專利名稱：固體薄膜表面脂肪酸自組裝單分子超薄潤滑膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固體薄膜表面脂肪酸自組裝單分子超薄潤滑膜的制備方法。
近二十年來，自組裝作為制備有序超薄膜的新型技術(shù)成為研究的熱點。這是因為自組裝技術(shù)將活性分子通過化學(xué)鍵吸附在異相界面上，從而使自組裝膜(Self-Assembed Monolayers，SAMs)具有一定的化學(xué)穩(wěn)定性和熱力學(xué)穩(wěn)定性。目前研究較多的自組裝體系是有機硅烷類在硅、二氧化硅或玻璃表面的組裝，烷基硫醇或烷基二硫醇類在金、銀及銅表面的組裝，羧酸在銀、銅及鋁表面的組裝，羥肟酸在金屬氧化物表面的組裝，以及醇和胺在鉑表面的組裝等體系。
溶膠-凝膠法具有成膜均勻、化學(xué)計量比準(zhǔn)確、熱處理溫度相對較低、工藝設(shè)備簡單以及成本低等優(yōu)點，被認為是目前最有效的制備固體薄膜的技術(shù)之一。
本發(fā)明的制備方法依次包括以下兩個步驟(一)固體薄膜的制備(1)銀無機鹽和還原劑丹寧酸溶解于蒸餾水中混勻并加熱到70～80℃，然后加入弱堿溶液并攪拌，調(diào)節(jié)pH＝4～5，制得的溶液于水浴中陳化24～96h得到茶色的銀基前驅(qū)體溶膠；(2)以載玻片或單晶硅片作基底，使用前進行徹底清洗；(3)將制得的銀溶膠用浸漬-提拉法在載玻片或單晶硅底材上制備溶膠薄膜，制膜溫度15～25℃，相對濕度40％～60％，控制提拉速度處于10～90cm/min范圍內(nèi)以獲得均勻的溶膠薄膜；(4)將溶膠薄膜在空氣中于室溫～70℃下干燥，然后加熱至260～280℃并保溫20～30min，最后自然冷卻至室溫，即獲得所需固體薄膜。(二)固體薄膜表面脂肪酸自組裝單分子有機膜的制備(1)選取易吸附于固體薄膜表面的脂肪酸配制成稀溶液；將制得的固體薄膜迅速浸入配制好的脂肪酸稀溶液中于室溫下反應(yīng)24～48h；(2)取出后經(jīng)相應(yīng)的溶劑徹底清洗并吹干，即得到具有一定有序性的有機單分子超薄膜。
本發(fā)明的制備方法也可以依次包括以下兩個步驟(一)固體薄膜的制備(1)鋁有機鹽和穩(wěn)定絡(luò)合劑溶解于無水異丙醇中，用酸調(diào)節(jié)pH＝1～3，將制得的溶液在室溫下攪拌一定時間后，升溫至80℃并繼續(xù)攪拌2h后在水浴中陳化24～72h，得到橙黃色的氧化鋁基前驅(qū)體溶膠；(2)在溶膠中加入有機成膜助劑以控制溶膠薄膜溶劑的揮發(fā)速度；(3)以載玻片或單晶硅片作基底，使用前充分清洗；(4)將制得的氧化鋁溶膠用浸漬-提拉法在載玻片或單晶硅底材上制備溶膠薄膜，制膜溫度15～25℃，相對濕度40％～60％，控制提拉速度處于10～90cm/min范圍內(nèi)以獲得溶膠薄膜；(5)溶膠薄膜在空氣中室溫～70℃干燥，然后加熱至500～550℃并保溫10～15min，最后自然冷卻至室溫，獲得陶瓷薄膜。(二)固體薄膜表面脂肪酸自組裝單分子有機膜的制備(1)選取易吸附于固體薄膜表面的脂肪酸，配制成稀溶液；將制得的固體薄膜迅速浸入配制好的脂肪酸稀溶液中于室溫下反應(yīng)24～48h；(2)取出后經(jīng)相應(yīng)的溶劑徹底清洗并吹干，即得到具有一定有序性的有機單分子超薄膜。
本發(fā)明所用還原劑丹寧酸的添加量為銀無機鹽摩爾數(shù)的0.01～0.03倍；所涉及的弱堿溶液為Na2CO3或NaHCO3溶液；本發(fā)明所涉及的脂肪酸是二十酸、十六酸、癸酸，它們在銀薄膜表面具有良好的化學(xué)吸附特性，與基底的結(jié)合力較強(離子鍵)；所涉及的溶劑為正己烷或2-甲基戊烷。
本發(fā)明所涉及的穩(wěn)定絡(luò)合劑是乙酰丙酮或檸檬酸，其添加量為鋁有機鹽摩爾數(shù)的1～2倍；本發(fā)明所涉及的有機成膜助劑是聚乙烯醇或聚乙二醇，有機成膜助劑的添加量為前驅(qū)體溶膠體積量的0.1％～1.0％；本發(fā)明所涉及的脂肪酸是二十酸、十六酸、癸酸，它們在氧化鋁薄膜表面具有良好的化學(xué)吸附特性，與基底的結(jié)合力較強(離子鍵)。所用溶劑為正己烷或2-甲基戊烷。
本發(fā)明所涉及的銀薄膜具有良好的摩擦學(xué)性能，可以用作減摩、抗磨保護性涂層。本發(fā)明所涉及的脂肪酸單分子膜具有良好的減摩、抗磨和抗粘著性能。采用的試驗方法如下摩擦磨損試驗在日本協(xié)和株式會社生產(chǎn)的動靜摩擦系數(shù)測定儀上進行。滑動速度90mm.min-1，單向滑動行程為9mm，法向負荷為0.5N。偶件選用φ3的GCr15鋼球和Si3N4陶瓷球。在室溫及相對濕度RH＝40％～45％條件下進行測定。摩擦磨損試驗結(jié)果表明，GCr15鋼球與潔凈的單晶硅及玻璃表面對摩時摩擦系數(shù)較高，分別約為0.70和0.85，Si3N4陶瓷球與潔凈的單晶硅及玻璃表面對摩時摩擦系數(shù)分別約為0.67和0.80。
0.5N負荷下Ag/GCr15鋼摩擦磨損試驗結(jié)果表明單晶硅表面涂敷Ag薄膜后摩擦系數(shù)降低為0.26-0.28，隨著滑動次數(shù)的增加，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。涂敷銀薄膜的單晶硅表面形成脂肪酸自組裝單分子膜后，摩擦系數(shù)進一步降低至約0.09；涂敷銀薄膜的玻璃表面形成脂肪酸自組裝單分子膜后，摩擦系數(shù)降低至約0.11。
0.5N負荷下Ag/Si3N4摩擦磨損試驗結(jié)果表明單晶硅表面涂敷Ag薄膜后摩擦系數(shù)降低為0.20-0.22，隨著滑動次數(shù)的增加，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。當(dāng)涂敷銀薄膜的單晶硅表面形成脂肪酸單分子膜后，摩擦系數(shù)進一步降低至約0.07；涂敷銀薄膜的玻璃表面形成脂肪酸單分子膜后，摩擦系數(shù)降低至約0.10。
以上摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)表明，本發(fā)明所涉及的Ag固體薄膜具有良好的摩擦學(xué)性能，可以用作減摩、抗磨保護性涂層，Ag固體薄膜表面自組裝脂肪酸單分子膜具有一定的減摩和抗粘著作用，可望用作微型機械(MEMs)的潤滑材料。
本發(fā)明所涉及的Al2O3陶瓷薄膜具有良好的摩擦學(xué)性能，可以用作減摩、抗磨保護性涂層。本發(fā)明所涉及的脂肪酸單分子膜具有良好的減摩、抗磨和抗粘著性能。采用的試驗方法如上所述。摩擦、磨損試驗結(jié)果如下0.5N負荷下Al2O3/GCr15鋼摩擦磨損試驗結(jié)果表明單晶硅表面涂敷Al2O3薄膜后摩擦系數(shù)降低為0.35-0.38，隨著滑動次數(shù)的增加，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。當(dāng)涂敷氧化鋁薄膜的單晶硅表面形成脂肪酸單分子膜后，摩擦系數(shù)進一步降低至約0.10；當(dāng)涂覆氧化鋁薄膜的玻璃表面形成脂肪酸單分子膜后，摩擦系數(shù)進一步降低至約0.12。
0.5N負荷下Al2O3/Si3N4摩擦磨損試驗結(jié)果表明單晶硅表面涂敷Al2O3薄膜后摩擦系數(shù)降低為0.30-0.32，隨著滑動次數(shù)的增加，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。當(dāng)涂敷氧化鋁薄膜的單晶硅表面形成脂肪酸單分子膜后，摩擦系數(shù)進一步降低至約0.09；涂敷氧化鋁薄膜的玻璃表面形成脂肪酸單分子膜后，摩擦系數(shù)進一步降低至約0.10。
以上摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)表明，本發(fā)明所涉及的Al2O3陶瓷薄膜具有良好的摩擦學(xué)性能，可以用作減摩、抗磨保護性涂層；Al2O3陶瓷薄膜表面自組裝脂肪酸單分子膜具有一定的減摩和抗粘著作用，可望用作微型機械(MEMs)的潤滑材料。
本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(1)原料毒性小，價格低；(2)薄膜致密、均勻，表面粗糙度低；(3)薄膜抗磨減摩以及抗粘著性能好；(4)制備工藝簡單。
權(quán)利要求
1.一種固體薄膜表面脂肪酸自組裝單分子超薄潤滑膜的制備方法，其特征在于該方法依次包括以下兩個步驟(一)固體薄膜的制備(1)銀無機鹽和還原劑丹寧酸溶解于蒸餾水中混勻并加熱到70～80℃，然后加入弱堿溶液并攪拌，調(diào)節(jié)pH＝4～5，制得的溶液于水浴中陳化24～96h得到茶色的銀基前驅(qū)體溶膠；(2)以載玻片或單晶硅片作基底，使用前進行徹底清洗；(3)將制得的銀溶膠用浸漬-提拉法在載玻片或單晶硅底材上制備溶膠薄膜，制膜溫度15～25℃，相對濕度40％～60％，控制提拉速度處于10～90cm/min范圍內(nèi)以獲得均勻的溶膠薄膜；(4)將溶膠薄膜在空氣中于室溫～70℃下干燥，然后加熱至260～280℃并保溫20～30min，最后自然冷卻至室溫，即獲得所需固體薄膜。(二)固體薄膜表面脂肪酸自組裝單分子有機膜的制備(1)選取易吸附于固體表面的脂肪酸配制成稀溶液；將制得的固體薄膜迅速浸入配制好的脂肪酸稀溶液中于室溫下反應(yīng)24～48小時；(2)取出后經(jīng)相應(yīng)的溶劑徹底清洗并吹干，即得到具有一定有序性的有機超薄膜。
2.一種固體薄膜表面脂肪酸自組裝單分子超薄潤滑膜的制備方法，其特征在于該方法依次包括以下兩個步驟(一)固體薄膜的制備(1)鋁有機鹽和穩(wěn)定絡(luò)合劑溶解于無水異丙醇中，用酸調(diào)節(jié)pH＝1～3，將制得的溶液在室溫下攪拌一定時間后，升溫至80℃并繼續(xù)攪拌2h后在水浴中陳化24～72h，得到橙黃色的氧化鋁基前驅(qū)體溶膠；(2)在溶膠中加入有機成膜助劑以控制溶膠薄膜溶劑的揮發(fā)速度；(3)以載玻片或單晶硅片作基底，使用前充分清洗；(4)將制得的氧化鋁溶膠用浸漬-提拉法在載玻片或單晶硅底材上制備溶膠薄膜，制膜溫度15～25℃，相對濕度40％～60％，控制提拉速度處于10～90cm/min范圍內(nèi)以獲得溶膠薄膜；(5)溶膠薄膜在空氣中室溫～70℃干燥，然后加熱至500～550℃并保溫10～15min，最后自然冷卻至室溫，獲得陶瓷薄膜。(二)固體薄膜表面脂肪酸自組裝單分子有機膜的制備(1)選取易吸附于固體表面的脂肪酸，配制成稀溶液；將制得的陶瓷薄膜迅速浸入配制好的脂肪酸稀溶液中于室溫下反應(yīng)24～48min；(2)取出后經(jīng)相應(yīng)的溶劑徹底清洗并吹干，即得到具有一定有序性的有機超薄膜。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于丹寧酸的添加量為銀無機鹽摩爾數(shù)的0.01～0.03倍。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于弱堿溶液為Na2CO3或NaHCO3溶液。
5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于脂肪酸是二十酸、十六酸、癸酸。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，穩(wěn)定絡(luò)合劑是乙酰丙酮或檸檬酸，其添加量為鋁有機鹽摩爾數(shù)的1～2倍。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于有機成膜助劑是聚乙烯醇或聚乙二醇，有機成膜助劑的添加量為前驅(qū)體溶膠體積量的0.1％～1.0％。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種固體薄膜表面脂肪酸自組裝單分子超薄潤滑膜的制備方法。本發(fā)明以易吸附于固體表面的脂肪酸為原料,利用溶液中活性基團在某些固體(銀和氧化鋁)薄膜表面上的化學(xué)吸附性質(zhì),采用溶膠－凝膠法制備固體薄膜并在其上自組裝穩(wěn)定、有序且具有低表面能的單分子脂肪酸超薄膜。其特點是:原料毒性小,價格低;薄膜致密、均勻,表面相對粗糙度低;制備過程簡單易操作;薄膜抗磨減摩以及抗粘著性能好。摩擦、磨損試驗結(jié)果表明:本發(fā)明所涉及的脂肪酸單分子膜與固體薄膜具有很好的結(jié)合性能,并且具有良好的減摩、抗磨和抗粘著性能,有望成為解決微型機械中材料的保護和潤滑問題的有效手段。
文檔編號C09D1/00GK1358804SQ0114309
公開日2002年7月17日 申請日期2001年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月17日
發(fā)明者楊生榮, 王金清, 陳淼, 徐洮 申請人:中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所