CN101121908B - 润滑剂、磁记录介质和滑动头 - Google Patents

润滑剂、磁记录介质和滑动头 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种润滑剂，在磁记录装置中，其被作磁记录介质的润滑剂层和/或滑动头的润滑剂层时，使润滑剂层的厚度很薄。即使是高分子量，也可以获得足够薄的单分子层膜厚度。在不降低飞行稳定性的情况下，在广的温度范围内提高了可靠性。该润滑剂包括含氟聚合物，润滑剂有如下关系：Y<-1.4475X+2.815，其中Y是23℃时扩散系数的自然对数(单位：μm2/s)；X是20℃时的粘度(单位：Pas)，或它包含有特定结构的含氟聚合物，并且相邻的极性基团之间的分子链的数均分子量不小于500。

Description

润滑剂、磁记录介质和滑动头
技术领域
本发明涉及一种用于磁记录装置的润滑剂。
背景技术
在磁记录装置中，带有记录转换器(本发明中简称为头)的滑动头悬浮在磁记录介质的硬盘上方，进行信息的读写。
头与在硬盘上进行记录(写)或使磁信息再现(读)的磁记录层之间的距离叫做磁空间。记录密度越大，磁空间就越小。另一方面，为提高信息传递速度，需要硬盘高速旋转。随着近来记录密度和信息传递速度的提高，有倾向于低悬浮高度和高旋转速度的趋势，结果是目前的头飞行高度(又叫头悬浮高度)位于10nm数量级，旋转速度为15,000rpm/min(rpm)数量级。
为提高硬盘驱动器的可靠性，一般将润滑剂用于磁盘和滑动头上，形成大约1至2nm的厚度。润滑剂可以减少摩擦和磨损，并防止头接触磁盘时发生异常。
因为润滑剂的膜厚度大约为头飞行高度的10％，所以其厚度对磁空间是不可忽视的因素(参见，例如，X，Ma et a1.，I..E.E.E.Trans.Magn.,2001，Vol.37，p.1824)。因此，为提高记录密度，要想减小磁空间，减小润滑剂膜的厚度就显得很重要了。
但是由于受润滑剂分子大小的限制，不可能使润滑剂膜的厚度小于单分子层膜的厚度或单分子层膜厚度。尽管有可能使平均值小于此值，但这会使润滑剂的覆盖效果降低。
众所周知，润滑剂的分子量决定其单分子层膜的厚度(参见，例如，X.Ma et al.，＂Journal of Chemical Physics＂，1999，Vol.110，p.3,129-3,137)。因此，可以通过降低分子量的方法来减小单分子层膜厚度。
但是如果润滑剂分子量小，就更容易挥发。另外，它在高速旋转时更易于消散。如果考虑HDI(头和磁盘的接触面)性能，如在高速旋转时润滑剂的损失，则应用小分子的驱动器存在自身的局限性。因此，必须找到即使是高分子量也能提供足够薄的单分子层膜厚度的润滑剂，来克服这一局限性。
另外，在从低温至高温的广范围内使用硬盘驱动器时，通常在高温时高粘度的润滑剂有更好的耐久性。可以通过增大高分子量或采用端基为强极性的润滑剂来提高粘度。但是如果分子量增加，则单分子层膜的厚度也会增加，使其不适合达到低飞行高度。另外，如果粘度增大，在低温时由于摩擦而造成润滑剂损失，从而会降低磁记录介质和头的耐久性。
本发明的目的就是解决此问题，并且研发一种技术使得即使在使用高分子物质时，润滑剂膜的厚度也很薄，在不降低飞行稳定性的情况下，在宽温度范围可使膜的可靠性得到提高。本发明的其它目的和优点将在以下说明中清晰可见。
发明内容
根据本发明的一个方案，本发明提供了包括含氟聚合物的润滑剂，具有如下关系；Y<-1.4475X+2.815，其中Y是23℃时扩散系数的自然对数(单位：μm2/s)；X是20℃时的粘度(单位：Pas)。
根据本发明的另一个方案，本发明提供了包括含氟聚合物的润滑剂，该聚合物的结构如式1所示，且相邻极性基团之间的分子链的数均分子量不小于500。
H—{(XZ)m，(YZ)n}—(Xδ，Y(1-δ))—H       ---(1)
在式1中，m和n各自是不小于0的实数(m和n不能同时为0)；{(XZ)m，(YZ)n}表示结构单元XZ和结构单元YZ可相互构成无规序列或嵌段序列。相似地，(Xδ，Y(1-δ))表示结构单元X和结构单元Y可相互构成无规序列或嵌段序列；δ是不小于0且不大于1的实数；X、Y和Z的化学结构分别如式12、13和14所示(其中X、Y和Z中的氢可以被含有1-3个碳的有机基团所取代，该有机基团可以包括醚键，也可以包括用于取代氢的极性基团和氟中之一或二者都包括)，
—O(CH2CH2O)aCH2CF2O(CF2CF2O)p(CF2O)qCF2CH2(OCH2CH2)bO—(12)
在式12中，a、b、p和q各自是不小于0的实数(p和q不能同时为0)；结构单元CF2CF2O和CF2O可相互构成无规序列或嵌段序列，
在式13中，c、d、r和s各自是不小于0的实数(r和s不能同时为0)；结构单元CF2CF2O和CF2O可相互构成无规序列或嵌段序列；Pols是极性基团，其在该式中相互独立，且独立于其它式}，
Figure S061A9737220060815D000032
在式14中，Pol是独立于其它式的极性基团。
通过利用上述方案，提供了润滑剂，该润滑剂即使是高分子，也能形成足够薄的单分子层膜厚度。当使用该润滑剂时，即使它是高分子，也能形成很薄的单分子层膜厚度，从而可在宽温度范围环境下提高可靠性而不降低飞行稳定性。上述方案可联合使用。
在上述方案及其联合方案中，优选地，含氟聚合物的平均分子量不小于2,000且不大于12,000；Pol是羟基；优选地，含氟聚合物的相邻极性基团之间的分子链的数均分子量不大于3000；优选地，含氟聚合物具有结构如式3表示的末端基团，
—R.........(3)
(在式3中，R是极性基团或烃基)；优选地，式1的部分或全部结构单元CF2O和C2F4O被式4和式5中任一结构所替代；
—CF2CF2CF2—......(4)
Figure S061A9737220060815D000033
优选地，含氟聚合物除羟基外没有极性基团；优选地，平均每分子的含氟聚合物在分子链的中间部分具有1.0至10.0个羟基。
在本发明的另一个方案中，提供的润滑剂包括由式2表示的化合物和表氯醇反应产生的含氟聚合物，其数均分子量不小于2,000且不大于12,000，平均每分子的含氟聚合物在分子链的中间部分具有1.0至10.0个羟基。
HO(CH2CH2O)xCH2CF2O(CF2CF2O)p″(CF2O)q″CF2CH2(OCH2CH2)yOH...(2)
在式2中，p”、q”、x和y是相互独立的，各自是不小于0的实数(其中p＂和q″不能同时为0)；结构单元CF2CF2O和CF2O可相互构成无规序列或嵌段序列。
该方案提供了即使是高分子也能形成薄的单分子层膜厚度的润滑剂。当使用该润滑剂时，即使它是高分子，也能形成很薄的单分子层膜厚度，从而可在宽温度范围环境下提高可靠性而不降低飞行稳定性。
优选地，润滑剂包括由式2为表示的化合物、表氯醇反应，并随后与缩水甘油反应而形成的含氟聚合物,优选地，该含氟聚合物具有结构如式3表示的末端基团。
-R.........(3)
(在式3中，R是极性基团或烃基)；优选地，式2的部分或全部结构单元CF2O和C2F4O被式4和式5中任一结构所替代；
-CF2CF2CF2-.........(4)
Figure S061A9737220060815D000041
优选地，润滑剂包括除含氟聚合物之外的含氟化合物；优选地，除含氟聚合物之外的含氟化合物选自具有式9、10和11所示结构的化合物所组群组中的至少一个化合物，
R1CF2O-(CF2CF2O)p′-(CF2O)q′-CF2-R2……(9)
R1-O-(CF2CF2CF2O)r′-CF2CF2-R2……(10)
Figure S061A9737220060815D000051
在式9-11中，R1和R2在每个式中是相互独立的，并且各式独立于其它式，其分别是选自如下组成的群组中的一个基团：羟基、羧基、氨基、磷腈环、单价脂肪烃基、单价芳香烃基和单价杂环芳香烃基，所述单价脂肪烃基包括一个或多个取代基，所述取代基选自羟基、羧基、氨基和磷腈环所组群组中的一个或多个基团，所述单价脂肪烃基可包括羰基、醚基或羰基和醚基，所述单价脂肪烃基可包括双键、三键或者双键和三键，所述单价脂肪烃基可以是支链的单价脂肪烃基，所述的单价芳香烃基和单价杂环芳香烃基各自含有作为一个或多个取代基的选自羟基、羧基、氨基和磷腈环所组群组中的一个或多个基团；p’、q’、r’和s′都是正实数；式9-11的每个结构单元可相互构成每个化合物结构中的无规序列或嵌段序列。
根据本发明的另一个方案，提供了磁记录介质，其包括磁记录层、位于磁记录层之上的保护层和保护层上的磁记录介质润滑剂层，其中磁记录介质润滑剂层是应用了上述润滑剂而形成；滑动头带有记录转换器用来在磁记录介质上记录信息和/或从磁记录介质使信息再现，该滑动头在面向磁记录介质的表面上具有保护层和滑动头润滑剂层，该滑动头润滑剂层是应用了上述润滑剂而形成。
根据上述各方案，提供了磁记录介质、滑动头和磁记录装置，其具有非常薄的润滑剂膜，且在不降低飞行稳定性的情况下，在宽温度范围环境下提高了可靠性。
本发明提供的润滑剂即使在高度聚合时，仍能得到非常薄的单分子层膜厚度。在磁记录装置中，当使用这种润滑剂作为磁记录介质的润滑剂层和滑动头润滑剂层时，其可将润滑剂膜的厚度减少到很薄，在不降低飞行稳定性的情况下，在宽温度范围的环境下提高了可靠性。
附图说明
图1是含氟聚合物附着在被极性基团Pols覆盖的表面的示意图；
图2是含氟聚合物附着在被极性基团Pols覆盖的表面的另一个示意图；
图3是含氟聚合物附着在被极性基团Pols覆盖的表面的另一个示意图；
图4是计算相邻极性基团之间的分子链的数均分子量的示意图；
图5是实施例1中化合物的FT-IR图；
图6是实施例1中化合物的1HNMR图；
图7是实施例1中化合物的13CNMR图；
图8是实施例1中化合物的19FNMR图：
图9是椭圆偏振仪所获得的润滑剂膜厚度的截面特征图；
图10是相邻羟基之间的结构部分的数均分子量(Mc)和单分子层膜厚度之间的关系曲线；
图11是滑动试验的结果图；
图12是另一个滑动试验的结果图；
图13是TDV和TOV试验的结果图；
图14是另一个TDV和TOV试验的结果图；
图15是依据温度变化的润滑剂的粘度特性曲线图；
图16是使用即刻后的膜厚度特征图；
图17是使用140小时后的膜厚度特征图；
图18是使用即刻后的膜厚度特征图；
图19是使用140小时后的膜厚度特征图；
图20是20℃的粘度与23℃的扩散系数的自然对数之间的关系曲线；
图21是硬盘装置内部结构的平面示意图；
图22是呈现出头和磁记录介质之间关系的硬盘装置截面示意图。
具体实施方式
通过下述图、表、式、实施例等来说明本发明的具体实施方式。这些图、表、式、实施例等是为了举例说明本发明，而不是对本发明的范围进行限制。其它的具体实施方式也落在本发明的范围内，与本发明的意图相符。
分子的中间部分具有极性基团的全氟聚醚是已知的润滑剂，该分子结构使润滑剂在高分子量的情况下也不会得到厚的单分子层膜{(参见，日本未审查的申请(申请公开号2003-162810)(权利要求)}。但是，其具体分子结构、分子量范围等都是未知的。
研究结果发现，在磁记录装置中，当应用于磁记录介质润滑剂层和滑动头润滑剂层时，含有除全氟结构外的特定结构的含氟聚合物即使具有高分子量也可以使润滑剂层很薄，并且可在不损失飞行稳定性的情况下，在宽温度范围环境下使可靠性提高。
本发明的润滑剂包括由式2表示的化合物和表氯醇反应产生的含氟聚合物，其数均分子量不小于2,000且不大于12,000，平均每个分子的分子链的中间部分具有1.0至10.0个羟基。
HO(CH2CH2O)xCH2CF2O(CF2CF2O)p＂(CF2O)q＂CF2CH2(OCH2CH2)yOH...(2)
在式2中，p”、q”、x和y是相互独立的，各自是不小于0的实数(p＂和q＂不能同时为0)；结构单元CF2CF2O和CF2O可相互构成无规序列或嵌段序列。
在包括下文的本发明中，当用下标符号表示＂实数＂时，＂实数＂的意思是具有该结构的化合物或部分的平均数。
可以用任何已知的方法进行上述反应。也可以用上述以外的其它不同反应步骤和纯化步骤获得该含氟聚合物。分子链中间部分的羟基可以来自表氯醇。分子的末端结构主要是羟基。
进一步，本发明的润滑剂包括由式2表示的化合物和表氯醇进行反应，随后与缩水甘油反应而产生的含氟聚合物，其数均分子量不小于2,000且不大于12,000，平均每分子在分子链的中间部分具有1.0至10.0个羟基。也可以用上述以外的其它反应步骤和纯化步骤获得该润滑剂。
可以用任何已知的方法进行上述的反应。分子链中间部分的羟基可以来自表氯醇。分子链末端的-CH2-CH(OH)-CH2-OH来自缩水甘油。
通过将生成的聚合物与合适的化合物反应，用其它基团取代或封端该末端羟基。甲基碘化物、羧酐等可以用于取代或封端。通过此方法，含氟聚合物的末端基团获得了如式3表示的结构。OCOCH3、COOH、OCH3和OCH2CH3是极性基团R的例子，烷基是烃基基团R的例子。
-R............(3)
在式3中，R代表极性基团或烃基。
本发明优选的是由式2表示的化合物获得的含氟聚合物，式2中的部分或全部CF2O和C2F4O结构单元被式4和式5表示的结构之一所取代。
-CF2CF2CF2-............(4)
Figure S061A9737220060815D000081
值得注意的是，也可以将表氯醇和/或缩水甘油与商业来源的包括式4和/或式5表示的结构的含氟聚合物一起反应，来合成与式1表示的相似结构。
本发明提供的润滑剂，即使当润滑剂具有高分子量时，也能提供足够薄的单分子层膜厚度。据认为，在包括具有该结构的含氟聚合物的润滑剂中，分子中间部分存在的极性基团(羟基)和分子两端的极性基团(羟基)以及邻近部分附着在使用润滑剂的表面上(以下成为被覆盖表面)，从而使分子不会从被覆盖表面上凸起，因而即使是润滑剂具有高分子量，这种作用效果仍会使润滑剂层具有薄的膜厚度。
图1-3对该状态进行了说明。图2是含氟聚合物1的两端具有极性基团Pols的状态示意图；图1是其中的一个极性基团Pol处于分子链的中间部分，另外两个处于含氟聚合物1的两端的状态示意图；图3是其中两个极性基团Pol处于分子链的中间部分，另外两个处于含氟聚合物1的两端的状态示意图。假设图1-3有相同的分子长度，可以理解当分子链的中间部分有极性基团时，含氟聚合物的分子1离开被覆盖表面2的距离L就很小。
根据研究结果，可以认为数均分子量不小于2,000且不大于12,000、平均每分子聚合物分子链的中间部分具有1.0至10.0个羟基、包括具有式1所示结构的含氟聚合物的润滑剂即便是由任何原料所形成，也能提供类似上述润滑剂的作用，更不用说是由上面所述组成的原料所形成的了。
在以上所述的任一例子中，平均每分子的分子链中间部分的羟基数目优选是1.0-5.0。如果少于1.0，单分子层膜厚度则会变厚。在一个典型的例子中，单分子层膜厚度可以超过2nm。如果大于10.0，也不会得到改进效果。将在下文进行描述，当含氟聚合物的数均分子量在2,000-12,000的范围时，会导致在短分子链中存在太多的羟基，分子之间由于羟基的相互作用很容易发生凝聚，造成润滑剂膜厚度的变化(即随着时间的延长，润滑剂膜厚度发生局部性增加)。
在上述范围内，只要附着在被覆盖表面的状况良好，本发明的含氟聚合物距被覆盖表面的距离L将与含氟聚合物距被覆盖表面的距离L在同一数量级上，后一聚合物仅在末端有极性基团，其整个分子的分子量与前一聚合物极性基团之间的结构部分的分子量相同。
对于数均分子量小于2,000的含氟聚合物，由高温耐久性和膜厚度的减小速率指示的迁移性将受到损害。润滑剂在高速旋转时易于消散。当分子量大于12,000时，粘度则非常大。上述磁记录介质和头在低温下的耐久性会降低。
进一步概括上述内容，当分子链中间部分存在一个或一个以上的极性基团时，应该对极性基团之间的至少一个分子链的化学式重量水平进行研究。
基于该研究的结果获得了润滑剂，该润滑剂能提供足够薄的单分子层膜厚度，如果能满足此要求，除羟基以外的极性基团可适当选自已知的极性基团，其包括，如羧基、羰基、磺酸基、硝基和腈基(但不包括醚键)，包括于润滑剂中的含氟聚合物具有式1表示的结构，
H-{(XZ)m，(YZ)n}-(Xδ，Y(1-δ))-H---(1)
在式1中，m和n各自是不小于0的实数(m和n不能同时为0)；{(XZ)m，(YZ)n}表示结构单元XZ和结构单元YZ可相互构成无规序列或嵌段序列。相似地，(Xδ、Y(1-δ))表示结构单元X和结构单元Y可相互构成无规序列或嵌段序列；δ是不小于0且不大于1的实数；X、Y和Z的化学结构分别如式12、13和14所示(其中X、Y和Z中的氢可被含有1-3个碳的有机基团所取代，该有机基团可以包括醚键，也可以包括用于取代氢的极性基团和氟中之一的取代基或两者都包括)，
-O(CH2CH2O)aCH2CF2O(CF2CF2O)p(CF2O)qCF2CH2(OCH2CH2)bO-(12)
在式12中，a、b、p和q各自是不小于0的实数(p和q不能同时为0)；结构单元CF2CF2O和CF2O可相互构成无规序列或嵌段序列，
Figure S061A9737220060815D000101
在式13中，c、d、r和s各自是不小于0的实数(r和s不能同时为0)；结构单元CF2CF2O和CF2O可相互构成无规序列或嵌段序列；Pols是极性基团，并在该式中相互独立，且独立于其它式，
Figure S061A9737220060815D000102
在式14中，Pol是独立于其它式的极性基团；相邻极性基团之间的分子链的数均分子量不小于500。关于本发明的含氟聚合物的分子量，其数均分子量优选不小于2,000且不大于12,000。如上所述的原因通常也同样适用于数均分子量的上下限的发置，尤其是用于磁记录介质的聚合物。
极性基团本身没有被包括在相邻极性基团分子链的数均分子量的计算中。如果相邻极性基团之间没有分支结构，可以用聚合物链的相邻极性基团之间的分子链确定数均分子量。如果相邻极性基团之间存在不含极性基团的分支结构，分子量的计算不包括分支结构。如果相邻极性基团的分支结构有极性基团，从分支结构的极性基团的角度看，也要计算相邻的极性基团的分子量。在这种情况下，分子量的计算中没有计算从与相邻极性基团相连接的链分出的分支结构部分。在图4的例子中，例如计算了Ma、Mb和Mc。在图4中，Pol代表极性基团。这里的术语“相邻的”，如图4所示，是指聚合物链(包括支链)上的极性基团与下一个极性基团的关系。
有时，处于分子末端的极性基团和其邻近部分相互靠近。如果处于分子末端的极性基团之间的分子链和其邻近部分也被计算进数均分子量中，那么相邻极性基团之间的分子链的分子量将会有很大的变化，可能不足够满足上述不小于500的要求。研究的结果发现，如果从分子末端起的5个碳中有两个或两个以上的极性基团(包括极性端基)，则优选把它们放在一组中处理，将从分子末端起的5个碳作为一个极性基团，来选择能满足上述不小于500要求的含氟聚合物。
当得到的数均分子量小于500时，则难以使润滑剂层的膜厚度变薄，这可能是由于极性基团的近距离使聚合物发生凝聚。更优选的数均分子量不小于1,000。
具有如式1所示结构的含氟聚合物可以由一种或多种组成。例如，当式1中n＝0和δ＝1时，其结构中没有Y成分，而当m＝δ＝0时，其结构中没有X成分。本发明的含氟聚合物可以由具有一种结构或两种结构的含氟聚合物所构成。
术语“X、Y和Z中的氢可被含有1-3个碳的有机基团所取代，该有机基团可以包括醚键，也可以包括用于取代氢的极性基团和氟中之一的取代基或两者都包括”是指式1所表示的结构不仅是式1本身所示的“没有分支的结构”，还可以是有分支的结构，该分支可包括1-3个碳和介于碳之间的氧，并且与碳结合的氢可被极性基团和/或氟所取代。上述Pol代表一种极性基团，其在式13中相互独立，且在式13和14之间也相互独立。本发明的术语“极性基团”是指除上述醚键之外的极性基团。极性基团的例子包括羟基、羧基、羰基、磺酸基、硝基和腈基。一般而言，从易于得到和对系统的影响如腐蚀等的角度考虑，优选的极性基团为羟基。在这个意义上，更优选极性基团仅是羟基。从易于生产的角度考虑，在很多具体实施方案中，优选的含氟聚合物不包括除式13和14中Pol以外的极性基团，也不包含分支结构。
在实施例中将要讨论，在上述任一情况中，含氟聚合物的相邻极性基团之间的分子链的数均分子量优选不超过3,000。如果相邻极性基团之间的结构部分的平均分子量超过3,000，润滑剂层的膜厚度则易于变厚，因而优选的值不超过3,000。
对于具有该结构的含氟聚合物，其端基可具有如上所示的式3表示的结构。可以用任何已知的方法将R结构引入式3中。
在式1中，结构单元CF2O和C2F4O的一部分或全部优选被式4和式5表示的任一结构所替代。预期这样的结构会降低表面能等。
-CF2CF2CF2-.........(4)
Figure S061A9737220060815D000121
可以用任何已知的方法引入式3、4、5表示的结构。
在上述含氟聚合物中，平均每个分子的分子链中间部分含有1.0至10.0个极性基团(例如羟基)的条件可与上述数均分子量不小于500的条件一起利用，或者分别利用。本发明的润滑剂可以仅包括任何一种上述的含氟聚合物，或还可包括其它化合物。作为其它化合物，其优选为除上述含氟聚合物之外的含氟化合物。这些含氟化合物优选具有润滑剂所需的分子量和氟含量等特性。作为这样的含氟化合物，其优选为至少一种选自由式9、10和11表示的化合物组成的群组中的化合物。它们是可商业获得的。
R1CF2O-(CF2CF2O)p-(CF2O)q′-CF2-R2……(9)
R1-O-(CF2CF2CF2O)r′-CF2CF2-R2……(10)
Figure S061A9737220060815D000122
在式9-11中，R1和R2在每个式中是相互独立的，并且各式独立于其它式，其分别是选自如下组成的群组中的一个基团：羟基、羧基、氨基、磷腈环、单价脂肪烃基、单价芳香烃基和单价杂环芳香烃基，所述单价脂肪烃基包括一个或多个取代基，所述取代基选自羟基、羧基、氨基和磷腈环所组群组中的一个或多个基团，所述单价脂肪烃基可包括羰基、醚基或羰基和醚基，所述单价脂肪烃基可包括双键、三键或者双键和三键，所述单价脂肪烃基可以是支链的单价脂肪烃基，所述的单价芳香烃基和单价杂环芳香烃基各自含有作为一个或多个取代基的选自羟基、羧基、氨基和磷腈环所组群组中的一个或多个基团；p’、q’、r’和s′都是正实数；式9-11的每个结构单元可相互构成每个化合物结构中的无规序列或嵌段序列。无规序列无规序列
研究结果发现除上述条件外，当使用具有极性基团的润滑剂来提高润滑剂在基底上的附着性能时，润滑剂的扩散系数和粘度之间存在限制润滑剂膜厚度变化的特定关系。据推测润滑剂膜变化的原因是由于极性基团的分子间相互作用导致的分子凝聚，分子的凝聚可由扩散系数和粘度之间的特定关系而被限制到可接受的程度内。
优选地，含氟聚合物的润滑剂具有以下关系：Y<-1.4475X+2.815，其中Y是23℃时扩散系数的自然对数；X是20℃时的粘度。更优选的关系为：Y<-4/3·X+2。
采用半浸渍方法测定扩散系数。扩散系数的单位是μm2/s。半浸渍方法是通过浸润施用润滑剂而将润滑剂施加在盘的部分表面上，而不是全部表面。采用该施用方法，随着时间的延长，润滑剂移动，也就是扩散到没有覆盖的磁盘表面上。将扩散距离的平方对时间作图得到的斜率定义为扩散系数。可以用例如旋转粘度计等仪器测定粘度，单位是Pas。
上述关系定义了在诸如磁记录介质、滑动头等基底上的移动性(扩散系数)和分子间相互作用(粘度)之间的关系，表明分子间相互作用小且难以在基底上移动的润滑剂不易于发生凝聚。该关系特别定义了有关参数。
这样的条件通常可用于包括含氟聚合物的润滑剂。但，如果能用于如上所述的各种含氟聚合物则更有益处，这样就可以在较短的时间内选择更有利的润滑剂组分。
本发明的上述各润滑剂可有利地用于设置于磁记录装置的磁记录介质和/或滑动头之上的润滑剂层。包括磁记录层、磁记录层上的保护层和保护层上面的磁记录介质润滑剂层的磁记录介质，其中磁记录介质润滑剂层是通过施用上述润滑剂而形成，以及用于在磁记录介质上记录和/或从磁记录介质上读取记录的滑动头，其在面向磁记录介质的一面上具有保护层和施用上述润滑剂而形成的滑动头润滑剂层，这些润滑剂层的膜厚度很薄，符合较窄的头飞行高度的要求。
在这种情况下，为提高施用在表面上并且粘附其上的润滑剂的表面均匀一致性，在施用润滑剂后，优选对磁记录介质润滑剂层和滑动头润滑剂层进行热处理。热处理优选在70-150℃的环境温度下进行0.5-2小时。施用润滑剂后，还优选进行UV照射处理。热处理和UV照射处理可以任选其一或两者都采取。为改进在被覆盖表面上的粘附力，优选采用这两者处理方法，热处理之后再用UV照射处理。
本发明对润滑剂所覆盖的磁记录介质表面和滑动头表面的材料没有限制，可以从已知的任意材料中适当选择。优选那些对极性基团如羟基有一定程度亲和力的材料。
本发明的磁记录装置将在下文进行说明，用硬盘装置为例进行说明。只要不与本发明的要旨相矛盾，本发明的“磁记录装置”可包括任一或全部的具有磁记录介质和滑动头的磁记录装置。
图21是显示内部结构的硬盘装置的平面示意图，图22是截面示意图(沿垂直于磁记录介质的磁记录层的方向的截面图)显示了头和磁记录介质的关系。
如图21所示，该硬盘驱动器的主要部件有磁记录介质11、含头的滑动头212、用于控制磁记录介质11的旋转控制部件3(如纺锤形马达)、用于固定头的部件4和记录/再现信号的处理电路5(读/写放大器等)。
如图22所示，滑动头212通过悬臂6和用于灵活支撑滑动头212的万向节(gimbals)7与用于固定头的部件4连接，滑动头212的顶端设有头8。滑动头的表面上设有滑动头保护层9和滑动头润滑剂层10。
从图22的底部可见，磁记录介质11具有基底12、Cr衬底层13、磁记录层14、磁记录介质保护层15、磁记录介质润滑剂层16等。也可以设置其它层，如接种层，其在图中被省略。
实施例
以下是本发明实施例和比较实施例的详细描述。
实施例1
(润滑剂的合成)
向500mL丙酮中加入100g商业来源的FOMBLIN Z DOL(来自Solvay
Solexis的一种产品，相应于式2结构，其中x＝y＝0，分子量为2,020)和0.125摩尔的表氯醇。将0.11摩尔的氢氧化钠溶于5g水中形成的水溶液逐滴地加入到混合物中，充分搅拌10分钟。将混合物加热回流8小时。
之后，用蒸发仪使丙酮挥发后，加入25g三氟乙酸和250mL水，混合物在70℃下搅拌3小时。回收沉淀，80℃下水洗沉淀。
经FT-IR、1HNMR、13CNMR和19FNMR确定了该聚合物的结构为如式1所示，其中n＝a＝b＝0，δ＝1。图5-8给出了一些光谱结果。经过19FNMR测定，数均分子量为4,653，平均聚合度为2.14，相邻羟基之间的分子链的数均分子量为1,980。可以理解数均分子量是后面将讨论的数均分子量(M1，M2，…)的平均值。
此外，随着温度和压力的改变，用超临界二氧化碳液体溶解和提取上述聚合物润滑剂。表1给出了数均分子量(Mn)、平均聚合度(r)、相邻极性基团(羟基)之间的分子链(M1，M2，…)的数均分子量(Mc)和每分子所提取的润滑剂中羟基的平均数以及提取的流份(Fr1-Fr7)。
[表1]
 
流份号 Mn r Mc 羟基/分子
Fr1 1574 1.13 1220 2.1
Fr2 2211 1.21 1650 2.2
Fr3 3259 1.47 2050 2.5
Fr4 4774 2.08 2100 3.1
Fr5 7426 2.94 2330 3.9
Fr6 11328 4.45 2340 5.5
Fr7 12072 4.55 2450 5.6
实施例2
(单分子层膜厚度的测定)
如X.Ma et al.，＂Journal of Chemical Physics＂，1999，Vol.110，p.3，129-3，137所述的方法，从梯形结构(参见图9中A)获得单分子层膜厚度，通过椭圆偏振仪观察润滑剂膜厚度的截面随着时间变化的特征，当润滑剂被液化时则出现该梯形结构(参见图9)。
用浸渍方法将润滑剂Fr4施用于硬盘保护层的一部分，观察润滑剂膜厚度的截面随着时间变化的特征。结果如图9所示出现梯形结构，该梯形的膜厚度为1.74nm(即单分子层膜厚度)。图9左侧的较小数值表示保护层表面没有润滑剂覆盖。结构右侧大于梯形结构的数值表示由两层或两层以上的分子构成的膜厚度。
用同样方法得到FOMBLIN Z DOL(分子量为2,022)的值为1.66nm。换句话说，即使分子量比FOMBLIN Z DOL大两倍甚至两倍以上，但实施例1中的含氟聚合物具有接近单分子层膜厚度的相同水平。这就是润滑剂的极性基团附着在基底上的结果。
将相邻极性基团(羟基)间的分子链(M1，M2........，)的数均分子量(Mc)与通过椭圆偏振仪得到的单分子层膜厚度的数据之间的关系，制成图10。
结果是，当数均分子量高达3,000时，单分子层膜厚度可以达到2.5nm。如果一般认为覆盖膜厚度大约占单分子层膜厚度的80％时，则Mc为3,000时会得到2nm的覆盖膜厚度。从对磁空间和头飞行稳定性的角度来看，该数值太大了。因此，Mc值更优选不大于3,000。
从对表面自由能测定的结果判断，对表面的覆盖是充分的。换句话说，当FOMBLIN Z DOL的表面自由能是23mN/m时，实施例1中的含氟聚合物Fr4是18mN/m，这个表面自由能态是足够低的。
实施例3
(润滑剂的合成)
向500mL的丙酮中加入100g商业来源的FOMBLIN Z DOL TX(来自Solvay Solexis的一种产品，x、y的平均值为1.73，分子量为2,000，参见式31的结构)和0.125摩尔的表氯醇。将0.11摩尔的氢氧化钠溶于5g水中形成的水溶液逐滴地加入到混合物中，充分搅拌10分钟。将混合物加热回流8个小时。
之后，用蒸发仪使丙酮挥发后，加入25g三氟乙酸和250mL水，混合物在70℃下搅拌3小时。回收沉淀，80℃下水洗沉淀。
H-O(CH2CH2O)1.73CH2CF2O(CF2CF2O)p(CF2O)qCF2CH2(OCH2CH2)1.73O—H…(31)
经过FT-IR、1HNMR、13CNMR和19FNMR，确定该聚合物的结构如式32所示。经过19FNMR测定，数均分子量为4,138，平均聚合度为1.98，相邻羟基之间的分子链的数均分子量为1,780。应该理解，数均分子量是后面将讨论的数均分子量(M1，M2，...)的平均值。
H—{(XZ)0.98—(X)]—H…(32)
此外，随着温度和压力的改变，用超临界二氧化碳液体溶解和提取上述聚合物润滑剂。表2给出了数均分子量(Mn)、平均聚合度(r)、相邻极性基团(羟基)之间的分子链(M1，M2，...)的数均分子量(Mc)和每分子所提取的润滑剂中羟基的平均数以及提取的流份(Fr1T-Fr6T)。
[表2]
 
流份号 Mn r Mc 羟基/分子
Fr1T 1345 1.11 950 2.1
Fr2T 1740 1.3 1100 2.3
Fr3T 2283 1.44 1370 2.4
Fr4T 4013 1.98 1870 3.0
Fr5T 9160 2.95 3000 4.0
Fr6T 10769 4.34 2410 5.3
实施例4
(飞行性能的评价)
将实施例1中得到的润滑剂(Fr4)通过浸渍方法施用到硬盘的保护层，用滑动试验评价其飞行性能。润滑剂的覆层厚度是1.2nm。在130℃的环境温度下热处理覆层50分钟。当其上装有压电元件的滑动元件以6nm的高度悬浮并伴随着磁盘以8.9m/s边缘速度旋转时，监测该试验压电元件的输出。
出于比较，对商业来源的记录密度为38Gbit/inch2(转换值为5.89Gbit/cm2)的磁盘进行同样的试验。如图11和12所示，它们之间没有差别，这表明润滑剂层施用了本发明润滑剂的磁盘有很好的飞行性能。在图11和12中，横坐标轴表示沿磁盘半径方向磁盘上的位置，纵座标轴代表压电元件的输出电压。
仍然出于比较，通过浸渍方法将商业来源的FOMBLIN Z DOL(分子量为4,000)施用于硬盘的保护层，利用滑动试验评价其飞行性能。润滑剂的覆层厚度为1.2nm。在130℃的环境温度下对该覆层热处理50分钟。
但在此条件下，头并不能飞行。认为这是由于分子量太大，因而单分子层膜厚度太厚，导致飞行失败。
实施例5
(飞行性能的评价)
用与实施例4同样的浸渍方法将实施例3中的润滑剂(Fr4T)施用于硬盘的保护层，用与实施例4同样的滑动试验评价其飞行性能。结果用该润滑剂得到了与实施例4中Fr4同样好的飞行性能。
实施例6
(飞行性能的评价)
用CSS(接触-启动-停止)测定仪，测定起飞速度(TOV)和降落速度(TDV)。TOV被定义为磁盘提高旋转速度期间，头开始飞行时的速度，TDV被定义为磁盘降低旋转速度期间，头与磁盘接触时的速度。
所采用的头能提供10nm高的飞行高度，磁盘的磁记录介质润滑剂层使用润滑剂(实施例1中为Fr4)。覆层厚度为1.2nm。采用与实施例4同样的热处理。
出于比较，对商业来源的记录密度为38Gbit/inch2(转换的值为5.89Gbit/cm2)的磁盘进行同样的试验。结果如图13和14所示，它们之间没有差别，都具有很好的飞行性能。在图13和14中，磺坐标表示沿磁盘半径方向的磁盘上的位置，纵座标表示磁盘的旋转速度。
实施例7
(低温时的性能)
用浸渍方法将实施例1中的润滑剂(Fr1-Fr7)和实施例3中的润滑剂(Fr1T-Fr6T)施用于硬盘的保护层，进行CSS(接触-启动-停止)试验，评价低温时的性能。润滑剂的覆层厚度为1.2nm，在130℃的环境温度下对覆层热处理50分钟。
在5℃的环境温度下重复进行CSS试验。结果表明，Fr1至Fr6和Fr1T至Fr6T，进行50,000次以上都可能无差错。而当用Fr7时，在大约第38,000圈时，头发生破碎。换句话说，当分子量大于12,000，低温下的耐久性则明显降低。这可能由于如图15所示的低温下粘度显著增加的原因。
实施例8
对实施例1中的润滑剂Fr4、Fr5和Fr6，测定了20℃下的粘度(单位：Pas)和23℃下的扩散系数(单位：μm2/s)。表3示出测量结果。当将23℃的扩散系数(单位：μm2/s)的自然对数设定为Y，20℃下的粘度(单位：Pas)设定为X，粘度和23℃时扩散系数的自然对数之间的关系满足关系
Y<-1.4475X+2.815，如图20所示。此时的扩散系数是采用半浸渍方法所测定，粘度是采用旋转粘度计所测定。在半浸渍方法中，即刻施用润滑剂后，被润滑剂覆盖的区域和没有覆盖的区域之间的界线要很清晰，这点非常重要。即覆盖润滑剂时，以使磁盘表面上形成的界线要尽可能的垂直。
将这些润滑剂以大约3nm的厚度均匀地施用于磁盘，置于室温下140个小时，然后观察凝聚(或凝结)状态。结果没有发现明显的凝聚。施用即刻后和施用140个小时之后的膜厚度特征如图16和17所示。
[表3]
 
润滑剂 20℃的粘度(Pas) 1n[扩散系数(单位：μm<sup>2</sup>/s)]
Fr4 0.323 1.9595
Fr5 0.613 0.8856
Fr6 1.39 -1.2123
比较实施例1
为了比较，包括含氟聚合物的润滑剂(A，B，C)，当将23℃时的扩散系数的自然对数设为Y，20℃的粘度设为X，且满足关系Y＝-1.4475X+2.815的润滑剂，按照实施例8相同的方法施用于磁盘上，观察施用140个小时后的凝聚(或凝结)状态。此时的扩散系数是采用半浸渍方法所测定，粘度是采用旋转粘度计所测定。
表4示出了润滑剂粘度和23℃时扩散系数的关系。图18和19示出了室温下施用即刻后和施用140个小时后的膜厚度特征。另外，图20示出了与实施例8中润滑剂所述关系相比较的粘度和23℃时的扩散系数的关系。
[表4]
 
润滑剂 20℃下的粘度(Pas) Ln[扩散系数(单位：μm<sup>2</sup>/s)]
A 0.089 2.7079
B 0.727 1.732
C 2.18 -0.3281
实施例9
(润滑剂的合成)
向实施例1中得到的润滑剂中加入溶于叔丁醇和四氢呋喃中的2.2当量的叔丁醇钾。然后加入2当量的缩水甘油。混合物在室温下反应6小时。加入25g的三氟乙酸和250mL水，然后70℃搅拌3小时。回收沉淀，80℃水洗沉淀。
通过FT-IR、1HNMR、13CNMR和19FNMR确定该聚合物的结构如式1所示，其中a＝b＝0，m＝0.28，n＝0.86和δ＝0.25。

Claims (20)

1.一种包括含氟聚合物的润滑剂，所述润滑剂具有以下关系：Y＜-1.4475X+2.815，其中Y是23℃时的扩散系数的自然对数，扩散系数的单位为μm2/s；X是20℃时的粘度，粘度的单位为Pas。
2.一种包括含氟聚合物的润滑剂，其中所述含氟聚合物具有式1所示结构，并且其相邻极性基团之间的分子链的数均分子量不小于500：
H-{(XZ)m，(YZ)n}-(Xδ，Y(1-δ))-H    ---(1)
在式1中，m和n各自是不小于0的实数，其中m和n不能同时为0；{(XZ)m，(YZ)n}表示结构单元XZ和结构单元YZ可相互构成无规序列或嵌段序列；相似地，(Xδ，Y(1-δ))表示结构单元X和结构单元Y可相互构成无规序列或嵌段序列；δ是不小于0且不大于1的实数；X、Y和Z的化学结构分别如式12、13和14所示，其中X、Y和Z中的氢可以被含有1-3个碳的有机基团所取代，该有机基团可以包括醚键，也可以包括用于取代氢的极性基团和氟中之一或二者都包括，
-O(CH2CH2O)aCH2CF2O(CF2CF2O)p(CF2O)qCF2CH2(OCH2CH2)b O-...(12)
在式12中，a、b、p和q各自是不小于0的实数，其中p和q不能同时为0；结构单元CF2CF2O和CF2O可相互构成无规序列或嵌段序列，
Figure FA20189660200610109737201C00011
在式13中，c、d、r和s各自是不小于0的实数，其中r和s不能同时为0；结构单元CF2CF2O和CF2O可相互构成无规序列或嵌段序列；Pol是极性基团，其在该式中相互独立，且独立于其它式，
Figure FA20189660200610109737201C00021
在式14中，Pol是极性基团，其独立于其它式。
3.根据权利要求2所述的润滑剂，其中所述的含氟聚合物的数均分子量不小于2,000且不大于12,000。
4.根据权利要求2所述的润滑剂，其中所述的Pol是羟基。
5.根据权利要求2所述的润滑剂，其中所述的含氟聚合物的相邻极性基团之间的分子链的数均分子量不大于3,000。
6.根据权利要求2所述的润滑剂，其中所述的含氟聚合物具有如式3所示结构的端基，
-R.............(3)
在式3中，R是极性基团或烃基。
7.根据权利要求2所述的润滑剂，其中式1中结构单元CF2O和CF2CF2O的部分或全部被式4和式5所表示的任一结构所取代-CF2CF2CF2-...........(4)
Figure FA20189660200610109737201C00022
8.根据权利要求2所述的润滑剂，其中所述的含氟聚合物除羟基外没有极性基团。
9.根据权利要求2所述的润滑剂，其中平均每分子所述的含氟聚合物在分子链的中间部分具有1.0至10.0个羟基。
10.一种包括含氟聚合物的润滑剂，其中所述含氟聚合物是由具有式2所示结构的化合物和表氯醇进行反应所形成，该含氟聚合物的数均分子量不小于2,000且不大于12,000，平均每分子的含氟聚合物在分子链的中间部分具有1.0至10.0个羟基，
HO(CH2CH2O)xCH2CF2O(CF2CF2O)p″(CF2O)q″CF2CH2(OCH2CH2)yOH...(2)
在式2中，p”、q”、x和y是相互独立的，各自是不小于0的实数，其中p″和q″不能同时为0；结构单元CF2CF2O和CF2O可相互构成无规序列或嵌段序列。
11.根据权利要求10所述的润滑剂，其中所述润滑剂包括的含氟聚合物是由具有式2所示结构的化合物和表氯醇反应，随后再与缩水甘油反应所形成，该含氟聚合物的数均分子量不小于2,000且不大于12,000，平均每分子的含氟聚合物在分子链的中间部分具有1.0至10.0个羟基。
12.根据权利要求10所述的润滑剂，其中所述的含氟聚合物具有如式3所示结构的端基，
-R..........(3)
在式3中，R是极性基团或烃基。
13.根据权利要求10所述的润滑剂，其中式2中的部分或全部结构单元CF2O和CF2CF2O被式4和式5中任一结构所替代
-CF2CF2CF2-.........(4)
14.根据权利要求2所述的润滑剂，所述的润滑剂包括除所述含氟聚合物之外的含氟化合物。
15.根据权利要求14所述的润滑剂，其中除所述含氟聚合物之外的所述含氟化合物选自由具有式9、10和11所示结构的化合物所组群组中的至少一个化合物
R1CF2O-(CF2CF2O)p′-(CF2O)q′-CF2-R2……(9)
R1-O-(CF2CF2CF2O)r′-CF2CF2-R2……(10)
Figure DEST_PATH_FA20189660200610109737201C00032
在式9-11中，R1和R2在每个式中是相互独立的，并且各式独立于其它式，其分别是选自如下组成的群组中的一个基团：羟基、羧基、氨基、磷腈环、单价脂肪烃基、单价芳香烃基和单价杂环芳香烃基，所述单价脂肪烃基包括一个或多个取代基，所述取代基选自羟基、羧基、氨基和磷腈环所组群组中的一个或多个基团，所述单价脂肪烃基可包括羰基、醚基或羰基和醚基，可包括双键、三键或者双键和三键，所述单价脂肪烃基可以是支链的单价脂肪烃基，所述的单价芳香烃基和单价杂环芳香烃基各自含有作为一个或多个取代基的选自羟基、羧基、氨基和磷腈环所组群组中的一个或多个基团；p’、q’、r’和s′都是正实数；式9-11的每个结构单元可相互构成每个化合物结构中的无规序列或嵌段序列。
16.根据权利要求2所述的润滑剂，其中所述包括含氟聚合物的润滑剂具有以下关系：Y<-1.4475X+2.815，其中Y是23℃时的扩散系数的自然对数，扩散系数的单位为μm2/s；X是20℃时的粘度，粘度单位为Pas。
17.一种磁记录介质，其包括磁记录层、所述磁记录层上的保护层和保护层上面的磁记录介质润滑剂层，其中所述的磁记录介质润滑剂层是通过施用权利要求1的润滑剂而形成。
18.一种磁记录介质，其包括磁记录层、所述磁记录层上的保护层和保护层上面的磁记录介质润滑剂层，其中所述的磁记录介质润滑剂层是通过施用权利要求2的润滑剂而形成。
19.一种用于在磁记录介质上记录和/或从磁记录介质上读取记录并带有记录转换器的滑动头，所述滑动头在面向所述记录介质的表面上具有保护层，并具有通过施用权利要求1的润滑剂而形成的滑动头润滑剂层。
20.一种用于在磁记录介质上记录和/或从磁记录介质上读取记录并带有记录转换器的滑动头，所述滑动头在面向所述记录介质的表面上具有保护层，并具有通过施用权利要求2的润滑剂而形成的滑动头润滑剂层。
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