专利名称：离子自组装薄膜的制备工艺及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及离子薄膜的制备，特别是离子自组装单层薄膜和复合多层薄膜的制备。
背景技术：
随着光光学电子学、信息科学和传感器技术快速发展，光电功能薄膜的研究受到广泛重视。在现阶段用于研制光电功能薄膜的方法主要有磁控溅射法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法等，目前光纤传感技术快速发展的时代，而由于光纤传感具有不同于光纤通信的特点，因而对于波导薄膜有不同的要求。光纤传感技术使用多种薄膜，包括有机膜、无机膜和生物分子膜，要求薄膜对物理、化学、光学、磁学、力学、生物、气体等各种类有敏感作用，而传统的制备方法难以用于制备成分复杂、种类多样、性能各异的薄膜。例如，离子自组装成膜技术是一种常温、常压成膜技术，能以生物大分子制备生物传感功能薄膜，而一些高温成膜技术则无法应用于这类薄膜的制备。离子自组装薄膜是一种超薄膜制备技术，应用该技术制备聚电解质、胶体的复合薄膜，复合薄膜表面均匀度在纳米量级上可控；此外，离子自组装薄膜技术能控制薄膜厚度方向上的成份与结构，能将不同功能的材料复合在一起，制备多层、多功能薄膜。标准单模光纤纤芯的直径只有9μm级，标准多模光纤纤芯的直径也只有62.5μm，在其端面成模为“点成膜”，技术难度大，一些传统的薄膜制备技术在光纤这种特定的基底上批量成膜有较大难度。采用离子自组装成膜技术能在光纤端面实现“点成膜”，能一次在几十根、上百根光纤上成膜，从而实现批量生产。
本发明的目的采用离子自组装薄膜技术能大面积成膜，对于基片的大小没有限制；能有效地控制薄膜的，并达到纳米量级；在薄膜厚度方向上的膜层序列可控，可以允许不同材料组装到薄膜中，从而控制薄膜厚度方向上的成份与结构，并使薄膜具有特殊的性能；另外可制备成份复杂、功能各异、用途不同的薄膜多组分层、多功能光电功能薄膜和传感器敏感薄膜；该方法成本低，能实现自动化操作进行批量化生产。
发明内容
离子自组装薄膜技术主要是以聚电解质，金属或无机纳米粒子为原料，通过静电吸引，将聚电解质和/或荷电纳米粒子逐层组装到基片上，从而形成纳米结构功能薄膜。具体方法是把表面带负电荷的基片浸入阳离子聚合物水溶液中，在静电引力的作用下，阳离子聚电解质吸附到基片表面，此时被阳离子聚电解质所覆盖的基片外表面的净电荷变为正电荷。将基片从阳离子聚合物水溶液中取出，用去离子水清洗后，再浸入阴离子聚合物水溶液中，由于静电引力的作用，阳离子聚电解质的表面，吸附阴离子聚电解质，同时外表面的净电荷变为负电荷。将基片从阴离子聚合物水溶液中取出后，用去离子水清洗，循环重复以上过程，即可制成多层自组装膜，本发明的工作原理是将夹有试件夹具置于初始的位置上，在pc机或单片机的指令下开始运转，将试件下降到试剂中，启动电机并带动试剂中搅拌子旋转，进行镀膜，再提升夹具和试剂并旋转60度，下降到去离子水进行漂洗，漂洗后上升，并再旋转60度到冲淋处，试件下降，同时漂洗杯放水，放空后，启动进水，启动冲淋后再启动气流将试件风干，直至进水完成，旋转电机回到初始位置。在密封壳体表面平台上安放4个可移动并且可互换的容器，第5个为漏斗型容器，为冲淋和风干工位。每个容器下面固定在电机轴上的钕镍钴永久磁铁构成磁场，当电机转动时永久磁铁转动形成回转磁场，驱动磁力搅拌子转动，从而使液体得到搅拌。
四以下结合附图对本发明作进一步说明。
图1 本发明工艺流程2 本发明装置的示意3 其它材料形式的镀件图4 其它结构形式的风刀、水刀图5 5个容器在封装平台上放置的位置示意6 多层离子自组装薄膜组装过程示意图1-电路板 2-磁铁 3-电机 4-电机 5-搅拌子6-连轴器 7-磁铁 8-电机 9-调速按钮 10-蜗杆11-蜗轮 12-搅拌子 13-磁铁14-电机 15-电磁阀16-搅拌子 17-磁铁 18-电机19-电磁阀20-容器(玻璃、塑料或不锈钢材料) 21-供水管
22-工件(被化学清洗或镀膜) 23-夹具 24-容器25-齿条26-齿轮 27-排水孔28-风刀 29-减速箱30-横梁31-电机 32-旋转主轴 33-水刀 34-容器35-电磁阀 36-封装盒37-容器 38-供水管39-电磁阀40-搅拌子 41-容器 42-电磁阀5个容器37、24；20、41；34按图4所示方位置于封装盒36表面平台上。
A1表示容器24的正上方位置，容器24里装有镀液A；A2表示容器20的正上方位置；A3表示风刀28的正上方位置；B1表示容器37的正上方位置，水杯31里装有镀液B；B2表示容器41的正上方位置；B3表示水刀33的正上方位置；五、具体实施方法在密闭壳体中装有电路板1，它一端外接电源、pc机；调速按钮9通过电线分别与电机3、4、8、18，及电机轴上的钕镍钴永久磁铁构成磁场，当电机旋转时，永久磁铁形成的磁场变成回转磁场，从而使液体得到搅拌。分别驱动搅拌子5、12、16、41旋转的电机8及其上面的磁7、电机14及其上面的磁铁13、电机18及其上面的磁铁17、电机3及其上面的磁铁2，均置于封装盒36内。
电磁阀19、35、42，及15、39分别作用于进水管21、出水管38，供水管21、38分别置于容器20、41旁；水刀28、风刀33分别置于容器34的两旁，用于冲淋和风干。进水管21、出水管38分别置于容器20、41旁；其出水端口穿过封装盒36侧面板上的小孔，而位于封装盒36外部。
电机4，通过连轴器6，驱动蜗杆10，蜗杆10带动蜗轮11转动。蜗轮11固定在主轴32上，从而主轴32可以顺、逆时针方向自由旋转。带动齿条25封装在横梁31内，齿条25嵌入横梁31竖直孔中，齿条25的下方连接材料。横梁30，横装在竖直主轴32上。电机31、减速箱29、齿轮26及齿条25均封装于旋转主轴32的横梁30里，齿条25则嵌入横梁30里的竖直孔中。它们随工件17一起绕主轴32回转。工件22通过夹具23，悬挂在齿条25的下方。调速按钮9，置于封装盒30侧面板上。为便于控制，设定A1位为起始工作位，在实现A试剂的镀制时，工件将逆时针运行由A1→A2→A3，当A试剂镀膜成功后，工件顺时针返回A1，随后进行B试剂的镀制，这时工件先由A1，顺时针转到B1，然后顺时针由B1→B2→B3，，直至将B试剂镀膜成功，镀好膜的工件可在B3工位取下，装置随即逆时针回转，至A1停止。
实施例1以光纤表面镀膜我们将分别盛有镀液A、B的容器24、37置于平台上的A1、B1位置。接通电源，整个系统在载有pc机固化程序的电路板2的指令下开始运转。电机31启动，它通过减速箱29，驱动齿轮26，带动齿条25作下降运动，从而使工件22下移。
如果要在光纤表面镀膜，则只需将工件22，改换成光纤夹具。工件22浸入正下方容器18中的镀液A里。电机31即停止运转，同时，电机14开始驱动磁铁13旋转，从而带动容器24中的搅拌子12旋转，其中搅拌子12的转速可通过调速按钮9手动调节。
电机31再次启动，它驱动工件22作上升运动，同时电机14停止运转，搅拌子12即停止旋转，工件22上升到初始位置A1，电机31即停止运转。电机4，通过连轴器6，驱动蜗杆10，蜗杆10带动蜗轮11转动。蜗轮11固定在主轴32上，从而主轴32可以顺、逆时针方向自由旋转，电机4启动，它驱动旋转主轴32牵引工件22，逆时针方向旋转60°，工件22到达位置A2。电机4即停止运转。这时阀门15自动打开，供水管21开始给容器20中加化学清洗液，同时电机18开始驱动磁铁17旋转，从而带动容器20中的搅拌子16旋转。其中，搅拌子16的转速可通过调速按钮9手动调节。1分钟后，阀门15自动关闭，同时电机31启动，它驱动齿条25下降，工件22浸入容器20的化学清洗液中，被清洗液洗涤，电机31即停止运转。
电机31再次启动，它驱动工件22作上升运动，同时阀门15自动打开，开始将容器20中的残液排出。电机18停止运转，搅拌子16即停止旋转，工件22回到位置A2，电机31即停止运转，同时电机4启动。旋转主轴32牵引工件22，逆时针方向旋转90°。24秒钟后，工件22到达A3位置。电机4即停止运转，这时阀门35自动打开，开始给水刀33冲水，刀口处即喷出水雾。根据实际需要，风刀28、水刀33还可设计成如图3所示的环状结构。同时电机31启动，它驱动齿条25下降，5秒钟后工件22下移到水刀33的刀口处，工件22即被水雾洗涤。电机31即停止运转。
一般在10秒钟后，阀门35自动关闭，同时，气瓶阀门35打开，开始给风刀28供气，风刀28向工件22喷射气流。延时后，气瓶阀门35关闭，停止向风刀28供气，同时电机31再次启动，它驱动工件22作上升运动，5秒钟后，工件22回到A3的位置，电机31即停止运转，同时电机4启动。旋转主轴32牵引工件22，顺时针方向旋转150°。延时后，工件22回到初始A1位置。电机31即停止运转。
下面接着介绍，给工件22再镀上第2层膜的过程。
电机4启动，主轴32牵引工件22顺时针方向旋转60°，工件22到达B1位置，电机4即停止运转，电机31启动，它驱动齿条25下降，工件22浸入正下方容器37中的镀液B里，电机31即停止运转，电机8开始驱动磁铁7旋转，从而带动容器37中的搅拌子5旋转。其中，搅拌子5的转速可通过调速按钮9手动调节，电机31再次启动，它驱动工件22作上升运动，电机8停止运转，工件22回到位置B1。电机31即停止运转。
重复前过程，工件22的第1道镀膜工艺流程，对称相似。启动电机4，旋转主轴32牵引工件22，顺时针方向旋转60°。当工件22到达位置B2，电机4即停止运转。这时，阀门39自动打开，供水管38开始给容器41中加化学清洗液。电机3开始驱动磁铁2旋转，从而带动容器41中的搅拌子40旋转。其中，搅拌子40的转速可通过调速按钮9手动调节。延时后，阀门39自动关闭，电机31启动，它驱动齿条25下降，工件22浸入容器41中的化学清洗液里，被清洗液洗涤。电机31即停止运转。
5分钟后，电机31再次启动，它驱动工件22作上升运动，阀门15自动打开，开始将容器20中的残液排出。电机18停止运转，搅拌子16即停止旋转。5秒钟后工件22回到B2的位置。电机31即停止运转，电机4启动，旋转主轴32牵引工件22，顺时针方向旋转90°。24秒钟后，工件22到达位置B3，电机4即停止运转，这时阀门35自动打开，开始给水刀33冲水，刀口处即喷出水雾。电机31启动，它驱动齿条25下降，工件22下移到水刀33的刀口处，工件22即被水雾洗涤，电机31即停止运转。
一般在10秒钟后，阀门35自动关闭，同时气瓶阀门打开，开始给风刀28供气，风刀28向工件22喷射气流。10秒钟后，气瓶阀门关闭，停止向风刀28供气，电机31再次启动，它驱动工件22作上升运动，工件22回到B3的位置。电机31即停止运转，电机4启动。旋转主轴32牵引工件22，顺时针方向旋转150°。40秒钟后，工件22回到初始位置A1，电机31即停止运转。
至此，工件22的第2道镀膜工艺流程全部结束。
值得一提的是上述工艺流程中的每道工序之间的顺序并不是固定不变的，而每道工序也并非必不可少。可根据实际应用的需要，灵活的加以运用。
举个例子，如果镀到工件22上的镀液具有较强的挥发性，比如酒精，那么，工件22就没有必要被漂洗、水刀33冲淋，而只需被浸泡、风刀28风干即可。
如果镀到工件22上的镀液很浓稠，在工件22表面上堆积的很厚，那么，工件22被浸泡后，需要先被水刀33冲淋，再依次经过漂洗、冲淋过程。
根据实际需要，如果要在工件上镀上第3、第4.....层膜，则只需相应的将容器24、容器37中的镀液A、B，改换成C、D、E…即可。膜层结构可表示为A，即单层膜；ABABAB…，即二组分多层复合膜；ABCABCABC…，即三组分多层复合膜；ABCDABCDABCD…，即四组分多层复合膜。以此类推。
权利要求
1.离子自组装薄膜的制备工艺，其特征在于将表面带负电荷的基片浸入阳离子聚合物水溶液中，在静电引力的作用下，阳离子聚电解质吸附到基片表面，此时被阳离子聚电解质所覆盖的基片外表面的净电荷变为正电荷，将基片从阳离子聚合物水溶液中取出，清洗后，在侵入阴离子聚合物水溶液中，由于静电引力的作用，阳离子聚电解质的表面，同时外表面的静电荷变为负电荷，将基片从阳离子聚合物水溶液中取出后，在用离子水清洗，不断重复以上过程，即可制成复合或多层的自组装膜.
2.离子自组装薄膜清洗镀膜装置，其特征在于在密闭壳体的表面平台上，安放4个可移动的并可互换的容器，第5个为漏斗型容器，在密闭壳体中装有电路板(1)，它一端外接电源、pc机；调速按钮(9)通过电线分别与电机(3)、(4)、(8)、(18)，及电机轴上的钕镍钴永久磁铁构成磁场，当电机旋转时，永久磁铁形成的磁场变成回转磁场，从而使液体得到搅拌。分别驱动搅拌子(5)、(12)、(16)、(41)旋转的电机(8)及其上面的磁(7)、电机(14)及其上面的磁铁(13)、电机(18)及其上面的磁铁(17)、电机(3)及其上面的磁铁(2)，均置于封装盒(36)内，电磁阀(19)、(35)、(42)，及(15)、(39)分别作用于进水管(21)、出水管(38)，供水管(21)、(38)分别置于容器(20)、(41)旁；水刀(28)、风刀(33)分别置于容器(34)的两旁，用于冲淋和风干。进水管(21)、出水管(38)分别置于容器(20)、(41)旁；其出水端口穿过封装盒(36)侧面板上的小孔，而位于封装盒(36)外部，电机(4)，通过连轴器(6)，驱动蜗杆(10)，蜗杆(10)带动蜗轮(11)转动。蜗轮(11)固定在主轴(32)上，从而主轴(32)可以顺、逆时针方向自由旋转.带动齿条(25)封装在横梁(31)内，齿条(25)嵌入横梁(31)竖直孔中，齿条(25)的下方连接材料。横梁(30)，横装在竖直主轴(32)上。电机(31)、减速箱(29)、齿轮(26)及齿条(25)均封装于旋转主轴(32)的横梁(30)里，齿条(25)则嵌入横梁(30)里的竖直孔中。它们随工件(17)一起绕主轴(32)回转。工件(22)通过夹具(23)，悬挂在齿条(25)的下方。调速按钮(9)，置于封装盒(30)侧面板上。
全文摘要
本发明是离子自组装薄膜的制备工艺及设备，主要是通过静电吸引，将聚电解质和/或荷电纳米粒子遂层组装到基片上，从而形成纳米结构功能薄膜。其方法是将表面带负电荷的基片浸入在可移动的容器中，将阳离子吸附到基片表面，通过连轴器驱动蜗杆，带动主轴旋转，主轴横梁上安装一减速装置和齿条，它可随主轴一同旋转，也可自由升降，齿条下方装有夹具，夹具夹住镀膜工件。本发明可以镀制各种类型的部件和两种以上的复合薄膜，其特点是操作方便、性能可靠、工作效率高、重复性好的特点并可自动完成浸泡、漂洗、冲淋及风干程序和重复进行工作。
文档编号B05C3/02GK1546241SQ20031011152
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月5日 优先权日2003年12月5日
发明者姜德生, 余海湖, 李先立, 李小甫, 戴珩 申请人:武汉理工大学