专利名称：一种低温程序制备纳米薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及以纳米粉体溶胶材料在基材表面制备纳米薄膜的加工技术领域。一种通过特定涂布技术以纳米粉体溶胶材料在基材表面形成纳米薄膜使基材表面能表现该纳米材料特性的加工方法，其制程包括基材表面纳米薄膜加工程序、纳米薄膜固化程序的纳米薄膜制备方法。具体而言，本发明是导入抛磨作业及使用紫外光固化方法的处理程序，以实现能在低温制程下使纳米粉体溶胶材料在被处理基材表面形成成膜性完整与附着度良好的薄膜，以发挥纳米材料的特有功效。
背景技术：
根据文献之揭示，纳米粉体溶胶材料在基材表面制备纳米薄膜的加工技术方法有很多。如中国专利ZL 00115361.7采用磁控溅射法在玻璃基材表面制备纳米薄膜；中国专利ZL01134335.4利用磁控溅射在玻璃、金属、陶瓷等基材表面制备纳米薄膜。中国专利申请号200510018520.6是以钛酸丁酯或钛酸异丙酯，以乙醇或/和异丙醇作溶剂以合成二氧化钛溶胶，并将二氧化钛溶胶涂布于玻璃材质上经620～720高温烧结才能成膜附着于玻璃基材上；中国专利授权公告号CN1128187C是以钛酸四丁酯、钛酸四乙酯、钛酸四异丙酯、钛酸四(2-乙基己)酯、钛酸四(十七)酯、二异丙氧基-二乙酰丙酮钛、二正丁氧基-二(三乙醇胺)钛、二羟基-二乳酸钛或四辛烯甘醇钛等为原料，并与乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、异丁醇、丙酮、氯仿、正己烷、苯、甲苯或四氯化碳等合成溶剂型二氧化钛溶胶。并将二氧化钛溶胶涂布于玻璃材质上经550～720℃高温烧结才能成膜附着于玻璃基材上；中国专利申请号01128058.1是以钛酸丁酯、钛酸丙酯，硅有机化合物包括硅酸丁酯、硅酸丙酯；有机醇包括乙醇、丙醇、丁醇等以合成二氧化钛溶胶，并将二氧化钛溶胶涂布于玻璃材质上经450～500℃高温烧结才能成膜附着于玻璃基材上。
综合上述专利内容，可以发现，所述的纳米薄膜制备方法必须在高温或使用昂贵的工艺才能达到与基材作良好的结合及附着性良好，其工艺过于复杂造成成本过高以致推广不易。常温或低温的加工法，在成本考虑上具有先天的优势，然而现有的加工方式多数须添加黏着剂，如东陶(日本)机器股份有限公司之专利(台湾专利公告号00313630)即使用硅氧烷基做为黏着剂，不但有环保上的顾虑，且有耐久性不佳等问题。若不使用黏着剂，常温或低温的加工法往往需要很长的时间，才可以达到良好的固化效果，在加工与使用上有很多不便。而依传统的涂布方式所制成的纳米薄膜常存在有涂布不均、成膜性不佳或不易固化等情况。其所以不易达到均匀涂布及成膜性不佳的主要原因是纳米粒子本身非常细微，而所有基材表面由微观的角度观察皆非平坦，形成高低起伏达数十甚至数百纳米的凸峰与低谷分布，在涂布时，纳米粉体溶胶材料会因液体表面张力的作用在基材表面上形成一层悬浮于低谷上的薄膜(如图1所示)，纳米粒子实际上并未附着到基材表面低谷部位。涂层干燥过程中，低谷上原本藉张力所成的膜会由边缘开始干燥，致使薄膜崩塌，细微纳米粒子即落入基材表面的低谷中，因低谷的表面积大于悬浮其上薄膜的表面积，所以落入低谷的细微纳米粒子无法填满低谷的整个表面，破坏了纳米薄膜的完整性和连续性(如图2所示)。
发明内容
本发明的目的是提供由纳米粉体溶胶材料制备纳米薄膜的制程，并导入抛磨作业及使用紫外光(UV)固化方法，以克服现有技术的不足，并具备生产工艺简易、低温加工、节省能源、成本低、投资省及安全环保等优点。
本发明低温程序制备纳米薄膜的方法步骤包括1.纳米薄膜加工程序将纳米粉体溶胶材料涂布于经惯用的方法清洗干净或改质过适合涂布纳米粉体溶胶材料的基材表面上，以形成一层纳米粉体溶胶湿膜；将上述的湿膜依设定的操作条件于基材表面进行抛磨，使纳米粉体溶胶材料能填入基材表面包括凸峰低谷等所有部位，于基材表面形成一层完整性及连续性的纳米涂层(如图3所示)。该具完整与连续性的纳米涂层可明显增加后续纳米粉体溶胶涂布的均匀性与附着度(如图4所示)。
2.纳米薄膜固化程序将经上述纳米薄膜加工程序后的基材，以设定的程序进行薄膜固化，固化的目的为使纳米薄膜能更坚牢的附着于基材表面。
本发明所述的纳米薄膜加工程序，系将纳米粉体溶胶材料涂布于基材表面，其中涂布纳米粉体溶胶材料的方法可为滚涂法、擦涂法、刷涂法、提拉法、喷涂法、旋涂法等的任一种进行表面涂布，以形成一层液体薄湿膜；然后再以设定的操作条件抛磨该纳米粉体溶胶湿膜，使纳米粉体溶胶材料能填入基材表面包括凸峰低谷等所有部位，于基材表面形成一层完整性及连续性的纳米涂层。
本发明所述的纳米薄膜加工程序，其抛磨操作条件使用的转速或来回摩擦频率不小于20rpm，对基材的向下抛磨加压力不小于0.01N/cm2(牛顿力/平方公分)。
本发明所述的纳米薄膜加工程序，其抛磨操作的方式可以人工方式以手施工或以自动化设备依操作条件施工。
本发明所述的纳米薄膜加工程序，所述的湿膜厚度以不大于60μm为宜，使能保持涂层外观的均匀性，所述的表面预干条件可为自然干燥或于小于95℃以下低温进行干燥。
本发明所述的纳米薄膜固化程序，以紫外光照射固化，照射于基材表面纳米薄膜上的光源为UV-C，其波长介于200nm～290nm，照射能量不小于0.1mW/cm2，照射时间不小于10分钟；或光源为UV-B，其波长介于290nm～320nm，照射能量不小于0.4mW/cm2，照射时间不小于30分钟；或光源为UV-A，其波长介于320nm～390nm，照射能量不小于0.8mW/cm2，照射时间不小于30分钟。所述的固化条件于基材上制备的纳米薄膜，其附着性的测试符合中国国家标准GB/T9286-1998测试规范之0级要求。
本发明所述的基材，其材料可为玻璃、塑料、金属、陶瓷、有机高分子材料、烤漆板、瓷砖、石材、木材、无机材料或以上材料的混合所制备的基材。
本发明提供了一种纳米薄膜的低温制备工艺，能有效的在被处理基材表面形成分布均匀完整且附着度良好的薄膜，以发挥纳米材料的特有功效，并能具备生产工艺简易、低温加工、节省能源、成本低、投资省及安全环保等优点。
本发明所述的纳米薄膜加工程序，其纳米粉体溶胶材料能填入基材表面包括峰谷等所有部位，于基材表面形成一层完整性及连续性的纳米涂层。上海爱建纳米科技发展有限公司的AJ-III原子力显微镜测得，金属基材表面纳米处理前，其峰谷最高和最低的落差为388.9nm，经纳米薄膜加工程序后，其峰谷最高和最低的落差为34.6nm。
本发明的主要优势在于1.低温加工，加工工艺简便、节省成本、缩短加工时程。
2.成膜性及均匀性好、密致性佳，可于常温加工。
3.不限施工场合，能轻易将纳米粉体溶胶材料应用于基材的表面涂布。
4.纳米涂层透光性好，不造成光线干涉现象。
5.纳米粉体溶胶材料能填入基材表面包括峰谷等所有部位，于基材表面形成一层完整性及连续性的纳米涂层。
图1.传统制备纳米薄膜的技术涂布时薄湿膜形成状态示意图。
图2.传统制备纳米薄膜的技术涂布的涂层干燥后薄膜状态示意图。
图3.本发明技术涂布的纳米涂层抛磨后成膜状态之示意图。
图4.本发明技术涂布的纳米涂层的均匀性与附着度示意图。
图中1薄湿膜、2基材、3干躁后薄膜具体实施方式
以下以实施例说明本发明内容，但本发明之范围并不只限于此等的例子实施例1.
清洁玻璃基材表面，去除表面油污，并改质使其亲水角小于20°。进行纳米薄膜加工程序，调制含0.9％二氧化钛纳米粉体溶胶材料，将玻璃表面，以擦涂法涂布于玻璃表面形成15～20μm湿膜，使用尼龙不织布材质，以手来回抛磨，抛磨频率约为每分钟20次的速度，向下抛磨加压力为0.1～0.2牛顿力/平方公分的操作参数，使纳米材料在玻璃基材表面形成一层具完整性及连续性的纳米薄膜，然后用滚涂的方式将上述纳米粉体溶胶材料均匀涂布在玻璃基材表面上，以70℃、10分钟进行表面预干；再以紫外光UV-C照射玻璃表面进行纳米薄膜固化程序，所使用的紫外光UV-C照射条件为照射于基材表面纳米薄膜上的强度0.2～0.3mW/cm2，照射时间45～60分钟；玻璃表面所制备的纳米薄膜其附着性的测试符合中国国家标准GB/T9286-1998测试规范之0级要求；并以原子力显微镜测得，玻璃基材表面纳米处理前，其峰谷最高和最低的落差为148.9nm，经纳米薄膜加工程序后，其峰谷最高和最低的落差为25.3nm。以相同的纳米粉体溶胶材料在不同基材及不同的操作条件所形成的纳米薄膜比较，其结果如表一所示。
表一不同基材表面制备纳米薄膜的比较
备注1.附着性测试以中国国家标准(GB/T9286-1998)作参考依据。
2.原子力显微镜扫瞄是以上海爱建纳米科技发展有限公司的AJ-III原子力显微镜量测。
实施例2.
清洁不锈钢基材表面，去除表面油污，并改质使其亲水角小于20°。进行纳米薄膜加工程序，调制含1.0％氧化锌纳米粉体溶胶材料，将上述纳米粉体溶胶材料，以擦涂法涂布于不锈钢板表面形成约20～25μm湿膜，使用尼龙不织布材质，以抛磨机抛磨，调整转速为650rpm，抛磨向下加压力为0.2～0.22牛顿力/平方公分的操作参数，使纳米材料在不锈钢基材表面形成一层具完整性及连续性的纳米薄膜，然后用滚涂的方式将上述纳米粉体溶胶材料均匀涂布在不锈钢板表面，而后以65～68℃、10分钟进行表面预干；再以紫外光照射不锈钢板表面进行纳米薄膜固化程序，所使用的UV-B紫外光照射条件为照射强度2.0～2.2mW/cm2，照射时间10分钟，不锈钢板表面所制备的纳米薄膜其附着性的测试符合中国国家标准GB/T9286-1998测试规范之0级要求；并以原子力显微镜测得，不锈钢基材表面纳米处理前，其峰谷最高和最低的落差为278.9nm，经纳米薄膜加工程序后，其峰谷最高和最低的落差为43.3nm。以相同的纳米粉体溶胶材料在不同基材及不同的操作条件所形成的纳米薄膜比较，其结果如表二所示。
表二不同基材表面制备纳米薄膜的比较
备注1.附着性测试以中国国家标准(GB/T9286-1998)作参考依据。
2.原子力显微镜扫瞄是以上海爱建纳米科技发展有限公司的AJ-III原子力显微镜量测。
实施例3.
清洁烤漆板基材表面，去除表面油污，并改质使其亲水角小于20°。进行纳米薄膜加工程序，调制1.5％氧化锡纳米粉体溶胶，将上述纳米粉体溶胶材料，以擦涂法涂布于烤漆板表面形成约25～30μm湿膜，以抛光机抛磨，调整转速为1150～1200rpm，抛磨向下加压力为0.05～0.06牛顿力/平方公分的操作参数，使纳米材料均匀在烤漆板基材表面形成一层完整性及连续性的纳米薄膜，以65～70℃、10分钟进行表面预干；再以紫外光照射烤漆板表面进行纳米薄膜固化程序，所使用的紫外光UV-C照射条件为照射强度1.5～1.55mW/cm2，照射时间10～30分钟；烤漆板表面所制备的纳米薄膜其附着性的测试符合中国国家标准GB/T9286-1998测试规范之0级要求；并以原子力显微镜测得，不锈钢基材表面纳米处理前，其峰谷最高和最低的落差为383.4nm，经纳米薄膜加工程序后，其峰谷最高和最低的落差为34.2nm。。以相同的纳米粉体溶胶材料在不同基材及不同的操作条件所形成的纳米薄膜比较，其结果如表三所示。
表三不同基材表面制备纳米薄膜的比较
备注1.附着性测试以中国国家标准(GB/T9286-1998)作参考依据。
2.原子力显微镜扫瞄是以上海爱建纳米科技发展有限公司的AJ-III原子力显微镜量测。
权利要求
1.一种低温程序制备纳米薄膜的方法，包括如下工序(1).纳米薄膜加工程序将纳米粉体溶胶材料涂布于清洗干净或改质过的基材表面形成一层厚度不大于60μm的纳米粉体溶胶湿膜，将上述的湿膜以向下加压力不小于0.01N/cm2、转速不小于20rpm或来回次数不小于10次/分的方式进行抛磨，于基材表面形成一层完整连续的纳米涂层，抛磨后得视需要进行后续纳米粉体溶胶涂布，涂布后的薄膜以自然干燥或以95℃以下低温的条件下进行表面预干；(2).纳米薄膜固化程序将经纳米薄膜加工程序处理的基材，以紫外光照射进行固化，照射的光源为波长介于200nm～290nm的UV-C，照射能量不小于0.1mW/cm2，照射时间不小于10分钟；或为波长介于290nm～320nm的UV-B，照射能量不小于0.4mW/cm2，照射时间不小于30分钟；或为其波长介于320nm～390nm的UV-A，照射能量不小于0.8mW/cm2，照射时间不小于30分钟。
2.按权利要求1所述的一种低温程序制备纳米薄膜的方法，其涂布方式可为滚涂法、擦涂法、刷涂法、提拉法、喷涂法、旋涂法中的任一种进行表面涂布。
3.按权利要求1所述的一种低温程序制备纳米薄膜的方法，可应用于其材料为为玻璃、塑胶、金属、陶瓷、有机高分子材料、烤漆板、瓷砖、石材、无机材料或以上材料的混合所制备的基材。
4.按权利要求1所述的一种低温程序制备纳米薄膜的方法，所述的清洗干净或改质基材表面，是使用洗涤剂洗去基材表面的有机物及其它污物，以适合作表面纳米涂布。
5.按权利要求1所述的一种低温程序制备纳米薄膜的方法，所述的表面抛磨，是以手工抛磨、电动或气动抛磨机具或自动化抛磨器材进行。
全文摘要
本发明涉及一种利用低温的处理程序，它包括纳米薄膜加工程序和纳米薄膜固化程序的工序，在被处理基材表面形成附着度良好的薄膜，使得纳米溶胶材料转化成附着性良好而致密的保护薄膜，以发挥纳米材料的特有功效的方法。能有效改善与基材间的附着性，并能具备生产工艺简易、低温加工、节省能源、成本低、投资省及安全环保等优点。
文档编号B05D3/06GK1958175SQ20061003024
公开日2007年5月9日 申请日期2006年8月21日 优先权日2006年8月21日
发明者黄建国 申请人:泉耀新材料科技(上海)有限公司