本发明专利技术属于复合金属镀层领域，具体涉及一种抗菌耐蚀的辣椒素复合ZnO/Zn镀层的制备及其应用。抗菌耐蚀的辣椒素复合ZnO/Zn镀层是在恒电流沉积条件下，利用碱性沉积液中复合辣椒素，获得表面具有孔隙的锌阵列，之后，在氮气环境下干燥后，在空气中锌阵列表面自然形成ZnO纳米针，形成辣椒素复合的ZnO/Zn镀层。本发明专利技术中的辣椒素复合ZnO/Zn镀层表面可形成针状ZnO，抗菌、耐蚀性能良好，适用于受到生物活性侵害的水环境或海洋环境中的钢结构防护，具有良好的污损防护应用价值。
An Antibacterial and Corrosion Resistant Capsaicin Composite ZnO/Zn Coating and Its Preparation and Application
The invention belongs to the field of composite metal coating, in particular to the preparation and application of capsaicin composite ZnO/Zn coating with anti-bacterial and corrosion resistance. Antibacterial and corrosion-resistant capsaicin composite ZnO/Zn coating is a kind of zinc arrays with porous surface obtained by capsaicin composite in alkaline solution under constant current deposition. After drying in nitrogen environment, zinc nanoneedles are formed on the surface of zinc arrays in air to form capsaicin composite ZnO/Zn coating. The capsaicin composite zinc oxide/zinc coating surface of the invention can form needle-like zinc oxide, has good antimicrobial and corrosion resistance, is suitable for steel structure protection in water environment or marine environment which is infringed by biological activity, and has good application value for pollution protection.
【技术实现步骤摘要】
一种抗菌耐蚀的辣椒素复合ZnO/Zn镀层及其制备和应用
本专利技术属于电化学镀层领域，具体涉及一种抗菌耐蚀的辣椒素复合ZnO/Zn镀层及其制备和应用。
技术介绍
海洋环境是一种复杂的腐蚀环境，不仅海水本身是一种强电解质，而且其非常高的生物活性也严重危害着人类海洋活动。海洋环境中存在着大量的人造钢铁设施，其中许多关键部位如船舶螺旋桨、海底钢缆等，由于其服役环境特殊，常采用金属镀层进行防护，而锌基镀层由于其自腐蚀电位负、屏障作用好而被广泛应用。然而，尽管锌基镀层能为化学与电化学腐蚀提供良好防护，但是却仍然饱受微生物腐蚀与生物污损的侵害。有研究表明，将抗菌剂复合入金属镀层材料中能获得抗菌特性，但前人所用的抗菌剂以防污剂为主，虽然半衰期较短，但对于环境仍有一定危害，不能从根本上获得环境友好、无毒、无污染的微生物腐蚀与污损防护技术。
技术实现思路
针对上述锌镀层在钢铁防护中遇到的微生物腐蚀与生物污损问题及目前技术的环境污染问题，本专利技术目的在于提供一种抗菌耐蚀的辣椒素复合ZnO/Zn镀层及其制备和应用。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案为：一种抗菌耐蚀的辣椒素复合ZnO/Zn镀层的制备方法，在碱性锌镀液中添加辣椒素，通过恒电流法获得锌阵列；而后在N2干燥后，在空气中自然形成针状ZnO表面。所述碱性锌镀液体系为：14～18g/LNaOH、1.9～2.2g/LZnO，溶于1L蒸馏水中；所述辣椒素的添加量为0.2～1.0g/L。所述辣椒素的添加量为0.6g/L。所述恒电流法的阴极为碳钢基底，阳极为纯锌片，电流密度为15～25mAcm-2。所述N2干燥时间为10min以上，保证水分不参与空气中Zn的氧化反应。一种抗菌耐蚀的辣椒素复合ZnO/Zn镀层，按所述的方法制备获得纳米针状辣椒素复合ZnO/Zn镀层。一种抗菌耐蚀的辣椒素复合ZnO/Zn镀层的应用，所述复合镀层在生物活性环境中的抗菌或腐蚀防护中的应用。所述复合镀层在生物活性环境中在作为抗菌层或耐蚀层中的应用。本专利技术的有益效果在于：本专利技术将辣椒素这种天然抗菌产物作为抗菌添加剂，复合入锌基电镀层中，且在其表面能够自然形成纳米针状ZnO薄膜，使辣椒素的化学抗菌作用与纳米ZnO柱的物理抗菌作用结合，大大增强了复合镀层的耐蚀与抗菌活性。相比于常规的锌镀层，本专利技术中的辣椒素复合ZnO/Zn电镀层能够复合天然抗菌产物辣椒素，使其获得化学抗菌活性，且同时能够自主在镀层表面形成纳米针状ZnO，进而获得物理抗菌特性，具有优异的耐蚀、杀菌特性。具体在于：(1)本专利技术不仅具备普通锌镀层自腐蚀电位负、屏障作用好的优点，还具有绿色无毒、环境友好的耐微生物腐蚀与防生物污损效果，具有多功能性。(2)本专利技术利用辣椒素作为镀液添加剂用于控制镀层表面结构与形貌，使其不同于其他锌基镀层，能够在空气环境下表面自发形成ZnO纳米针，达到物理抗菌的作用。(3)本专利技术中辣椒素在镀层中的成功吸附与复合，使其获得了完全无污染的化学抗菌作用。(4)本专利技术利用辣椒素的复合及对于锌沉积本身的影响，将辣椒素化学抗菌与ZnO物理抗菌作用相结合，抗菌性大大提升。(5)本专利技术可根据应用环境与基底服役寿命设计辣椒素复合ZnO/Zn镀层厚度，保障结构使用寿命；(6)本专利技术镀层与基底结合牢固，提供了一种对钢铁结构在海洋环境中的耐微生物腐蚀与污损防护方法。附图说明图1为本专利技术实施例提供的纯锌镀层AB(a、b)、辣椒素复合ZnO/Zn镀层AC1(c、d)、AC2(e、f)和AC3(g、h)的扫描电子显微镜(SEM)照片(i)，X射线晶体衍射(XRD)图谱(ii)和AC2镀层的电子能谱(EDS)面分布图(iii)。其中，b、d、f、h分别为a、c、e、g的放大图；为Zn的衍射峰；◆为ZnO的衍射峰；为Fe基体的衍射峰。图2为本专利技术实施例提供的纯锌镀层BB、辣椒素复合ZnO/Zn镀层BC1、BC2和BC3在硫酸盐还原菌(SRB)中暴露14d后的Tafel极化曲线图。图3为本专利技术实施例提供的纯锌镀层CB(a)、辣椒素复合ZnO/Zn镀层CC1(b)、CC2(c)和CC3(d)在107cfu/mL大肠杆菌(E.coli)磷酸盐缓冲液(PBS)悬浊液中浸泡24h后的荧光显微照片。具体实施方式以下通过具体的实施例对本专利技术作进一步说明，有助于本领域的普通技术人员更全面的理解本专利技术，但不以任何方式限制本专利技术。实施例1：辣椒素复合ZnO/Zn电镀层的制备：1)制备碱性锌镀液体系：16g/LNaOH、2.0g/LZnO，溶于蒸馏水中，为JBlank备用。再向JBlank中分别添加0.2g/L、0.6g/L与1.0g/L辣椒素，搅拌半小时后静置，分别作为JC1、JC2与JC3。2)以20#标准碳钢片为基体材料，用80#、400#、1000#、2000#砂纸水相砂纸打磨试片每个表面，放入无水乙醇中超声10min以去除其表面油污，然后将试片裸露部分浸入1mol/L的HCl中5s，活化其表面，备用。3)使用DJS-292E型恒电位仪，调至恒电流模式下，以步骤2)中处理后的待保护钢连接直流电源负极，以相同尺寸的纯锌片连接直流电源正极。将其浸没于步骤1)制备的硫酸锌镀液体系JBlank、JC1、JC2与JC3中。在20mAcm-2电流密度下恒电流沉积20min，得到复合锌镀层为AB、AC1、AC2和AC3；4)电沉积完成后，取出镀好的钢片，表面用二次蒸馏水冲洗残留电镀液2～3次，高纯氮气吹干10min，空气中放置30min。获得辣椒素复合ZnO/Zn电镀层。所有电镀层材料的形貌、结构与元素分布如图1所示。由图1(i)可知，辣椒素的添加与复合明显地改变了锌阵列的形貌，进而影响着表面所形成ZnO薄膜的形貌。随着辣椒素添加量的增大，电镀层表面由致密的六方片晶排列向多孔形貌转变，其表面所形成的ZnO也由常规片状向纳米针状结构转化。进一步的XRD结果(图1(ii))表明，在碳钢表面，不仅沉积了锌的阵列得到了锌阵列，通过本专利技术的技术手段，还能够在空气中自然形成ZnO的纳米针状结构。最后，AC2的EDS面分布(图1(iii))结果表明，锌作为电镀层的主要元素，均匀分布在电镀层内部；C作为辣椒素的主要元素，则主要分布在电镀层的沟壑状形貌中，说明辣椒素的复合以吸附为主；而O元素作为辣椒素与ZnO纳米颗粒共同存在的特征性元素，则与SEM中的沟壑状和纳米针状结构的形貌相吻合，证明了辣椒素、ZnO纳米颗粒与锌在复合电镀层中的共同存在，即说明通过本专利技术的技术手段，成功获得了辣椒素复合ZnO/Zn电镀层。实施例2：辣椒素复合ZnO/Zn电镀层的耐微生物腐蚀性能评价：按照实施例1中步骤配制硫酸盐镀液体系JBlank与JC1、JC2与JC3，在15mAcm-2电流密度下恒电流沉积20min，得到复合锌镀层为BB、BC1、BC2和BC3，按照实施例1中(4)步骤后续处理电镀层。随后，将制备得到的BB、BC1、BC2和BC3电镀层浸没于典型的海洋腐蚀微生物硫酸盐还原菌(SRB，Desulfovibriocaledoniensis)14天，使用Tafel曲线评价BB、BC1、BC2和BC3镀层的耐腐蚀性能(如图2所示)。由极化曲线可知，随着辣椒素添加浓度的增大，镀层的自腐蚀电位正移，表明其腐蚀敏感性降本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种抗菌耐蚀的辣椒素复合ZnO/Zn镀层的制备方法，其特征在于：在碱性锌镀液中添加辣椒素，通过恒电流法获得锌阵列；而后在N2干燥后，在空气中自然形成针状ZnO表面。
【技术特征摘要】
1.一种抗菌耐蚀的辣椒素复合ZnO/Zn镀层的制备方法，其特征在于：在碱性锌镀液中添加辣椒素，通过恒电流法获得锌阵列；而后在N2干燥后，在空气中自然形成针状ZnO表面。2.按权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碱性锌镀液体系为：14～18g/LNaOH、1.9～2.2g/LZnO，溶于1L蒸馏水中；所述辣椒素的添加量为0.2～1.0g/L。3.按权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述辣椒素的添加量为0.6g/L。4.按权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述恒电流法的阴极为碳钢基底，阳极为纯锌片，电流密度为15～25m...
【专利技术属性】
技术研发人员：翟晓凡，王传兴，管方，王楠，鞠鹏，段继周，郑萌，侯保荣，
申请(专利权)人：中国科学院海洋研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37
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