امروزه، استفاده از پوشش هایی بر پایه نقره و مس به عنوان عناصر آنتی باکتریال در پوشش دهی لوازم و ابزار آلات حساس بیمارستانی و پزشکی رواج یافته است. این مواد در مقابله با آلودگی های نامطلوب سطحی بسیار موثر هستند. معمولا تایل های سرامیکی به عنوان مصالح مورد نظر برای پوشش دادن زمین و دیوار های اتاق عمل و فضاهای بیمارستانی انتخاب می شوند. در این مطلب به بررسی امکان پوشش دهی پوشش های ضد موجودات زنده به روش PVD بر روی سرامیک لعاب دار می پردازیم.
هدف از این پوشش دهی، ایجاد خاصیت ضد باکتری بر روی سطح سرامیک بدون کاهش دادن خواص مکانیکی آن می باشد. برای دستیابی به این هدف، مواد پوشش نیترید تیتانیوم (TiN) و نیترید کروم (CrN) که حاوی فلزات نقره و مس دوپ(Dope) شده هستند، انتخاب شدند. برای بررسی توزیع مناسب عناصر نقره و مس درون مواد پوشش، از بررسی های میکروسکوپی نوری و الکترونی کمک گرفته شد. خواص مکانیکی مختلف سرامیک پوشش دهی شده شامل ریز سختی، چقرمگی، تر شوندگی و مقاومت به خراش نیز پس از پوشش دهی سرامیک توسط هرنوع پوشش مورد بررسی قرار گرفت. در نهایت آزمون های بازده ضد میکروبی در مقابل دو میکروب staphylococcus aureus و Escherichia coli انجام شد که در ادامه به تفصیل آن می پردازیم.
خواص ضد میکروبی نقره و مس :
برخی از فلزات سنگین از جمله مس و نقره، مدتهاست که به دلیل دارا بودن خاصیت ضد فعالیت ریز موجودات زنده، مورد توجه فراوان هستند. این فلزات حتی تا پیش از معرفی آنتی بیوتیک ها در دهه 40 میلادی نیز به عنوان میکروب کش در شرایط مختلفی استفاده می شدند. پوشش هایی که در آن ها از شکل های مختلف این عناصر از جمله یون فلزی، ترکیب، و یا نانو ذرات وجود دارد، به عنوان لایه های محافظ دارای خاصیت آنتی باکتریال استفاده می شوند.
دلیل استفاده از روش PVD :
مناسب ترین انتخاب برای پوشاندن زمین و دیوارهای فضاهای بیمارستانی و اتاق عمل، تایل های سرامیکی است. این تایل ها خواص مکانیکی مناسبی دارند و بنابراین پوشش اعمالی روی آن ها نیز باید بتواند به چنین خواصی برسد. پوشش های اعمال شده به روش رسوب دهی بخار فیزیکی(PVD) دارای این خواص مکانیکی بالا هستند. به علاوه، امکان رسیدن به زیبایی سطح فوق العاده بالا و متنوع در به کارگیری این تکنولوژی باعث می شود این روش برای صنعت سرامیک که در آن زیبایی سطوح از اهمیت بالایی برخوردار است، ایده آل باشد. به کمک روش PVD می توان بر روی انواع تایل های سرامیکی، پوشش های سخت و با خواص مکانیکی بالای متنوعی را با هزینه های منطقی و کم اعمال کرد.
فرآیند اعمال:
پس از انجام فرآیند های تمیز کاری، نمونه های cm210 *10 سرامیکی با ضخامت cm5/0 در محفظه PVD قرار داده شده و در هر مرحله با روش تبخیر به کمک قوس کاتدی فلزات مختلف / Ag, Cu) (Cr, Ti بخار شدند. برای ایجاد نیترید کروم و تیتانیوم، گاز نیتروژن در حین تبخیر این فلزات به درون محفظه جریان داده شد. پوشش های نهایی تولید شده شامل پوشش های CrN ، CrN+Ag و CrN+Cu برای پوشش های پایه CrN و همچنین TiN ، TiN+Ag و TiN+Cu برای پوشش های پایه TiN می باشند که بر روی دونوع زیرلایه سرامیکی و فولادی اعمال شدند.
مراحل فرآیند رسوب نشانی شامل مراحل زیر بوده است:
- ایجاد خلاء 1×10-5 mbar
- حرارت دهی تا دمای 400-450oC
- اِچ آرگون برای 30 دقیقه
- رسوب نشانی لایه نازکی از کروم (یا تیتانیوم) به عنوان لایه چسباننده پوشش و زیرلایه
- رسوب نشانی لایه CrN یا TiN به عنوان پوشش اصلی
- رسوب نشانی لایه دوپ شده با فلز ضد باکتری CrN(TiN) + (Ag/ Cu)
شماتیک رسوب اعمال شده نهایی به صورت شکل زیر است:
شکل ۱: شماتیک پوششPVD اعمالی
مشخصه یابی مواد پوشش :
با استفاده از دو روش طیف سنجی نوری (GD-OES) و تصاویر میکروسکوپ الکترونی، ترکیب و توپوگرافی لایه های رسوب دهی شده به روش PVD مشخص شد. مطابق شکل 2، نمودار GD-OES پوشش های CrN+Cu و TiN+Ag بر روی زیرلایه فولادی را مشخص می کنند که ضخامت کل پوشش حدود 7/0 میکرومتر بوده درحالی که بخش دوپ شده، تنها 100 نانومتر ضخامت دارد. درحالی که تمامی فاکتور های پوشش دهی یکسان درنظر گرفته شدند اما پوشش های TiN ضخامت بیشتری داشته و 9/0 میکرومتر ضخیم بودند که به علت نرخ بخار شدن بالا تیتانیوم می باشد.
شکل ۲: نمودار ترکیبی آزمون GD-OES برای پوشش CrN+Cu (بخش a) و TiN+Ag (بخش b)
همچنین آنالیز سطح مقطع پوشش که از تصاویر میکروسکوپ الکترونی SEM بدست آمدند با نتایج آزمون GD-OES همخوانی کامل داشتند. در این تصاویر لایه ی دوپ شده که در بالای پوشش قرار دارد به رنگ روشن تر دیده می شود که بیانگر وجود ذرات نقره در آن نواحی است.
شکل ۳: تصویر سطح مقطع پوشش (a) CrN+Ag و (b) TiN+Ag گرفته شده توسط میکروسکوپ الکترونی SEM
خواص مکانیکی :
مطابق انتظار، سرامیک های پوشش دهی شده سختی بالاتری در مقایسه با سرامیک های بدون پوشش و طبیعی (pristine) از خود نشان دادند. دلیل این اتفاق، سختی بالاتر CrN و TiN از لعاب سرامیک است. افزودن نقره یا مس، تفاوت محسوسی در میزان ریز سختی نمونه ها ایجاد نمی کند (مطابق شکل 4) با این وجود، نمونه های بر پایه CrN حاوی نقره، سختی متوسط بالاتری از خود نشان می دهند.
شکل ۴: نمودار سختی بر اساس عمق سنجش پوشش های پایه CrN (a) و پایه TiN )b)
بررسی های آزمون خراش نشان دادند که در پوشش های پایه CrN چسبندگی پوشش به زیرلایه به قدری مناسب است که تا قبل از افزایش بارگذاری در حد شکستن لعاب سرامیک، از سرامیک جدا نمی شوند. از سوی دیگر پوشش های بر پایه TiN مقادیر کمتری از خود نشان دادند و با انجام آزمون، در برخی نواحی، قبل از لعاب، از روی زیرلایه جدا می شوند (شکل 5 و جدول 1).
شکل ۵: تصاویر آزمون خراش نمونه های بدون پوشش (a) ، CrN+Ag (b) و TiN+Ag )c).
در تصویر سوم مشخص شده است که لعاب سرامیک (نواحی سفید) در برخی نواحی چسبندگی بهتری از پوشش PVD دارد
در آزمون های ترشوندگی، زاویه ترشوندگی هر دو نوع پوشش بیشتر از نمونه ی بدون پوشش است که این اتفاق حاکی از انرژی سطحی پایین و در واقع صیقلی تر بودن سطح پوشش دهی شده می باشد. مطابق شکل 6، در حالی که زاویه ترشوندگی نمونه بدون پوشش 48 درجه است، مقادیر آن برای پوشش های CrN و TiN به ترتیب بالای 90 و بالای 75 درجه است که نشان می دهد CrN انرژی سطحی را بیشتر از TiN کاهش می دهد. نکته قابل توجه، کاهش باز هم بیشتر انرژی سطحی در صورت دوپ کردن Cu و Ag در پوشش است.
شکل ۶: نتایج آزمون ترشوندگی پوشش های مختلف
جدول ۱: نتایج آزمون های ریز سختی، خراش و ترشوندگی نمونه ها
بازده خاصیت ضد باکتری :
جدول 2، نتایج آزمون فعالیت ضد میکروبی پوشش های PVD حاوی مس و نقره را نشان می دهد. بر این اساس، مقدار فاکتورR مشخص شده در جدول بیانگر عبارت R=log() است که در آن B برابر است با تعداد کلونی های باکتری تشکیل شده در نمونه های مرجع (CrN یا TiN) پس از 24 ساعت و C برابر است با تعداد کلونی های باکتری تشکیل شده در نمونه های اصلاح شده با مس و نقره ) CrN+Ag/Cu و (Tin+Ag/Cu. از آنجایی که تعداد کلونی های باکتری روی نمونه های حاوی مس و نقره پس از 24 ساعت، نزدیک به صفر بوده است، مقیاس لگاریتمی R برای مقایسه پوشش ضد باکتری و معمولی استفاده شده است.
جدول ۲: نتایج آزمون استاندارد JIS Z 2801;2010 برای باکتری های E. coli و S. aureus در پوشش های مختلف