專利名稱：納米顆粒陣列為模版的雙組分雙層納米潤(rùn)滑薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自組裝納米潤(rùn)滑薄膜，尤其是一種納米顆粒陣列為模版的雙組分雙層納米潤(rùn)滑薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
近二十年里，因較低成本和優(yōu)異性能微納米光機(jī)電系統(tǒng)(M0EMS/N0EMS)獲得了飛速發(fā)展。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們不斷追求尺度小且性能完善的微型裝置，以滿足信息、生物、環(huán)境、醫(yī)學(xué)、航空航天和靈巧武器等領(lǐng)域的要求。這些趨勢(shì)對(duì)于現(xiàn)代制造科學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。然而，巨大的比表面積使得M0EMS/N0EMS的運(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)行中產(chǎn)生了嚴(yán)重粘著和微摩擦等問題，這些都直接影響了它正常運(yùn)行和使用壽命。目前，以數(shù)字微鏡設(shè)備(DMD)為代表的微納米光機(jī)電系統(tǒng)已獲廣泛應(yīng)用。因此，微納米光機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件的粘著、微摩擦以及磨損就成了摩擦學(xué)領(lǐng)域的重要研究課題。自組裝單層膜是近二十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型的有機(jī)超薄膜，自組裝單層膜作為M0EMS/N0EMS的理想的分子厚度潤(rùn)滑劑而倍受關(guān)注。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種摩擦學(xué)性能優(yōu)越的納米顆粒陣列為模版的雙組分雙層納米潤(rùn)滑薄膜的制備方法。為解決上述技術(shù)問題本發(fā)明采用如下技術(shù)方案納米顆粒陣列為模版的雙組分雙層納米潤(rùn)滑薄膜的制備方法，包括以下步驟<1>單組分自組裝雙層薄膜氨基化單晶硅表面的制備先將單晶硅片的單晶硅表面浸泡在piranha溶液中進(jìn)行羥基化；取出羥基化單晶硅片，依次在乙醇、丙酮溶液中超聲清洗，然后氮?dú)獯蹈?；吹干后的羥基化單晶硅片浸泡入末端氨基的硅烷偶聯(lián)劑溶液中進(jìn)行氨基化，取出依次在乙醇、丙酮溶液中超聲清洗；氨基化表面后的單晶硅片用提拉法浸入納米顆粒溶液中，然后緩慢提出；將長(zhǎng)碳鏈的烷基羧酸和氨基化的單晶硅片放置在可控溫的干燥箱中進(jìn)行氣相沉積過程；取出的樣品浸泡入正己烷中超聲清洗掉物理吸附層和納米顆粒；最后，在氮?dú)猸h(huán)境下干燥，即得；<2>雙組分在自組裝單層膜上的制備將全氟羧酸和經(jīng)步驟〈1>處理的單晶硅片放置在可控溫的干燥箱中進(jìn)行氣相沉積過程；取出的樣品浸泡入正己烷中超聲清洗掉物理吸附層；最后，在氮?dú)猸h(huán)境下干燥，即得。piranha溶液是由H2O2和濃H2SO4按體積比3 7的配制。羥基化溫度控制在80 100°C，持續(xù)時(shí)間為20 40分鐘。末端氨基的硅烷偶聯(lián)劑為三甲氧基硅氧烷、三氯硅烷、三乙氧基硅烷、全氟氧硅烷；末端氨基的硅烷偶聯(lián)劑溶液的濃度為5mM。
氨基化持續(xù)時(shí)間為22 26小時(shí)。提拉法的提拉速度為50 80um/min。納米顆粒為氧化鐵納米顆粒、二氧化娃納米顆粒、金納米顆粒、銀納米顆粒；納米顆粒溶液的質(zhì)量體積濃度為O. I % O. 5 %。步驟〈1>的氣相沉積過程溫度控制在70 90°C，持續(xù)時(shí)間為I 3小時(shí)；步驟〈2> 的氣相沉積過程在負(fù)壓條件下進(jìn)行，溫度控制在180 220°C，持續(xù)時(shí)間為I 3小時(shí)。長(zhǎng)碳鏈的燒基羧酸為5 18個(gè)碳的碳?xì)滏湡人?；全氟羧酸? 18個(gè)碳的
全氟羧酸。長(zhǎng)碳鏈的烷基羧酸為戊酸、月桂酸；全氟羧酸為全氟戊酸、全氟十二烷酸。本發(fā)明采用納米顆粒陣列為模版在羥基化的單晶硅表面分別使用液相法和氣相法制備雙組分雙層納米潤(rùn)滑薄膜，這種雙組分雙層自組裝膜的成分控制可由納米顆粒溶液的濃度或提拉速度控制。該法采用氣相法制備自組裝單分子膜，與液相法相比，克服了液相法易形成團(tuán)聚的缺點(diǎn)，形成的自組裝單分子膜完全由化學(xué)鍵形式鍵合在單晶硅表面，結(jié)合程度比較牢固，且形成的膜表面均勻光滑。制備的雙層納米膜是由潤(rùn)滑性能優(yōu)異的烷基羧酸與全氟羧酸以化學(xué)鍵鍵合在單晶硅表面形成的自組裝膜組成，結(jié)合了烷基羧酸長(zhǎng)壽命和全氟羧酸低表面能抗粘著的雙重優(yōu)點(diǎn)，因此所得的雙組分雙層納米潤(rùn)滑薄膜具有更好的摩擦學(xué)性能、潤(rùn)滑性優(yōu)異，極大地提高了單一自組裝單分子膜的承載能力、抗粘著和耐磨性， 并擴(kuò)展了自組裝單分子膜的用途。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施方式
詳細(xì)說明本發(fā)明。實(shí)施例I<1>戊酸單組分自組裝雙層薄膜氨基化單晶硅表面的制備先將單晶硅片的單晶硅表面浸泡在piranha溶液(由H2O2和濃H2SO4按體積比 3 7的配制)中進(jìn)行羥基化，溫度控制在90°C，持續(xù)時(shí)間為30分鐘；取出羥基化單晶硅片， 依次在乙醇、丙酮溶液中超聲清洗，然后氮?dú)獯蹈?；吹干后的羥基化單晶硅片迅速浸泡入濃度為5mM的三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑溶液中進(jìn)行氨基化，持續(xù)時(shí)間為24小時(shí)，取出依次在乙醇、 丙酮溶液中超聲清洗；氨基化表面后的單晶硅片用提拉法在提拉速度為80um/min條件下浸入質(zhì)量體積濃度為O. 2%的銀納米顆粒溶液中，然后緩慢提出；在干燥干凈開口的2ml玻璃容器中盛放O. 2ml的戊酸，然后，將盛有戊酸的玻璃容器和氨基化的單晶硅片放置在可控溫的干燥箱中進(jìn)行氣相沉積過程，溫度控制在80°C，持續(xù)時(shí)間為2小時(shí)；取出的樣品浸泡入正己烷中超聲清洗掉物理吸附層和納米顆粒；最后，在氮?dú)猸h(huán)境下干燥，即得；<2>雙組分在自組裝單層膜上的制備在干燥干凈開口的2ml玻璃容器中盛放O. 2ml的全氟戊酸，然后，將盛有全氟戊酸的玻璃容器和經(jīng)步驟〈1>處理的單晶硅片放置在可控溫的干燥箱中進(jìn)行氣相沉積過程，溫度控制在200°C，在負(fù)壓條件下持續(xù)時(shí)間為2小時(shí)；取出的樣品浸泡入正己烷中超聲清洗掉物理吸附層；最后，在氮?dú)猸h(huán)境下干燥，即得。實(shí)施例2<1>月桂酸單組分自組裝雙層薄膜氨基化單晶硅表面的制備
先將單晶硅片的單晶硅表面浸泡在piranha溶液(由H2O2和濃H2SO4按體積比 3 7的配制)中進(jìn)行羥基化，溫度控制在90°C，持續(xù)時(shí)間為30分鐘；取出羥基化單晶硅片， 依次在乙醇、丙酮溶液中超聲清洗，然后氮?dú)獯蹈?；吹干后的羥基化單晶硅片迅速浸泡入濃度為5mM的三甲氧基硅烷偶聯(lián)劑溶液中進(jìn)行氨基化，持續(xù)時(shí)間為24小時(shí)，取出依次在乙醇、 丙酮溶液中超聲清洗；氨基化表面后的單晶硅片用提拉法在提拉速度為60um/min條件下浸入質(zhì)量體積濃度為O. I %的銀納米顆粒溶液中，然后緩慢提出；在干燥干凈開口的2ml玻璃容器中盛放O. 2ml的月桂酸，然后，將盛有月桂酸的玻璃容器和氨基化的單晶硅片放置在可控溫的干燥箱中進(jìn)行氣相沉積過程，溫度控制在80°C，持續(xù)時(shí)間為2小時(shí)；取出的樣品浸泡入正己烷中超聲清洗掉物理吸附層和納米顆粒；最后，在氮?dú)猸h(huán)境下干燥，即得；<2>雙組分在自組裝單層膜上的制備在干燥干凈開口的2ml玻璃容器中盛放O. 2ml的全氟十二酸，然后，將盛有全氟十二酸的玻璃容器和經(jīng)步驟〈1>處理的單晶硅片放置在可控溫的干燥箱中進(jìn)行氣相沉積過程，溫度控制在200°C，在負(fù)壓條件下持續(xù)時(shí)間為2小時(shí)；取出的樣品浸泡入正己烷中超聲清洗掉物理吸附層；最后，在氮?dú)猸h(huán)境下干燥，即得。實(shí)施例3<1>月桂酸單組分自組裝雙層薄膜氨基化單晶硅表面的制備先將單晶硅片的單晶硅表面浸泡在piranha溶液(由H2O2和濃H2SO4按體積比 3 7的配制)中進(jìn)行羥基化，溫度控制在90°C，持續(xù)時(shí)間為30分鐘；取出羥基化單晶硅片， 依次在乙醇、丙酮溶液中超聲清洗，然后氮?dú)獯蹈?；吹干后的羥基化單晶硅片迅速浸泡入濃度為5mM的三氯硅烷偶聯(lián)劑溶液中進(jìn)行氨基化，持續(xù)時(shí)間為24小時(shí)，取出依次在乙醇、丙酮溶液中超聲清洗；氨基化表面后的單晶硅片用提拉法在提拉速度為80um/min條件下浸入質(zhì)量體積濃度為O. 5%的金溶膠納米顆粒溶液中，然后緩慢提出；在干燥干凈開口的2ml玻璃容器中盛放O. 2ml的月桂酸，然后，將盛有月桂酸的玻璃容器和氨基化的單晶硅片放置在可控溫的干燥箱中進(jìn)行氣相沉積過程，溫度控制在80°C，持續(xù)時(shí)間為2小時(shí)；取出的樣品浸泡入正己烷中超聲清洗掉物理吸附層和納米顆粒；最后，在氮?dú)猸h(huán)境下干燥，即得；其中，金溶膠納米顆粒溶液按如下制備將高氯酸金顆粒溶于去離子水中形成 ImM的高氯酸金水溶液，將其緩慢加熱至沸騰，迅速加入5mM的硼氫化鈉溶液，待溶液由無(wú)色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色，緩慢冷卻溶液至室溫保存，即得。<2>雙組分在自組裝單層膜上的制備在干燥干凈開口的2ml玻璃容器中盛放O. 2ml的全氟十二酸，然后，將盛有全氟十二酸的玻璃容器和經(jīng)步驟〈1>處理的單晶硅片放置在可控溫的干燥箱中進(jìn)行氣相沉積過程，溫度控制在200°C，在負(fù)壓條件下持續(xù)時(shí)間為2小時(shí)；取出的樣品浸泡入正己烷中超聲清洗掉物理吸附層；最后，在氮?dú)猸h(huán)境下干燥，即得。實(shí)施例4<1>月桂酸單組分自組裝雙層薄膜氨基化單晶硅表面的制備先將單晶硅片的單晶硅表面浸泡在piranha溶液(由H2O2和濃H2SO4按體積比 3 7的配制)中進(jìn)行羥基化，溫度控制在90°C，持續(xù)時(shí)間為30分鐘；取出羥基化單晶硅片，依次在乙醇、丙酮溶液中超聲清洗，然后氮?dú)獯蹈?；吹干后的羥基化單晶硅片迅速浸泡入濃度為5mM的三氯硅烷偶聯(lián)劑溶液中進(jìn)行氨基化，持續(xù)時(shí)間為24小時(shí)，取出依次在乙醇、
5丙酮溶液中超聲清洗；氨基化表面后的單晶硅片用提拉法在提拉速度為80um/min條件下浸入質(zhì)量體積濃度為O. 1%的四氧化三鐵納米顆粒去離子水溶液中，然后緩慢提出；在干燥干凈開口的2ml玻璃容器中盛放O. 2ml的月桂酸，然后，將盛有月桂酸的玻璃容器和氨基化的單晶硅片放置在可控溫的干燥箱中進(jìn)行氣相沉積過程，溫度控制在80°C，持續(xù)時(shí)間為 2小時(shí)；取出的樣品浸泡入去離子水中超聲清洗掉物理吸附層和納米顆粒；最后，在氮?dú)猸h(huán)境下干燥，即得；其中，四氧化三鐵納米顆粒按如下制備取油酸鐵O. 1798克放入雙頸瓶中，加入油酸3mL，油胺9mL，適量非是，合適磁棒攪拌120度油浴I小時(shí)，取出磁棒，換加熱套緩慢升溫3. 3度/分鐘至320度，加氮?dú)饨永淠芸刂茰囟确乐贡?，穩(wěn)定反應(yīng)30-60分鐘后，冷去至室溫。加入過量的乙醇離心沉淀(7200轉(zhuǎn)，20分鐘)，加適量己烷超聲清洗2分鐘。再用I : 3己烷乙醇洗滌兩次并離心沉淀(7200轉(zhuǎn)，20分鐘)真空干燥，即得。<2>雙組分在自組裝單層膜上的制備在干燥干凈開口的2ml玻璃容器中盛放O. 2ml的全氟十二酸，然后，將盛有全氟十二酸的玻璃容器和經(jīng)步驟〈1>處理的單晶硅片放置在可控溫的干燥箱中進(jìn)行氣相沉積過程，溫度控制在200°C，在負(fù)壓條件下持續(xù)時(shí)間為2小時(shí)；取出的樣品浸泡入正己烷中超聲清洗掉物理吸附層；最后，在氮?dú)猸h(huán)境下干燥，即得。經(jīng)測(cè)試，實(shí)施例I至4制得的雙組分雙層分子薄膜能摩擦系數(shù)為O. 13 O. 15，表面粘著力為3. 2 6· 5nN，單晶硅表面摩擦系數(shù)為O. 65，表面粘著力約為12nN。因此，該薄膜能減少表面摩擦力(側(cè)向力)約78%左右，能減少表面粘著力(法向力)46% 73%。
權(quán)利要求
1.一種納米顆粒陣列為模版的雙組分雙層納米潤(rùn)滑薄膜的制備方法，其特征在于包括以下步驟<1>單組分自組裝雙層薄膜氨基化單晶硅表面的制備先將單晶硅片的單晶硅表面浸泡在Piranha溶液中進(jìn)行羥基化；取出羥基化單晶硅片，依次在乙醇、丙酮溶液中超聲清洗，然后氮?dú)獯蹈?；吹干后的羥基化單晶硅片浸泡入末端氨基的硅烷偶聯(lián)劑溶液中進(jìn)行氨基化，取出依次在乙醇、丙酮溶液中超聲清洗；氨基化表面后的單晶硅片用提拉法浸入納米顆粒溶液中，然后緩慢提出；將長(zhǎng)碳鏈的烷基羧酸和氨基化的單晶硅片放置在可控溫的干燥箱中進(jìn)行氣相沉積過程；取出的樣品浸泡入正己烷中超聲清洗掉物理吸附層和納米顆粒；最后，在氮?dú)猸h(huán)境下干燥，即得；<2>雙組分在自組裝單層膜上的制備將全氟羧酸和經(jīng)步驟〈1>處理的單晶硅片放置在可控溫的干燥箱中進(jìn)行氣相沉積過程；取出的樣品浸泡入正己烷中超聲清洗掉物理吸附層；最后，在氮?dú)猸h(huán)境下干燥，即得。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米顆粒陣列為模版的雙組分雙層納米潤(rùn)滑薄膜的制備方法，其特征在于所述piranha溶液是由H2O2和濃H2SO4按體積比3 7的配制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米顆粒陣列為模版的雙組分雙層納米潤(rùn)滑薄膜的制備方法，其特征在于所述羥基化溫度控制在80 100°C，持續(xù)時(shí)間為20 40分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的納米顆粒陣列為模版的雙組分雙層納米潤(rùn)滑薄膜的制備方法，其特征在于所述末端氨基的娃燒偶聯(lián)劑為二甲氧基娃氧燒、二氯娃燒、二乙氧基娃燒、 全氟氧硅烷；所述末端氨基的硅烷偶聯(lián)劑溶液的濃度為5mM。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的納米顆粒陣列為模版的雙組分雙層納米潤(rùn)滑薄膜的制備方法，其特征在于所述氨基化持續(xù)時(shí)間為22 26小時(shí)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的納米顆粒陣列為模版的雙組分雙層納米潤(rùn)滑薄膜的制備方法，其特征在于所述提拉法的提拉速度為50 80um/min。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米顆粒陣列為模版的雙組分雙層納米潤(rùn)滑薄膜的制備方法，其特征在于所述納米顆粒為氧化鐵納米顆粒、二氧化娃納米顆粒、金溶膠納米顆粒、銀納米顆粒；所述納米顆粒溶液的質(zhì)量體積濃度為O. 1% O. 5%。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的納米顆粒陣列為模版的雙組分雙層納米潤(rùn)滑薄膜的制備方法，其特征在于所述步驟〈1>的氣相沉積過程溫度控制在70 90°C，持續(xù)時(shí)間為I 3小時(shí)；所述步驟〈2>的氣相沉積過程在負(fù)壓條件下進(jìn)行，溫度控制在180 220°C，持續(xù)時(shí)間為I 3小時(shí)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的納米顆粒陣列為模版的雙組分雙層納米潤(rùn)滑薄膜的制備方法，其特征在于所述長(zhǎng)碳鏈的烷基羧酸為5 18個(gè)碳的碳?xì)滏溚榛人?；所述全氟羧酸? 18個(gè)碳的全氟羧酸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的納米顆粒陣列為模版的雙組分雙層納米潤(rùn)滑薄膜的制備方法，其特征在于所述長(zhǎng)碳鏈的烷基羧酸為戊酸、月桂酸；所述全氟羧酸為全氟戊酸、全氟十二烷酸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米顆粒陣列為模版的雙組分雙層納米潤(rùn)滑薄膜的制備方法，該法采用納米顆粒陣列為模版在羥基化的單晶硅表面分別使用液相法和氣相法制備雙組分雙層納米潤(rùn)滑薄膜，這種雙組分雙層自組裝膜的成分控制可由納米顆粒溶液的濃度或提拉速度控制。制備的雙層納米膜是由潤(rùn)滑性能優(yōu)異的烷基羧酸與全氟羧酸以化學(xué)鍵鍵合在單晶硅表面形成的自組裝膜組成，結(jié)合了烷基羧酸長(zhǎng)壽命和全氟羧酸低表面能抗粘著的雙重優(yōu)點(diǎn)，因此所得的雙組分雙層納米潤(rùn)滑薄膜具有更好的摩擦學(xué)性能、潤(rùn)滑性優(yōu)異，極大地提高了單一自組裝單分子膜的承載能力、抗粘著和耐磨性，并擴(kuò)展了自組裝單分子膜的用途。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102584331SQ20121001481
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月18日
發(fā)明者盧朝霞, 楊茂立, 莫宇飛, 黃福川 申請(qǐng)人:廣西大學(xué)