等不同厚度。這批板材在滿足常規(guī)力學性能的基礎上，通過中科院理化技術研究所的抗菌性能檢測，具有優(yōu)異的抗菌性能。中國食品藥品檢定研究院的檢測結果表明，在有害金屬離子釋放、細胞毒性等人體安全性方面，該板材完全符合國家規(guī)定的安全范圍要求［9］。

楊柯團隊在我國最早開發(fā)出奧氏體、鐵素體、馬氏體、雙相等結構的系列抗菌不銹鋼新材料，通過在現(xiàn)有不銹鋼材料中加入適量的抗菌金屬（如銅、銀等），使不銹鋼整體產生強烈、廣譜和持久的抗菌功能。他們研發(fā)的新型不銹鋼既可作為結構材料和裝飾美化材料，同時也具有殺菌或抑菌的自清潔功能。

目前，國內許多投資者及相關企業(yè)都對抗菌不銹鋼產品的進一步開發(fā)和推廣應用表現(xiàn)出極大興趣，已有多家企業(yè)與中科院金屬研究所進行初步合作，生產出抗菌不銹鋼系列產品，如水槽、空調托盤、餐具、洗衣機滾筒、手術器械、骨科植入物產品等，減少了我國對這些抗菌不銹鋼產品的進口數(shù)量，提高了國產化率。

當前在抗菌不銹鋼市場上，添加1.5%～4.0%銅的抗菌不銹鋼已具有相當優(yōu)越的抗菌效果，但是在不銹鋼中添加較大量銅時往往會損害鋼的耐蝕性，為此，日本的川崎鋼鐵公司研究了多種金屬離子的抗菌效果，開發(fā)成功加銀微細彌散型抗菌不銹鋼系列，并與傳統(tǒng)18-8型不銹鋼進行了比較研究。研究用的鋼試樣是由川崎鋼鐵公司生產的加銀抗菌不銹鋼和SUS304不銹鋼，其連鑄坯經熱軋、退火后冷軋成0.7 mm板材，再結晶退火后加以酸洗，進行抗菌性和耐蝕性研究［10］。

中國的不銹鋼消費量已經是全球第一，國內外大量資本涌入該行業(yè)以搶占中國市場。該行業(yè)的特點是資本密集和規(guī)模效益，作為中國最大的不銹鋼企業(yè)，太原鋼鐵擔負著整個國內不銹鋼行業(yè)的重擔。2005年，太原鋼鐵成功研制出鐵素體抗菌不銹鋼（TKJF系列）和奧氏體抗菌不銹鋼（TKJA系列），而世界上只有日本擁有類似的加工技術，太原鋼鐵由此填補了國內抗菌不銹鋼材料的空白。太原鋼鐵緊接著又研發(fā)了Crl3型TKJF-2和奧氏體TKJA-1，使抗菌不銹鋼的應用范圍大大擴展。

不銹鋼材料正被廣泛應用于人們的日常生活，抗菌不銹鋼材料的應用將會大大改善人們的環(huán)境衛(wèi)生和健康指數(shù)。

抗菌不銹鋼與傳統(tǒng)不銹鋼相比，耐蝕性能有增無減，物理性能基本相當，力學性能稍有變化。不銹鋼中加入銅對熱加工不利，對冷加工利大于弊。隨著含銅量的增大，熱加工時要考慮降低加熱溫度，工藝操作不當易造成鋼坯角裂和表面裂紋。此外，抗菌不銹鋼的拉拔塑性和承受深度冷加工的性能明顯改善。

銅是抗菌的關鍵元素，加多少既要考慮抗菌性，又要保證鋼具有良好穩(wěn)定的加工性能。銅的最佳加入量因鋼種而異，日本日新制鋼開發(fā)的抗菌不銹鋼，鐵素體鋼中加銅1.5%，馬氏體鋼中加銅3%，奧氏體鋼中加銅3.8%。

抗菌不銹鋼具有不銹鋼的優(yōu)點和良好的抗菌性能，鋼絲行業(yè)應注重醫(yī)療器械用馬氏體抗菌不銹鋼絲、織網用奧氏體抗菌不銹鋼絲和清潔球用鐵素體抗菌不銹鋼絲的開發(fā)。

為促進抗菌不銹鋼的發(fā)展，我國在JIS Z2801—2000《抗菌加工產品 抗菌性試驗方法、抗菌效果》和QB/T2591—2003《抗菌塑料 抗菌性能試驗方法和抗菌效果》的基礎上，制定了抗菌性能標準GB/T

24170—2009《表面抗菌不銹鋼 第1部分：電化學法》。表面抗菌不銹鋼抗菌性能標準的制定，為抗菌不銹鋼產品的開發(fā)與應用注入了新的活力。

4　結束語

抗菌不銹鋼具有良好長效的抗菌性能，在國外已經工業(yè)化生產，并在食品、醫(yī)療、衛(wèi)生領域得到廣泛應用。國內在抗菌材料領域的研究和應用起步較晚，但發(fā)展迅速。隨著人們生活水平的不斷提高和防菌抗菌意識的不斷增強，抗菌不銹鋼的應用前景將更加廣闊。

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［10］長征.抗菌性優(yōu)良的銀彌散型不銹鋼［J］.金屬功能材料，2001（6）：44-45.

In recent years，the developed antibacterial stainless steel shows very broad potential applications. Antibacterial stainless steel takes stainless steel as the carrier to add some antibacterial metallic elements（such as copper，silver）as antibacterial agents so that the stainless steel features corrosion resistance and excellent antibacterial properties.Reviewed antibacterial stainless steel from several aspects including an overview of antibacterial stainless steel，the status quoboth here and abroad，the market situation etc.

抗菌不銹鋼；現(xiàn)狀；市場；應用

AntibacterialStainless Steel；Status Quo；Market；Application

TH142；TG142.7'

A

1672-0555（2016）02-068-05

2015年10月

張文毓（1968—）女，本科，主要從事情報研究工作