超疏水性和超亲水性二氧化钛薄膜的等离子体制备方法技术

本发明专利技术涉及一种超疏水性和超亲水性二氧化钛薄膜的等离子体制备方法，包括：（１）以频率为１２－１４ＭＨＺ的射频等离子体发生器产生等离子体辉光，并且调节等离子体功率在４０Ｗ－１８０Ｗ之间变动；（２）以四异丙基钛酸脂为单体沉积，并由氧气载入；（３）电极下方的基片上得到超亲水性二氧化钛薄膜，在远离电极的基片上得到超疏水性二氧化钛薄膜；（４）超疏水性二氧化钛薄膜在常压５００℃下退火１～２小时后，得超亲水性二氧化钛薄膜。该方法制备二氧化钛薄膜具有一步沉积同时得到超疏水和超亲水性薄膜的简便优点，过程容易控制，为工业化应用提供了可能性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属等离子体制备领域，特别是涉及超疏水性和超亲水性二氧化钛薄膜的等离子 体制备方法。技术背景等离子体化学气相沉积技术原理是利用低温等离子体(非平衡等离子体)作能量源， 基片置于低气压下辉光放电的反应腔中，利用辉光放电产生大量的带电粒子和中性粒子， 然后通入适量的载有单体的反应气体，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在基片表 面形成固态薄膜。它包括了化学气相沉积的一般技术，又有辉光放电的强化作用。由于粒 子间的碰撞，产生剧烈的气体电离，使反应气体受到活化。同时发生阴极溅射效应，为沉 积薄膜提供了清洁的活性高的表面。因而整个沉积过程与仅有热激活的过程有显著不同。 这两方面的作用，在提高涂层结合力，降低沉积温度，加快反应速度诸方面都创造了有利 条件。随着社会进步和科学技术的飞速发展，对材料表面的功能化的要求越来越高，最近， 憎水角超过150度的表面，即超憎水表面的研究引起了人们的极大兴趣。超憎水表面在自 清洁材料、通讯、基因传输、微流体和无损液体传输等很多领域都有广泛的前景。二氧化 钛问世以来，其独特的颜色效应、光催化作用以及紫外线屏蔽等功能使其一经面世就受到 青睐，在废水处理、感光材料以及文物保护、杀菌、环保等方面具有广泛的应用前景。如 何构造一种即具有超憎水性又具有二氧化钛优点的功能膜，即超疏水性二氧化钛薄膜，成为两个领域的人们的研究的共同目标。 一般来说，制备超疏水表面必须满足两个条件一 是物质的表面具有很低的固体表面能；二是在低表面能物质的表面上构建有一定粗糙度的 微米与纳米相结合的阶层结构。当前人们制作超疏水二氧化钛的方法主要有离子注入法、 离子填充法、阳极氧化法、刻蚀法、溶胶凝胶法和光化学法等。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种，该 方法釆用偏压辅助下等离子体增强沉积的方法制备超亲水性和超疏水性的氧化钛薄膜。本 专利技术可以通过一步反应同时得到超亲水性和超疏水性二氧化钛薄膜，而且超疏水性薄膜通 过退火处理转化为超亲水性氧化钛薄膜。本专利技术的，包括歩骤 (1)将玻璃基片分别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗20~40分钟，在氮气中吹干后放入反应器的不同位置；(2) 反应器由机械泵预抽到10~30Pa，打开等离子体电源开始辉光发电和脉冲偏压电源添 加偏压场，以频率为12-14MHZ的射频等离子体发生器产生等离子体辉光，并且调节等离 子体功率在40W-180W之间变动；(3) 将四异丙基钛酸脂为单体在水浴中保持60 80'C恒温沉积10~30分钟，并由氧气载入 到反应器内部； 、(4) 在反应器远离辉光电极和脉冲偏压电极的基片上得到超疏水性二氧化钛薄膜，在脉 冲偏压电极下方的基片上得到超亲水性二氧化钛薄膜；(5) 超疏水性二氧化钛薄膜在常压50(TC下退火1~2小时后，转化为超亲水性二氧化钛薄 膜。所述的超疏水性二氧化钛薄膜具有微纳米层阶粗糙结构，超亲水性薄膜具有微米级平 坦结构。本专利技术的有益效果(1) 本专利技术的二氧化钛薄膜具有超强的疏水性，并对紫外光有较好的吸收，长期放置可 保持超疏水性；(2) 超亲水性薄膜具有较强的亲水效果和牢靠度；(3) 超疏水性薄膜经过500'C下退火后薄膜的结构没有改变，但是转化为超亲水性薄膜；(4) 该方法制备二氧化钛薄膜具有一步沉积同时得到超疏水和超亲水性薄膜的简便优点， 过程容易控制，为工业化应用提供了可能性。附图说明图1是超疏水性二氧化钛薄膜不同倍率的扫描电镜图，图1- (a)是X 1000倍，图1- (b) 是X 20000倍；图2是超亲水性二氧化钛薄膜不同倍率的扫描电镜图，图2- (a)是X 1000倍，图2- (b) 是X 10000倍；图3是超疏水性二氧化钛薄膜的红外光谱图； 图4是超疏水性二氧化钛薄膜与水的接触角图； 图5是超亲水性二氧化钛薄膜与水的接触角图； 图6是超疏水性二氧化钛薄膜的紫外可见光谱图；图7是退火后的二氧化钛薄膜的扫描电镜图，图7- (a)是X 1000倍，图7- (b)是X 10000 倍；图8是退火后的二氧化钛薄膜的XRD (X射线衍射)谱图；具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术 而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术 人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1将依次经过丙酮、乙醇和去离子水超声清洗20分钟，并在氩气中吹干的玻璃基片放 入等离子体反应器中。将反应器抽真空到10 30pa，打开等离子体电源产生辉光放电，然 后打开脉冲电源产生偏压场，以频率为13.56MHZ的射频等离子体发生器产生等离子体辉 光，并且调节等离子体功率在40W-180W之间变动。用氧气将6(TC恒温水浴中的四异丙基 钛酸脂载入到等离子体反应器沉积10分钟，可以在远离等离子体电极和脉冲偏压电极的 玻璃基片上得到超疏水性二氧化钛薄膜，在脉冲偏压电极的下方的玻璃基片上得到超亲水 性二氧化钛薄膜。超疏水性二氧化钛的SEM如图1所示，可以看到是微纳米相结合的表面形貌，微米 级的小乳突上面是由无数的纳米结构组成，这符合超疏水性薄膜的表面粗糙度的要求。图 2是超亲水性薄膜的SEM图片，可以看到在脉冲偏压的辅助下薄膜是由无数的平坦小碎片 组成，但是所有的碎片都在一个平面上，显得比较平整，这种薄膜显示出超亲水性。实施例2用红外光谱对超疏水性薄膜表面的化学结构进行分析可以发现，薄膜的表面是由有机 和无机混合组成的结构，而有机成分的低表面能正是超疏水性薄膜所必需的条件之一。由 图3可以看到，随着功率增大，有机基团增多，(a)为40w， (b)为100w， (c)为150w，薄膜 的表面主要是一些碳氢基团吸收峰，在400 600cm—'之间是由于氧化钛的吸收作用。实施例3通过接触角测量仪对薄膜的湿润性进行表征，可以测量到在超疏水性薄膜的表面水的 接触角为160±2G，而超亲水性薄膜表面的水接触角为6Q。本方法在同一反应器中同时得 到超疏水性薄膜和超亲水性薄膜如图4和图5所示。实施例4超疏水性二氧化钛薄膜显示出紫外线吸收特性，可以看到随着功率的增大，吸收向短 波长方向移动，(a)为40W， (b)为IOOW， (c)为150W，可以证明超疏水性薄膜具有很好的紫外吸收特性。如图6所示。实施例5超疏水性薄膜在大气气氛中经过50(TC退火lh后，将会转化为超亲水性薄膜，而且 薄膜的表面形貌没有改变。薄膜的表面形貌符合超亲水性薄膜的微纳米相结合的要求，如 图7所示。实施例6功率40W和IOOW辉光发电下，薄膜为无定型状态。大气气氛中退火一个小时候后 的薄膜经过XRD检测发现二氧化钛薄膜已经由无定型状态转化为锐钛矿结构，退火前后 的薄膜的晶态结构如图8所示。权利要求1.，包括步骤(1)以频率为12-14MHZ的射频等离子体发生器产生等离子体辉光，并且调节等离子体功率在40W-180W之间变动；(2)以四异丙基钛酸脂为单体沉积，并由氧气载入；(3)电极下方的基片上得到超亲水性二氧化钛薄膜，在远离电极的基片上得到超疏水性二氧化钛薄膜；(4)超疏水性二氧化钛薄膜在常压500℃下退火1～2小时后，得超亲水性二氧化钛薄膜。2. 根据权利要求1所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
超疏水性和超亲水性二氧化钛薄膜的等离子体制备方法，包括步骤：（１）以频率为１２－１４ＭＨＺ的射频等离子体发生器产生等离子体辉光，并且调节等离子体功率在４０Ｗ－１８０Ｗ之间变动；（２）以四异丙基钛酸脂为单体沉积，并由氧气载入；（３）电极下方的基片上得到超亲水性二氧化钛薄膜，在远离电极的基片上得到超疏水性二氧化钛薄膜；（４）超疏水性二氧化钛薄膜在常压５００℃下退火１～２小时后，得超亲水性二氧化钛薄膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟，李岩，何涛，过凯，王德信，郭颖，杨平，张菁，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]