专利名称：玻璃基片表面自组装硅烷纳米膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米薄膜的制备方法，尤其涉及一种玻璃基片表面自组装硅烷纳米膜的制备方法。属于薄膜制备领域。
背景技术：
随着现代科技的进步，机械制造工业正朝着微型化的方向发展。由于微型机械受尺寸效应的影响，微摩擦磨损已成为影响其发展的关键问题，自组装膜是解决这一问题的有效途径之一。自组装膜是通过把适当的基底浸入含有表面活性剂的溶液中，主要由化学吸附作用而生成的一种二维分子体系。自组装膜结构致密、稳定性高，并且具有高度有序性和取向性。自组装分子膜在保护镀层、催化剂、材料表面改性、生物传感器、电极改性、粘合剂等领域有着巨大的应用潜力，现已成为广泛研究的热点。但是有些自组装薄膜制备的过程相对比较繁琐，对环境的污染比较大，减摩耐磨效果也不是很好。
经文献检索发现，公开号为1358804的中国发明专利，公开了一种固体薄膜表面脂肪酸自组装单分子超薄润滑膜的制备方法，这种方法是在固体表面自组装一层脂肪酸的单分子层。选取易吸附于固体表面的脂肪酸，配制成稀溶液，将制得的陶瓷膜迅速浸入配置好的脂肪酸稀溶液于室温下反应24～48分钟。该方法在制备自组装薄膜的过程中需要24～96小时的时间来配制前驱体溶液，这样使得整个的成膜周期过长，而且在基片处理的过程中没有涉及到具体方法，并且该方法是制备了一种有机自组装薄膜，没有涉及到对薄膜性能的研究。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种玻璃基片表面自组装硅烷纳米膜的制备方法，使其解决微机械系统的摩擦学问题，制备工艺简单，自组装成的薄膜具有良好的减摩性能。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用表面经过羟基化处理的玻璃基片作为基底材料，在其表面采用自组装方法制备硅烷纳米膜，方法如下首先，玻璃基片的预处理采用羟基化处理方法。将玻璃基片浸入Pirahan溶液(H2SO4∶H2O2＝70∶30，V/V)中，于室温下处理60分钟，再用去离子水超声清洗后，放在一个防尘装置内，在烘箱中干燥，干燥温度没有特殊要求。这样的时间和温度下处理出来的玻璃基片羟基化非常完全而且玻璃基底很平整，没有被腐蚀。将处理后的玻璃基片浸入配置好的γ-巯丙基三甲氧基硅烷溶液中，静置40～60分钟。取出后，分别用氯仿、丙酮、去离子水超声清洗，去除表面物理吸附的溶剂后，在100～120℃下保温30～60分钟，再在干燥器中冷却。再将玻璃基片浸入配置好的γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷溶液中，静置5～15分钟。取出后，分别用氯仿、丙酮、去离子水冲洗，去除表面物理吸附的溶剂后，用氮气吹干，即获得硅烷纳米膜。
本发明采用的硅烷为γ-巯丙基三甲氧基硅烷和γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷。γ-巯丙基三甲氧基硅烷溶液的摩尔浓度为0.1～1.2mmol/L，溶剂为苯。γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷溶液的摩尔浓度为0.1～1.2mmol/L，溶剂为苯。
本发明采用在羟基化的玻璃基片上自组装硅烷纳米膜，由于玻璃基片表面已经进行羟基化处理，所以γ-巯丙基三甲氧基硅烷和γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷分子均含有可水解的活性基团，能通过化学键Si-O与具有活性基团Si-OH的基底材料相结合，形成网状结构，获得硅烷纳米膜。
本发明工艺简单，成本低，对环境无污染，自组装成的薄膜达到纳米级别，成膜性好。在玻璃基片表面制备的硅烷纳米膜可以将摩擦系数从无膜时的0.8降低到0.15，具有明显的减摩作用。此外硅烷纳米膜还具有良好的抗磨损性能，有望成为微机械理想的边界润滑膜。
具体实施例方式
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例1
首先，玻璃基片的预处理，玻璃基片采用羟基化处理。处理方法将玻璃基片浸入Pirahan溶液(H2SO4∶H2O2＝70∶30，V/V)中，于室温下处理60分钟，再用去离子水超声清洗后，放在一个防尘装置内在烘箱中干燥，干燥温度没有特殊要求。这样的时间和温度下处理出来的玻璃基片羟基化非常完全而且玻璃基底很平整，没有被腐蚀。将处理后的玻璃基片浸入配置好的γ-巯丙基三甲氧基硅烷溶液中，静置40分钟。所述γ-巯丙基三甲氧基硅烷溶液的摩尔浓度为0.1mmol/L，溶剂为苯。取出后，分别用氯仿、丙酮、去离子水超声清洗，去除表面物理吸附的溶剂后，在120℃下保温60分钟，再在干燥器中冷却。再将基片浸入配置好的γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷溶液中，静置5分钟。所述γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷溶液的摩尔浓度为0.1mmol/L，溶剂为苯。取出后，分别用氯仿、丙酮、去离子水冲洗，去除表面物理吸附的溶剂后，用氮气吹干，即获得硅烷纳米膜。
采用NanoScope IIIa原子力显微镜、L116E型椭圆偏振光测量仪和PHI-5702型X光电子能谱仪(XPS)来表征所得薄膜的表面形貌、厚度和化学成分。采用点接触纯滑动微摩擦性能测量仪测量薄膜摩擦系数。
表征的结果表明在玻璃基片上自组装成的硅烷薄膜的膜厚在8～15nm之间。XPS测试图表明在玻璃基片表面自组装成了硅烷薄膜，且看不到二氧化硅的指标，说明玻璃基片的表面都覆盖了一层硅烷薄膜。在点接触纯滑动微摩擦性能测量仪上分别测量干净玻璃基片和玻璃基片表面组装硅烷薄膜的摩擦系数。在玻璃基片表面制备的硅烷薄膜可以将摩擦系数从无膜时的0.8降低到0.15，具有十分明显的减摩作用。
实施例2首先，玻璃基片的预处理，玻璃基片采用羟基化处理。处理方法将玻璃基片浸入Pirahan溶液(H2SO4∶H2O2＝70∶30，V/V)中，于室温下处理60分钟，再用去离子水超声清洗后，放在一个防尘装置内在烘箱中干燥，干燥温度没有特殊要求。这样的时间和温度下处理出来的玻璃基片羟基化非常完全而且玻璃基底很平整，没有被腐蚀。将处理后的玻璃基片浸入配置好的浓度为0.6mmol/L的γ-巯丙基三甲氧基硅烷溶液中，静置60分钟。取出后，分别用氯仿、丙酮、去离子水超声清洗，去除表面物理吸附的溶剂后，在100℃下保温45分钟，再在干燥器中冷却。再将基片浸入配置好的浓度为0.6mmol/L的γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷溶液中，静置10分钟。取出后，分别用氯仿、丙酮、去离子水冲洗，去除表面物理吸附的溶剂后，用氮气吹干，即获得硅烷纳米膜。
采用实施例1中的表征手段对所得的薄膜质量进行评价。
表征的结果表明在玻璃基片上自组装成的硅烷薄膜的膜厚在10～17nm之间。XPS测试图表明在玻璃基片表面自组装成了硅烷薄膜，且看不到二氧化硅的指标，说明玻璃基片的表面都覆盖了一层硅烷薄膜。
实施例3首先，玻璃基片的预处理，玻璃基片采用羟基化处理。处理方法将玻璃基片浸入Pirahan溶液(H2SO4∶H2O2＝70∶30，V/V)中，于室温下处理60分钟，再用去离子水超声清洗后，放在一个防尘装置内在烘箱中干燥，干燥温度没有特殊要求。这样的时间和温度下处理出来的玻璃基片羟基化非常完全而且玻璃基底很平整，没有被腐蚀。将处理后的玻璃基片浸入配置好的浓度为1.1mmol/L的γ-巯丙基三甲氧基硅烷溶液中，静置50分钟。取出后，分别用氯仿、丙酮、去离子水超声清洗，去除表面物理吸附的溶剂后，在110℃下保温45分钟，再在干燥器中冷却。再将基片浸入配置好的浓度为1.1mmol/L的γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷溶液中，静置15分钟。取出后，分别用氯仿、丙酮、去离子水冲洗，去除表面物理吸附的溶剂后，用氮气吹干，即获得硅烷纳米膜。
采用实施例1中的表征手段对所得的薄膜质量进行评价。
表征的结果表明在玻璃基片上自组装成的硅烷薄膜的膜厚在15～22nm之间。XPS测试图表明在玻璃基片表面自组装成了硅烷薄膜，且看不到二氧化硅的指标，说明玻璃基片的表面都覆盖了一层硅烷薄膜。
权利要求
1.一种玻璃基片表面自组装硅烷纳米膜的制备方法，其特征在于，首先对玻璃基片进行羟基化预处理，将玻璃基片浸入H2SO4∶H2O2体积比为70∶30的Pirahan溶液中，于室温下处理60分钟，用去离子水超声清洗后，放在一个防尘装置内，在烘箱中干燥，然后将处理后的玻璃基片浸入配置好的γ-巯丙基三甲氧基硅烷溶液中，静置40～60分钟取出，分别用氯仿、丙酮、去离子水超声清洗后，在100～120℃下保温30～60分钟，再在干燥器中冷却，再将玻璃基片浸入配置好的γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷溶液中，静置5～15分钟取出，然后分别用氯仿、丙酮、去离子水冲洗，用氮气吹干，即获得硅烷纳米膜；其中，所述γ-巯丙基三甲氧基硅烷溶液的摩尔浓度为0.1～1.2mmol/L，溶剂为苯；所述γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷溶液的摩尔浓度为0.1～1.2mmol/L，溶剂为苯。
全文摘要
本发明涉及一种玻璃基片表面自组装硅烷纳米膜的制备方法，属于薄膜制备领域。首先对玻璃基片进行羟基化预处理，将玻璃基片浸入Pirahan溶液中，于室温下处理60分钟，再用去离子水超声清洗后，放在一个防尘装置内，在烘箱中干燥。将处理后的玻璃基片浸入配置好的γ－巯丙基三甲氧基硅烷溶液中，静置40～60分钟取出，清洗后在100～120℃下保温30～60分钟，在干燥器中冷却。再将玻璃基片浸入配置好的γ－甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷溶液中，静置5～15分钟取出，清洗后用氮气吹干，即获得硅烷纳米膜。本发明工艺方法简单，在玻璃基片表面制备的硅烷纳米膜有明显减摩作用和抗磨损性能。
文档编号C03C17/30GK1887758SQ20061002914
公开日2007年1月3日 申请日期2006年7月20日 优先权日2006年7月20日
发明者程先华, 蒋喆 申请人:上海交通大学