CN100460561C - 二氧化钛薄膜材料的超亲水驱油表面制备方法 - Google Patents

Abstract

二氧化钛薄膜材料的超亲水驱油表面制备方法属于功能材料领域。现有技术用光照二氧化钛薄膜实现了超亲水性，但许多石油化工仪器设备中并不具备光照条件，且需进一步降低表面与油的接触角。本发明步骤：衬底上沉积一层0.1-10微米二氧化钛薄膜；再放入气相化学表面处理室中，抽真空后充入氢气，气压在1～50000Pa；温度在室温到800℃的范围，还原处理10～120分钟。在气压0.5～2000Pa的范围，充入醇类物质使之以气态存在；在基底附近施加射频电磁场使气体发生辉光放电，产生低温等离子体，射频功率为20～500W，基底温度为室温～800℃，羟基化时间10～120分钟。该薄膜与蒸馏水静接触角为4.1°，与高速泵油的静接触角为28.4°，镀于测量原油流速的传感器探头表面，明显改善了表面附着石蜡的情况。

Description

二氧化钛薄膜材料的超亲水驱油表面制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有超亲水性驱油特性的薄膜材料制备方法，该薄膜材料适用于水油共存的工作环境下需要防油附着的固体表面，主要应用于石油、化工等领域，属于功能材料领域。

背景技术

某些固体表面的亲水性大于亲油性，那么在水油混合共存的环境中，可以利用水的存在来驱赶和防止油类物质在其表面的附着。使固体表面具有亲水且驱油功能的技术在许多工业领域有着广泛的应用，特别是在石油化工领域。以往，人们的注意力主要集中在有机材料上，但有机材料有些很难克服的缺点，如硬度低、耐磨性差、高温稳定性低等。近些年来，有研究者开始尝试用无机材料提高固体表面的亲水性研究。目前人们已经发现二氧化钛薄膜在无光照情况则表现出普通的亲水状态，而在光照的条件下表现出超亲水状态，即表面与水的接触角小于5°[Tatsuo Shibata，Hiroshi Irie，and KazuhitoHashimoto，“Enhancement of Photoinduced Highly Hydrophilic Conversion onTiO2 Thin Films by Introducing Tensile Stress”，J.Phys.Chem.B 2003，107，10696-10698.]，[Nobuyuki Sakai，Akira Fujishima，Toshiya Watanabe，andKazuhito Hashimoto，“Quantitative Evaluation of the Photoinduced HydrophilicConversion Properties of TiO2 Thin Film Surfaces by the Reciprocal of ContactAngle”，J.Phys.Chem.B 2003，107，1028-1035.]这两篇文献报道了二氧化钛经光照产生超亲水性能的研究结果。

然而，尽管利用光照二氧化钛薄膜实现了超亲水性，但在许多石油化工仪器设备中，并不具备光照条件。并且，为了提高其驱油性能，还需进一步降低表面与油的接触角。因此，为了满足对亲水驱油功能表面的应用需求，就要使二氧化钛薄膜无光照条件下保持超亲水状态且具有更大的与油接触角。

在石油化工设备中，暴露于水、油共存环境下的固体表面，尤其是一些传感器的表面，非常容易被油、石蜡等黏附遮盖，影响设备正常工作。表面具有超亲水驱油特性后，将改善和解决这种困扰。

发明内容

本发明所要解决的问题是，提供一种二氧化钛薄膜表面处理方法，以减小其表面与水的接触角，同时增大与油的接触角，实现二氧化钛薄膜在无光照的条件下具有超亲水驱油性能。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是在固体表面先沉积一层二氧化钛薄膜，然后采用气相表面化学处理法对二氧化钛薄膜表面先后进行还原和羟基化处理。我们的研究表明，直接对所沉积的二氧化钛表面进行羟基化处理没有效果；而先将表面还原，使表面失去氧原子，从而更容易接受与羟基的结合。再实施羟基化处理，会使二氧化钛薄膜表面形成一层羟基，从而使表面产生超亲水驱油性。

二氧化钛薄膜材料的超亲水驱油表面制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)用常规沉积方法在作为衬底的固体表面上沉积一层二氧化钛薄膜，厚度在0.1微米到10微米的范围；

2)将衬底再放入气相化学表面处理室中，对处理室抽真空后，充入氢气作为还原性气体，气压在1～50000Pa的范围内，基底温度在室温到800℃的范围，还原处理时间10～120分钟；

3)充入醇类物质使之以气态存在，并将气压保持在0.5～2000Pa的范围；在基底附近施加射频电磁场使气体发生辉光放电，产生低温等离子体，射频功率为20～500W，基底温度为室温～800℃，辉光放电时间10～120分钟。

辉光放电时，气态醇分子电离分解出含羟基离子，等离子体中的含羟基离子撞击并附着到基底上的二氧化钛薄膜表面、继而发生反应，从而在二氧化钛薄膜表面形成了一层羟基。

与已有技术相比，本发明的特征在于：它不是简单的二氧化钛薄膜材料，而是首先用常规的沉积方法制备一层二氧化钛薄膜，然后用气相化学处理法对此二氧化钛薄膜表面进行还原处理，最后再用低温等离子体化学法进行表面羟基化处理，从而在表面形成了一层羟基，产生超亲水驱油性能。

将该超亲水驱油薄膜镀于测量原油流速的传感器探头表面，明显改善了表面附着石蜡的情况

具体实施方式

以下用三个实施例子来进一步介绍本发明。

实施例一：

1.先用“磁控溅射法”在玻璃基底上制备一层二氧化钛薄膜，薄膜厚度为0.1微米；

2.然后将基底放入气相化学表面处理室中，对表面处理室抽真空，将衬底保持在室温，充入氢气，用氢气还原二氧化钛薄膜表面，气压保持50000Pa，处理时间为120分钟；

3.抽出氢气，通入甲醇，气压为2000Pa，基底温度350℃；在基底附近施加射频电磁场产生辉光放电，射频功率20W，羟基化时间10分钟。

对该例处理的表面进行亲水性和亲油性测量，与蒸馏水静接触角为4.1°，与高速泵油的静接触角为28.4°。

实施例二：

1.用“磁控溅射法”在单晶硅基底上制备一层二氧化钛薄膜，薄膜厚度为3微米；

2.然后将基底放入气相化学表面处理室中，对表面处理室抽真空，将衬底加热至400℃，充入氢气，气压保持1000Pa，处理时间为40分钟；

3.抽出氢气，通入甲醇，气压为10Pa，基底保持室温；在基底附近施加射频电磁场产生辉光放电，射频功率200W，羟基化时间120分钟。

对该实施例的表面进行亲水性和亲油性测量，与蒸馏水静接触角为3.0°，与高速泵油的静接触角为31.5°。

实施例三：

1.用“溶胶-凝胶法”在石英基底上制备一层二氧化钛薄膜，薄膜厚度为10微米；

2.然后将基底放入气相化学表面处理室中，对表面处理室抽真空，将衬底加热至800℃，充入氢气，气压保持1Pa，处理时间为10分钟；

3.抽出氢气，通入乙醇，气压为0.5Pa，基底温度800℃；在基底附近施加射频电磁场产生辉光放电，射频功率500W，羟基化时间60分钟。

对该实施例的表面进行亲水性和亲油性测量，与蒸馏水静接触角为4.5°，与高速泵油的静接触角为25.2°。

Claims (1)

1.一种二氧化钛薄膜材料的超亲水驱油表面制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)用常规沉积方法在作为衬底的固体表面上沉积一层二氧化钛薄膜，厚度在0.1微米到10微米的范围；

2)将衬底再放入气相化学表面处理室中，对处理室抽真空后，充入氢气作为还原性气体，气压在1～50000Pa的范围内，基底温度在室温到800℃的范围，还原处理时间10～120分钟；

3)充入醇类物质使之以气态存在，并将气压保持在0.5～2000Pa的范围；在基底附近施加射频电磁场使气体发生辉光放电，产生低温等离子体，射频功率为20～500W，基底温度为室温～800℃，辉光放电时间10～120分钟。