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技术

本发明专利技术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。本发明专利技术以易吸附于固体表面的脂肪酸为原料，利用溶液中活性基团在某些固体（银和氧化铝）薄膜表面上的化学吸附性质，采用溶胶－凝胶法制备固体薄膜并在其上自组装稳定、有序且具有低表面能的单分子脂肪酸超薄膜。其特点是：原料毒性小，价格低；薄膜致密、均匀，表面相对粗糙度低；制备过程简单易操作；薄膜抗磨减摩以及抗粘着性能好。摩擦、磨损试验结果表明：本发明专利技术所涉及的脂肪酸单分子膜与固体薄膜具有很好的结合性能，并且具有良好的减摩、抗磨和抗粘着性能，有望成为解决微型机械中材料的保护和润滑问题的有效手段。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
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
：本专利技术涉及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。
技术介绍
：固体薄膜(主要是金属薄膜和陶瓷薄膜)材料硬度高，化学稳定性好，可以在腐蚀性、高低温、强辐射等苛刻环境下用作防护材料；在微型电子机械系统(简记为MEMS)或微型机械(Micro machine)以及磁记录系统中用作减摩或抗磨材料。但是，由于微型机械的结构尺寸的微小型化，其表面积与体积的比例显著增大，相对于内力和重力而言，静电作用力和摩擦力成为需要优先考虑的对象，在这种系统中粘着问题可能成为控制机械性能优劣的重要因素。近年来发展起来的自组装单分子超薄膜润滑技术可望成为解决MEMS系统粘着问题的有效手段。近二十年来，自组装作为制备有序超薄膜的新型技术成为研究的热点。这是因为自组装技术将活性分子通过化学键吸附在异相界面上，从而使自组装膜(Self-Assembed Monolayers，SAMs)具有一定-->的化学稳定性和热力学稳定性。目前研究较多的自组装体系是有机硅烷类在硅、二氧化硅或玻璃表面的组装，烷基硫醇或烷基二硫醇类在金、银及铜表面的组装，羧酸在银、铜及铝表面的组装，羟肟酸在金属氧化物表面的组装，以及醇和胺在铂表面的组装等体系。溶胶-凝胶法具有成膜均匀、化学计量比准确、热处理温度相对较低、工艺设备简单以及成本低等优点，被认为是目前最有效的制备固体薄膜的技术之一。
技术实现思路
：本专利技术的目的是提供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，以解决微型机械中材料的保护和润滑问题。本专利技术的制备方法依次包括以下两个步骤：(一)固体薄膜的制备：(1)银无机盐和还原剂丹宁酸溶解于蒸馏水中混匀并加热到   70～80℃，然后加入弱碱溶液并搅拌，调节pH＝4～5，制得的溶   液于水浴中陈化24～96h得到茶色的银基前驱体溶胶；(2)以载玻片或单晶硅片作基底，使用前进行彻底清洗；(3)将制得的银溶胶用浸渍-提拉法在载玻片或单晶硅底材上制备   溶胶薄膜，制膜温度15～25℃，相对湿度40％～60％，控制提拉-->   速度处于10～90cm/min范围内以获得均匀的溶胶薄膜；(4)将溶胶薄膜在空气中于室温～70℃下干燥，然后加热至   260～280℃并保温20～30min，最后自然冷却至室温，即获得   所需固体薄膜。(二)固体薄膜表面脂肪酸自组装单分子有机膜的制备：(1)选取易吸附于固体薄膜表面的脂肪酸配制成稀溶液；将制得的   固体薄膜迅速浸入配制好的脂肪酸稀溶液中于室温下反应   24～48h；(2)取出后经相应的溶剂彻底清洗并吹干，即得到具有一定有序性   的有机单分子超薄膜。本专利技术的制备方法也可以依次包括以下两个步骤：(一)固体薄膜的制备：(1)铝有机盐和稳定络合剂溶解于无水异丙醇中，用酸调节   pH＝1～3，将制得的溶液在室温下搅拌一定时间后，升温至80℃   并继续搅拌2h后在水浴中陈化24～72h，得到橙黄色的氧化   铝基前驱体溶胶；(2)在溶胶中加入有机成膜助剂以控制溶胶薄膜溶剂的挥发速度；(3)以载玻片或单晶硅片作基底，使用前充分清洗；-->(4)将制得的氧化铝溶胶用浸渍-提拉法在载玻片或单晶硅底材上   制备溶胶薄膜，制膜温度15～25℃，相对湿度40％～60％，控制提   拉速度处于10～90cm/min范围内以获得溶胶薄膜；(5)溶胶薄膜在空气中室温～70℃干燥，然后加热至500～550℃并保   温10～15min，最后自然冷却至室温，获得陶瓷薄膜。(二)固体薄膜表面脂肪酸自组装单分子有机膜的制备：(1)选取易吸附于固体薄膜表面的脂肪酸，配制成稀溶液；将制得   的固体薄膜迅速浸入配制好的脂肪酸稀溶液中于室温下反应   24～48h；(2)取出后经相应的溶剂彻底清洗并吹干，即得到具有一定有序性   的有机单分子超薄膜。本专利技术所用还原剂丹宁酸的添加量为银无机盐摩尔数的0.01～0.03倍；所涉及的弱碱溶液为Na2CO3或NaHCO3溶液；本专利技术所涉及的脂肪酸是二十酸、十六酸、癸酸，它们在银薄膜表面具有良好的化学吸附特性，与基底的结合力较强(离子键)；所涉及的溶剂为正己烷或2-甲基戊烷。本专利技术所涉及的稳定络合剂是乙酰丙酮或柠檬酸，其添加量为铝有机盐摩尔数的1～2倍；本专利技术所涉及的有机成膜助剂是聚乙烯醇或-->聚乙二醇，有机成膜助剂的添加量为前驱体溶胶体积量的0.1％～1.0％；本专利技术所涉及的脂肪酸是二十酸、十六酸、癸酸，它们在氧化铝薄膜表面具有良好的化学吸附特性，与基底的结合力较强(离子键)。所用溶剂为正己烷或2-甲基戊烷。本专利技术所涉及的银薄膜具有良好的摩擦学性能，可以用作减摩、抗磨保护性涂层。本专利技术所涉及的脂肪酸单分子膜具有良好的减摩、抗磨和抗粘着性能。采用的试验方法如下：摩擦磨损试验在日本协和株式会社生产的动静摩擦系数测定仪上进行。滑动速度90mm.min-1，单向滑动行程为9mm，法向负荷为0.5N。偶件选用φ3的GCr15钢球和Si3N4陶瓷球。在室温及相对湿度RH＝40％～45％条件下进行测定。摩擦磨损试验结果表明，GCr15钢球与洁净的单晶硅及玻璃表面对摩时摩擦系数较高，分别约为0.70和0.85，Si3N4陶瓷球与洁净的单晶硅及玻璃表面对摩时摩擦系数分别约为0.67和0.80。0.5N负荷下Ag/GCr15钢摩擦磨损试验结果表明：单晶硅表面涂敷Ag薄膜后摩擦系数降低为0.26-0.28，随着滑动次数的增加，摩擦系数趋于稳定。涂敷银薄膜的单晶硅表面形成脂肪酸自组装单分子膜后，摩擦系数进一步降低至约0.09；涂敷银薄膜的玻璃表面形-->成脂肪酸自组装单分子膜后，摩擦系数降低至约0.11。0.5N负荷下Ag/Si3N4摩擦磨损试验结果表明：单晶硅表面涂敷Ag薄膜后摩擦系数降低为0.20-0.22，随着滑动次数的增加，摩擦系数趋于稳定。当涂敷银薄膜的单晶硅表面形成脂肪酸单分子膜后，摩擦系数进一步降低至约0.07；涂敷银薄膜的玻璃表面形成脂肪酸单分子膜后，摩擦系数降低至约0.10。以上摩擦系数数据表明，本专利技术所涉及的Ag固体薄膜具有良好的摩擦学性能，可以用作减摩、抗磨保护性涂层，Ag固体薄膜表面自组装脂肪酸单分子膜具有一定的减摩和抗粘着作用，可望用作微型机械(MEMs)的润滑材料。本专利技术所涉及的Al2O3陶瓷薄膜具有良好的摩擦学性能，可以用作减摩、抗磨保护性涂层。本专利技术所涉及的脂肪酸单分子膜具有良好的减摩、抗磨和抗粘着性能。采用的试验方法如上所述。摩擦、磨损试验结果如下：0.5N负荷下Al2O3/GCr15钢摩擦磨损试验结果表明：单晶硅表面涂敷Al2O3薄膜后摩擦系数降低为0.35-0.38，随着滑动次数的增加，摩擦系数趋于稳定。当涂敷氧化铝薄膜的单晶硅表面形成脂肪酸单分子膜后，摩擦系数进一步降低至约0.10；当涂覆氧化铝薄膜的玻璃表面形成脂肪酸单分子膜后，摩擦系数进一步降低至约0.12。-->0.5N负荷下Al2O3/Si3N4摩擦磨损试验结果表明：单晶硅表面涂敷Al2O3薄膜后摩擦系数降低为0.30-0.32，随着滑动次数的增加，摩擦系数趋于稳定。当涂敷氧化铝薄膜的单晶硅表面形成脂肪酸单分子膜后，摩擦系数进一本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于该方法依次包括以下两个步骤：（一）固体薄膜的制备：（１）银无机盐和还原剂丹宁酸溶解于蒸馏水中混匀并加热到７０～８０℃，然后加入弱碱溶液并搅拌，调节ｐＨ＝４～５，制得的 溶液于水浴中陈化２４～９６ｈ得到茶色的银基前驱体溶胶；（２）以载玻片或单晶硅片作基底，使用前进行彻底清洗；（３）将制得的银溶胶用浸渍－提拉法在载玻片或单晶硅底材上制备溶胶薄膜，制膜温度１５～２５℃，相对湿度４０％～６０％，控制提拉速 度处于１０～９０ｃｍ／ｍｉｎ范围内以获得均匀的溶胶薄膜；（４）将溶胶薄膜在空气中于室温～７０℃下干燥，然后加热至２６０～２８０℃并保温２０～３０ｍｉｎ，最后自然冷却至室温，即获得所需固体薄膜。（二）固体薄膜表面脂肪酸自组装单分子有机 膜的制备：（１）选取易吸附于固体表面的脂肪酸配制成稀溶液；将制得的固体薄膜迅速浸入配制好的脂肪酸稀溶液中于室温下反应２４～４８小时；（２）取出后经相应的溶剂彻底清洗并吹干，即得到具有一定有序性的有机超薄膜。

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于该方法依次包括以下两个步骤：(一)固体薄膜的制备：(1)银无机盐和还原剂丹宁酸溶解于蒸馏水中混匀并加热到   70～80℃，然后加入弱碱溶液并搅拌，调节pH＝4～5，制得的溶   液于水浴中陈化24～96h得到茶色的银基前驱体溶胶；(2)以载玻片或单晶硅片作基底，使用前进行彻底清洗；(3)将制得的银溶胶用浸渍-提拉法在载玻片或单晶硅底材上制备   溶胶薄膜，制膜温度15～25℃，相对湿度40％～60％，控制提拉   速度处于10～90cm/min范围内以获得均匀的溶胶薄膜；(4)将溶胶薄膜在空气中于室温～70℃下干燥，然后加热至   260～280℃并保温20～30min，最后自然冷却至室温，即获得   所需固体薄膜。(二)固体薄膜表面脂肪酸自组装单分子有机膜的制备：(1)选取易吸附于固体表面的脂肪酸配制成稀溶液；将制得的固体   薄膜迅速浸入配制好的脂肪酸稀溶液中于室温下反应24～48小   时；(2)取出后经相应的溶剂彻底清洗并吹干，即得到具有一定有序性   的有机超薄膜。2.一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，其特征在于该方法依次包括以下两个步骤：(一)固体薄膜的制备：(1)铝有机盐和稳定络合剂溶解于无水异丙醇中，用酸调节   pH＝1～3，将制得的溶液在室温下搅拌一定时间后，升温至80℃   并继续搅拌2h后在水...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨生荣，王金清，陈淼，徐洮，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：62[中国|甘肃]