CN101474538B

CN101474538B - 在多孔基板表面涂覆溶胶－凝胶薄膜的方法

Info

Publication number: CN101474538B
Application number: CN2008102043788A
Authority: CN
Inventors: 李海滨
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2028-12-11
Also published as: CN101474538A

Abstract

本发明涉及一种无机非金属材料技术领域的在多孔基板表面涂覆溶胶-凝胶薄膜的方法。本发明通过单面密封多孔基板，并暴露多孔基板另一面，在多孔基板暴露面涂覆溶胶，使基板孔中的空气受到压缩，而形成气垫，阻止溶胶液体流入孔内部，从而在基板表面形成均匀溶胶-凝胶薄膜。多孔硅基板、径迹蚀刻有机膜板、阳极氧化Al₂O₃等多孔基板均适用于本发明方法。本发明不使用有机物填充阻塞多孔基板的孔，而是采用单面密封多孔基板方法，能够直接在多孔基板表面涂覆液体溶胶，保证无渗漏地在多孔基板表面形成均匀无机或无机/有机膜层，从而解决了现有技术中的问题。

Description

在多孔基板表面涂覆溶胶-凝胶薄膜的方法

技术领域

本发明涉及一种无机非金属材料技术领域的薄膜制备方法，具体是一种在多孔基板表面涂覆溶胶-凝胶薄膜的方法。

背景技术

软化学溶胶-凝胶方法，工艺简单且制造成本低，因而已经成为制备无机及无机/有机复合薄膜有效的工艺手段，该方法制备的薄膜可应用于气体及液体过滤以及燃料电池电解质。溶胶-凝胶薄膜必须支撑于多孔基板上，才能实现气、液分离及其它特殊功能。作为多孔支撑基板，有分相腐蚀法制备的纳米孔玻璃板、烧结多孔陶瓷基板、多孔硅片、径迹蚀刻有机基板以及阳极氧化Al₂O₃多孔基板等作为备选。溶胶-凝胶薄膜的超薄性质决定了其难以自支撑于多孔基板上，通常在制备过程中溶胶液体会渗入孔中，无法在多孔基板表面形成均匀薄膜，而且填入孔中的凝胶阻塞过滤气体或液体的流动，降低流速，导致分离效率极大地降低。为解决这个问题，不得不采用多层过渡层涂覆的方法，即在具有较大孔尺寸的基板上涂覆数微米厚过渡层，逐步减小过渡层孔尺寸，最后涂覆超薄纳米孔膜。该方法也同样增加了过滤层厚度，降低滤液和过滤气体的流速，并降低分离效率，而且，过渡层涂覆增加了工序，提高了成本和工艺复杂度。由上面分析可知，溶胶渗入是多孔基板表面涂覆溶胶-凝胶薄膜的一个关键技术难题。

经对现有技术文献检索发现，Kim等人在《Advanced Materials》(先进材料)(2002年第15期第1078页)上发表“Preparation of continuous mesoporoussilica thin film on a porous tube”(在多孔管上连续介孔SiO₂薄膜的制备)，该文献提出了在多孔Al₂O₃基板上涂覆SiO₂薄膜的方法。他们首先用水溶性聚乙烯醇(PVA)作为填孔剂，涂覆填充多孔支撑体。然后涂覆SiO₂薄膜，PVA层阻挡SiO₂溶胶液体渗入多孔支撑体中，在多孔基板表面形成SiO₂膜层。最后，通过烧结处理，填充体PVA层热分解而被去除。检索中还发现，黄建国等人在“薄膜材料およびその製造方法”(薄膜材料及其制造方法)专利文献(特開2004-352568)中，采用高分子化合物堵塞多孔基板的孔，形成中间层有机薄膜，随后在表面涂覆TiO₂或SiO₂薄膜，最后采用氧等离子处理、烧结热处理等方法去除高分子化合物及有机中间层。以上方法对于在多孔支撑体上涂覆无机薄膜显示出一定的效果。但是，必须经过烧结或等离子处理等后期处理工序去除作为支撑体的有机层，该工序容易破坏无机薄膜，并使无机薄膜产生裂纹等缺陷。而且，多孔基板中填充有机物，之后再采取后期处理方法去除有机支撑层，增加了工艺步骤，提高了工艺复杂度，并由此增加了成本。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种在多孔基板表面涂覆溶胶-凝胶薄膜的方法，不使用有机物填充阻塞多孔基板的孔，而是采用单面密封多孔基板方法，能够直接在多孔基板表面涂覆液体溶胶，保证无渗漏地在多孔基板表面形成均匀无机或无机/有机膜层，从而解决了现有技术中的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

步骤1：将多孔基板置于支撑垫板上；

所述多孔基板为阳极氧化Al₂O₃、多孔硅、纳米孔玻璃、径迹蚀刻有机基板等中一种。

所述支撑垫板为Si片、玻璃片、塑料板、金属板等中一种，优选Si片和玻璃片，最佳是Si片。

步骤2：用密封材料将多孔基板周边或多孔基板底部与垫板连接并密封，只暴露多孔基板的单面；

所述密封材料，是指硅胶、有机塑料、石蜡、环氧树脂等密封材料。

步骤3：通过单面密封多孔基板，并暴露多孔基板另一面，在多孔基板暴露面涂覆溶胶，使基板孔中的空气受到压缩，而形成气垫，阻止溶胶液体流入孔内部，从而在基板表面形成均匀溶胶-凝胶薄膜；

所述在多孔基板暴露面涂覆溶胶，其方法为以下两种中任一种：

A.旋转涂膜：将封有多孔基板的垫板置于旋转涂膜机上，未密封的暴露面向上，然后将无机或无机/有机复合溶胶液滴于多孔基板暴露面的表面，启动旋转涂膜机，使旋转涂膜机速度达到100转-10000转/分钟，并保持5秒-10分钟；优选条件是1000转-6000转/分钟，保持30秒-3分钟；最佳的条件是3000转/分钟，保持1分钟。形成支撑于多孔基板上的无机或无机/有机复合凝胶薄膜结构。

B.提拉涂膜：将封有多孔基板的垫板浸入溶胶液中，以0.1-100厘米/分钟的速度从液体中提拉出垫板，优选的提拉速度是1-20厘米/分钟，最佳的提拉速度是5厘米/分钟。形成支撑于多孔基板上的无机或无机/有机复合凝胶薄膜结构。

步骤4：采用烧结热处理、氧等离子处理或臭氧处理方法，可去除有机成分，并使薄膜致密化，获得无机薄膜。

所述的烧结热处理、氧等离子处理或臭氧处理方法都可以采用现有技术实现，比如：所述热处理可以在空气、氧气或惰性(氮气、氩气等)气氛中，在室温-800度保持5分-72小时。所述氧等离子处理可以在含氧气氛中，在1-200瓦保持1分-20小时。所述臭氧处理可以在紫外线辅助臭氧处理器中实施，大气压力下，保持1分-10小时。但是不限于上述的措施。

本发明能够在具有数纳米-数十微米孔尺寸的多孔基板上直接通过溶胶-凝胶工艺涂覆无机或无机/有机薄膜，该薄膜均匀地支撑于多孔基板上，解决溶胶液体对于多孔基板的渗漏问题。作为本发明方法，通过单面密封多孔基板，并暴露多孔基板另一面，在多孔基板暴露面涂覆溶胶，使基板孔中的空气受到压缩，而形成气垫，阻止溶胶液体流入孔内部，从而在基板表面形成均匀溶胶-凝胶薄膜。多孔硅基板、径迹蚀刻有机膜板、阳极氧化Al₂O₃等多孔基板均适用于采用本发明工艺方法涂覆溶胶-凝胶薄膜。

采用本发明能在多孔基板上涂覆无渗透、光滑、致密的具有高表面质量的无机或无机/有机复合薄膜。这种薄膜支撑于多孔基板的膜结构，应用于纳米过滤分离膜，可以提高纳米过滤分离效率。通过不同模板的使用，可制备具有不同孔尺寸的纳米过虑薄膜，从而适用不同尺寸目标分子的过滤。而支撑于多孔基板上的电解质薄膜可以应用于传感器(如湿度传感器、氢气传感器、氧传感器)及燃料电池等电化学器件。

附图说明

图1为多孔基板涂覆溶胶-凝胶薄膜的工艺流程图；

其中：(a)将基板无密封置于支撑垫板上；(b)基板周边边缘密封于支撑垫板；(c)基板底部密封于支撑垫板。

图2为本发明实施例示意图；

其中：(a)为未涂膜的Al₂O₃(Anodisc，0.02μm)多孔基板；实施例1制备的支撑于Al₂O₃(Anodisc，0.02μm)多孔基板上的纳米孔二氧化硅薄膜：(b)是顶视图；(c)是抛面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1(a)为采用通常溶胶-凝胶涂膜方法在多孔基板表面涂覆的流程示意图：

A.旋转涂膜：将多孔基板(阳极氧化Al₂O₃、多孔硅、径迹蚀刻有机基板等)用胶带粘于支撑垫板上、或者直接使用。将粘有多孔基板的垫板或者多孔基板置于旋转涂膜机上的旋转台上。然后将无机或无机/有机复合溶胶液滴于多孔基板暴露面的表面，启动旋转涂膜机达到设定速度，并保持一定时间。

B.提拉涂膜：将多孔基板(阳极氧化Al₂O₃、多孔硅、径迹蚀刻有机基板等)用胶带粘于支撑垫板上、或者直接使用。将粘有多孔基板的垫板或者多孔基板浸入溶胶液中，以一定速度从液体中提拉出垫板或多孔基板。

在此方法中，多孔基板两面的孔与空气连通，旋转涂膜或者提拉涂膜时，液体溶胶渗入多孔基板孔中，无法在多孔基板表面得到均匀溶胶-凝胶薄膜。

图1(b)和(c)为采用本发明的多孔基板单面密封方法在多孔基板表面涂覆均匀溶胶-凝胶膜层的流程示意图：

用密封材料(如硅胶、有机塑料、石蜡等密封材料)将多孔基板(阳极氧化Al₂O₃、多孔硅、径迹蚀刻有机基板等)周边边缘(图1(b))或多孔基板底部(图1(c))与垫板连接并密封，只暴露多孔基板的单面。将密封多孔基板的垫板置于旋转涂膜机的旋转台上。然后将无机或无机/有机复合溶胶液滴于多孔基板暴露面的表面，以一定转速启动旋转涂膜机，并保持一定时间，在多孔基板表面形成均匀溶胶-凝胶薄膜。或者采取提拉涂膜工艺，将密封多孔基板的垫板浸入溶胶液中，以一定速度从液体中提拉出垫板，在多孔基板表面得到均匀无机或无机/有机复合溶胶-凝胶薄膜。采用烧结热处理、氧等离子处理或臭氧处理方法，可去除有机成分，并使薄膜致密化，获得无机薄膜。

在该方法中，通过单面密封多孔基板，并暴露多孔基板另一面，在多孔基板暴露面涂覆溶胶，使基板孔中的空气受到压缩，而形成气垫，阻止溶胶液体流入孔内部，从而在基板表面形成均匀溶胶-凝胶薄膜。

实施例1：

1、将附有塑料边环的阳极氧化Al₂O₃基板(Anodisc25，孔径20nm)置于Si片支撑垫板上；

2、在电热板上加热，使塑料边环熔化，通过黏附，周边密封阳极氧化Al₂O₃基板于Si片支撑垫板上，只暴露Al₂O₃基板单面。

3、通过单面密封多孔基板，并暴露多孔基板另一面，在多孔基板暴露面涂覆溶胶，使基板孔中的空气受到压缩，而形成气垫，阻止溶胶液体流入孔内部，从而在基板表面形成均匀溶胶-凝胶薄膜；其中：

溶胶制备：10g正硅酸乙脂稀释于30g乙醇中，加入4g盐酸水溶液(0.1mol/l)，在60℃搅拌1h。然后加入乙醇为溶剂的C₁₆H₃₃(OCH₂CH₂)₁₀OH表面活性剂(

56，SIGMA-ALDRICH)溶液，室温连续搅拌1h，直至获得透明、澄清的溶胶。

涂覆溶胶：采用旋转涂膜方法，将封有多孔基板的垫板置于旋转涂膜机上，未密封的暴露面向上，取0.3ml上面配制的溶胶，以2000转/分的速度旋转涂覆于多孔Al₂O₃(Anodisc，孔径20nm)基板暴露表面，保持1分钟。形成溶胶-凝胶薄膜支撑于基板表面的结构。

4、在空气中，涂覆薄膜的样品放入热处理炉中400℃保温2h热处理，然后随炉冷却至室温，去除有机物，根据需要可以重复上述涂覆、热处理工艺，进行多层膜制备。获得SiO₂膜支撑于阳极氧化多孔Al₂O₃基板的结构。

使用扫描电镜确认本实施例得到的支撑于多孔基板的SiO₂薄膜的厚度和膜质量。图2是扫描电镜像。图2(a)显示了未涂膜的多孔Al₂O₃(Anodisc，孔径20nm)基板。图2(b)的扫描电镜像表示出支撑于Al₂O₃多孔基板上的SiO₂薄膜平滑、无裂纹。图2(c)抛面图显示出薄膜支撑于Al₂O₃多孔基板上，没有溶胶-凝胶对多孔基板的渗入。膜层拥有500纳米的均匀厚度。

实施例2：

1、将阳极氧化Al₂O₃基板(Anodisc25，孔径100nm)置于Si片支撑垫板上；

2、使用石蜡作为密封材料，将基板底部与垫板连接密封，只暴露Al₂O₃基板单面；

溶胶制备：10g正硅酸乙脂稀释于30g乙醇中，加入4g盐酸水溶液(0.1mol/l)，在60℃搅拌1h，直至获得透明、澄清的溶胶。

涂覆溶胶：采用旋转涂膜方法，将封有多孔基板的垫板置于旋转涂膜机上，未密封的暴露面向上，取0.2ml上面配制的溶胶，以3000转/分的速度旋转涂覆于多孔Al₂O₃基板暴露表面，保持1分钟，形成溶胶-凝胶薄膜支撑于基板表面的结构。

4、在空气中，涂覆薄膜的样品放入热处理炉中600℃保温6h热处理，然后随炉冷却至室温。

由本实施例，获得支撑于孔径100纳米多孔Al₂O₃基板的平滑、无裂纹SiO₂薄膜。

实施例3：

1、将孔径200纳米的径迹蚀刻聚碳酸酯膜(Whatman Cyclopore)置于Si片支撑垫板上；

2、使用硅胶作为密封材料，将基板周边边缘与垫板连接密封，只暴露径迹蚀刻有机基板单面；

溶胶制备：10g正硅酸乙脂稀释于40g乙醇中，加入4g盐酸水溶液(0.1mol/l)，在60℃搅拌1h，直至获得透明、澄清的溶胶。

涂覆溶胶：采用提拉涂膜方法，将密封有多孔基板的垫板浸入溶胶液中，以5厘米/分钟的速度从液体中提拉出垫板，在多孔基板表面形成均匀溶胶-凝胶薄膜。

4、在PDC-M等离子处理器中实施氧等离子处理，在30瓦保持20分钟。

由本实施例，获得支撑于纳米孔有机基板上的均匀、平滑、无裂纹SiO₂膜。

实施例4：

1、将多孔玻璃基板(Corning公司的

7930)置于玻璃支撑垫板上；

溶胶制备：以正丁醇锆∶乙酰丙酮∶水∶丙醇∶表面活性剂

F127(BASF Corporation)＝1∶5∶5∶20∶0.01的比例配制溶胶。按比例将正丁醇锆稀释于丁醇中，加入乙酰丙酮和水，在室温搅拌1h；表面活性剂

F127溶解于5倍体积的丁醇中，在室温搅拌1h；将上述两种溶液混合、室温连续搅拌2h，直至获得透明、澄清的溶胶。

涂覆溶胶：使用此溶胶在多孔基板上涂覆工艺同实施例3。

4、紫外线辅助臭氧处理，处理时间为30min。

由本实施例，获得支撑于多孔玻璃基板上的均匀、平滑、无裂纹ZrO₂膜。

实施例5：

1、将阳极氧化多孔Al₂O₃基板(Anodisc25，孔径200nm)置于Si片支撑垫板上；

2、使用环氧树脂作为密封材料，将基板周边与垫板连接密封，只暴露Al₂O₃基板单面；

溶胶制备：以正丁醇锆∶乙酰丙酮∶水∶丁醇∶表面活性剂

F127＝1∶2∶4∶20∶0.01的比例配制溶胶。按比例将正丁醇锆稀释于丁醇中，加入乙酰丙酮和水，在室温搅拌1h；表面活性剂

涂覆溶胶：使用此溶胶在多孔基板上的涂覆工艺同实施例3。

4、在PDC-M等离子处理器中实施氧等离子处理，在20瓦保持45分钟。

由本实施例，获得支撑于阳极氧化多孔Al₂O₃基板上的均匀、平滑、无裂纹纳米孔ZrO₂膜。

实施例6：

1、将孔径2微米多孔硅基板置于不锈钢支撑垫板上；

2、使用石蜡作为密封材料，将基板底部与垫板连接密封，只暴露多孔硅基板单面；

溶胶制备：按照异丙醇钛∶丙醇∶表面活性剂＝1∶20∶0.1的比例配制溶胶。按比例将异丙醇钛稀释于丙醇中；同时表面活性剂

F127溶解于5倍体积的丙醇中，在室温搅拌1h。将上述两种溶液混合、室温连续搅拌2h，直至获得透明、澄清的溶胶。

涂覆溶胶：使用此溶胶在多孔基板上的涂覆工艺同实施例1。

4、在200度保持12小时。

由本实施例，获得支撑于多孔硅基板上均匀、平滑、无裂纹TiO₂/F127无机/有机复合薄膜。

上述实施例作为制备致密或多孔膜的原料使用了Si(C₂H₅)₄，Zr(OC₃H₇)₄，Ti(OC₃H₇)₄，但是并非限定于这些原料，其它醇盐也能够使用，并且可以同时组合使用两种或两种以上醇盐。为制备溶胶-凝胶无机/有机薄膜，可以加入表面活性剂(Brij56(HO(CH2CH2O)10C16H33)，嵌段共聚物Pluronic F127等)及其它单分子有机物(PVA、淀粉、葡萄糖等)模板。

多孔基板可以是多孔Al₂O₃(如Whatman公司的Anodisc基板)、多孔ZrO₂、多孔玻璃(如Corning公司的VYCOR7930玻璃基板)、多孔金属Ag以及多孔Si、径迹蚀刻有机膜等。

本发明使用的多孔基板的形状不限于板状，也适于筒状、球状及中空丝状。涂覆方法不限于旋转涂膜(Spin-coating)、拉法涂膜(Dip-coating)，也包括喷涂等。

Claims

1.一种在多孔基板表面涂覆溶胶-凝胶薄膜的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：将多孔基板置于支撑垫板上；

步骤3：通过单面密封多孔基板，并暴露多孔基板另一面，在多孔基板暴露面涂覆溶胶，使基板孔中的空气受到压缩，而形成气垫，阻止溶胶液体流入孔内部，在基板表面形成均匀无机或无机/有机复合凝胶薄膜；

步骤4：采用烧结热处理、氧等离子处理或臭氧处理方法，去除有机成分，并使薄膜致密化，获得无机薄膜；

所述多孔基板为阳极氧化Al₂O₃、多孔硅、纳米孔玻璃、径迹蚀刻有机基板中一种；

所述支撑垫板为Si片、玻璃片、塑料板、金属板中一种；

所述密封材料，是指硅胶、有机塑料、石蜡、或环氧树脂密封材料。

2.根据权利要求1所述的在多孔基板表面涂覆溶胶-凝胶薄膜的方法，其特征是，所述在多孔基板暴露面涂覆溶胶，其方法为旋转涂膜：将封有多孔基板的垫板置于旋转涂膜机上，未密封的暴露面向上，然后滴下无机或无机/有机复合溶胶液滴于多孔基板暴露面的表面，启动旋转涂膜机，使旋转涂膜机速度达到100转-10000转/分钟，并保持5秒-10分钟，形成溶胶-凝胶薄膜支撑于基板表面的结构。

3.根据权利要求2所述的在多孔基板表面涂覆溶胶-凝胶薄膜的方法，其特征是，所述旋转涂膜机速度是1000转-6000转/分钟，保持30秒-3分钟。

4.根据权利要求2或3所述的在多孔基板表面涂覆溶胶-凝胶薄膜的方法，其特征是，所述旋转涂膜机速度是3000转/分钟，保持1分钟。

5.根据权利要求1所述的在多孔基板表面涂覆溶胶-凝胶薄膜的方法，其特征是，所述在多孔基板暴露面涂覆溶胶，其方法为提拉涂膜：将封有多孔基板的垫板浸入溶胶液中，以0.1-100厘米/分钟的速度从液体中提拉出垫板，形成溶胶-凝胶薄膜支撑于基板表面的结构。

6.根据权利要求5所述的在多孔基板表面涂覆溶胶-凝胶薄膜的方法，其特征是，所述提拉速度是1-20厘米/分钟。

7.根据权利要求5或6所述的在多孔基板表面涂覆溶胶-凝胶薄膜的方法，其特征是，所述提拉速度是5厘米/分钟。