CN103639084A - 一种基于非互溶功能材料的双枪共喷复合薄膜制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非互溶功能材料的双枪共喷复合薄膜制备工艺，将非互溶薄膜材料液体分别通过不同喷枪同时向同一靶器件表面喷涂，形成复合薄膜。本发明提供基于两种非互溶材料的复合薄膜制备方法，其优点在于能够将传统溶液成膜工艺无法复合成膜的有机无机材料以“准气态”分散态结合，从而沉积成为有机无机复合薄膜材料。该方法除可应用于制备有机无机材料复合薄膜，还可用于一般成膜、大面积成膜、复杂结构器件成膜、柔性材料成膜，且可应用于化学反应成膜、物理沉积成膜等多种成膜形式。

Description

一种基于非互溶功能材料的双枪共喷复合薄膜制备工艺

技术领域

本发明涉及薄膜制备工艺领域，具体涉及有机无机复合材料的薄膜制备工艺。 

背景技术

伴随着电子器件的小型化、便捷化和产业化，薄膜材料成为了电子器件的制备和应用的趋势。薄膜材料具有轻便快捷且耗材量少的特点，可广泛应用于各项领域，是材料发展的趋势。伴随着薄膜材料的发展，薄膜成膜工艺也成为了薄膜材料发展的一项重要课题，由于不同材料特性以及器件需求，各种薄膜成膜工艺也随之应运而生，各成膜工艺有其各自特点，在各自领域有着长足的发展。 

但是在各项薄膜制备工艺的发展当中，各项工艺也面临着由于其工艺本身而导致的不足和缺点：传统滴涂法制备的薄膜厚度均匀性较差，且无法沉积不互溶溶液复合薄膜；旋涂法由于其工艺特点，其在复杂表面或有沟道等纵深的表面无法形成均匀薄膜；LB法和SA法在制备薄膜时由于其工艺限制其成膜操作时间过长，且操作复杂，材料及基片表面需要预处理；蒸发及溅射法由于其工作原理，在制备薄膜时需要提前将腔体抽真空，成膜效率低。 

气喷工艺是传统能源动力、化工、农业和环境工程当中常见的成雾工艺，多应用于雾化燃烧、加湿、清洗和喷涂等方面，目前在多项领域已有商业化发展。气喷主要靠气流推动溶液流动，通过气流的压力牵拉溶液表面使气流携带溶液，并同时在气流的冲击力以及溶液本身的张力、粘滞力的合力作用下将溶液初步冲击为液滴。然后经过溶液流与溶液流的对冲使得溶液液滴进一步被冲击，形成极小的“准气态”分散质，再经过气流的携带作用将“准气态”溶液喷出，形成锥状“准气态”溶液分散态。从液体输送方式可分为压力式、离心式和气动式；从溶液内部混合冲击的方式可分为内混式和外混式。在气喷成膜工艺当中，由于成膜溶液多为稀溶液，且为均匀分散液，无沉淀或团聚颗粒等，气喷溶液材料流动性较强，所以应用于气喷成膜工艺多为气动内混式喷枪。 

但是，对于非互溶材料，现有制膜工艺只能制备分层复合薄膜，不能制备混合复合薄膜；而且在传统成膜工艺中薄膜精细度与操作简易度无法平衡。 

发明内容

本发明目的是提供提出一种制备非互溶材料混合复合薄膜的工艺，解决现有技术中不能制备混合复合薄膜的问题。 

本发明的技术方案为：一种基于非互溶功能材料的双枪共喷复合薄膜制备工艺，将非互溶薄膜材料液体分别通过不同喷枪同时向同一靶器件表面喷涂，形成复合薄膜。 

具体地，其制备步骤如下： 

（1）调整每根喷枪气流压强，两根喷枪与水平面的夹角，气枪高度以及喷枪之间间距，使得各喷口都能在以靶器件为中心的区域内均匀成膜；

（2）将待喷涂的非互溶薄膜材料溶液分别置入两根喷枪；

（3）两根喷枪同时通入冲击气压，两种溶液在载气冲击下，溶剂被挥发掉，溶质沉积在器件表面。

更具体制备方法如下： 

（1）分别配置浓度为1mg/ml的石墨烯水溶液和浓度为3mg/ml的P3HT氯仿溶液； 

（2）调节两根喷枪喷口高度20cm，喷枪间距40cm，喷枪与水平面夹角45°，气体气压0.2pa，使得各喷口都能在以靶器件为中心的区域内均匀成膜，且不形成聚滴；

（3）在各喷口中分别加入足量的步骤（1）配置的石墨烯和P3HT溶液；

（4）两喷口同时进行气喷，气喷时间为60s；

（5）气喷后的靶器件放置至80℃的真空干燥箱中退火。

本发明与现有技术相比具有如下优点： 

本发明提供基于两种非互溶材料的复合薄膜制备方法，其优点在于能够将传统溶液成膜工艺无法复合成膜的有机无机材料以“准气态”分散态结合，从而沉积成为有机无机复合薄膜材料。该方法除可应用于制备有机无机材料复合薄膜，还可用于一般成膜、大面积成膜、复杂结构器件成膜、柔性材料成膜，且可应用于化学反应成膜、物理沉积成膜等多种成膜形式。

按照本发明提供的薄膜制备工艺所制备的薄膜材料不受溶质、溶剂类型限制，克服了传统工艺非互溶材料无法均匀复合成膜的困难，并且可以使薄膜组分间相互交错连结，接触更加紧密。 

本发明提供的薄膜制备工艺成膜工艺操作简单，成膜器件不需预处理，不需抽真空，不需静电处理，要求实验环境较传统工艺简易，实验设备要求低，成本要求低，实验成功率高，沉积薄膜不受器件形貌及形状限制。 

本发明提供的基于两种非互溶材料的复合薄膜制备方法，其优点在于整合了传统气喷工艺的成膜特点，弥补了其他制膜工艺的缺点和不足，实现了薄膜精细度与工艺简易度的平衡，提高了成膜效率，使得基于薄膜工艺的各领域的研究有了新的工艺基础，在研究材料与器件性能时有了新的手段与方法。 

附图说明

图1是本发明所使用的喷枪装置的结构示意图； 

其中1为可调节喷头固定支架、2为冲击高压气体、3为有机物溶液喷头、4为无机物溶液喷头、5为薄膜靶器件；

图2是复合薄膜回复特性对比图，左边为传统的分层单喷，右边为本发明的方法；

图3是复合薄膜气敏特性对比图，左边为传统的分层单喷，右边为本发明的方法；

图4是器件的扫描电子显微镜对比图，左边为传统的分层单喷，右边为本发明的方法。

具体实施方式

实施例

采用共喷法制备石墨烯水溶液与3-己基噻吩聚合物（P3HT）氯仿溶液的复合薄膜气体传感器。使用浓度为1mg/ml的石墨烯水溶液和浓度为3mg/ml的P3HT氯仿溶液。 

实验中利用两支喷枪对石墨烯和P3HT溶液同时气喷，通过对多种因素的控制使得两种试剂在气喷成膜时能够充分混合。其具体的操作步骤如下： 

1）分别配置两种溶液，将喷口、器件及相关设备进行清洁，并保证工作环境的清洁；

2）按照图1所示，组装共喷成膜系统；

3）调节两根喷枪喷口高度20cm，喷枪间距40cm，喷枪与水平面夹角45°，气体气压0.2pa，使得各喷口都能在以靶器件为中心的区域内均匀成膜，且不形成聚滴；

4）调整待镀膜器件的位置，确保气喷锥状“准气态”分散态底面中心为器件；

5）在各喷口中分别加入足量的石墨烯以及P3HT溶液；

6）两喷口同时进行气喷，根据所需求的薄膜厚度调整气喷时间为60s；

7）气喷后的薄膜器件放置至80℃的真空干燥箱中退火。

在制备完成后，对该组器件进行10-50ppm响应特性测试以及30ppm的重复特性测试，其气敏特性曲线及扫描电子显微镜图像如图2及图3所示。 

通过观察图2可以发现通过共喷方式制备的传感器气敏特性及稳定性和恢复性有了极显著的提高。通过图3可以发现，其性能显著提高的原因就在于通过本专利提供的方法，两种功能材料之间相互交错、渗透而不只是依靠层间界面的接触，从而形成更多的微观异质结，优化并提升了器件性能；不仅如此，薄膜致密性也得到增强，器件的电学特性更加稳定，电阻曲线更加平滑。通过本专利提供的方法制备的薄膜结合了石墨烯材料电学特性以及P3HT材料的气敏特性，克服了单一材料以及分层材料的缺点，优化了薄膜表面形貌以及薄膜响应性能，同时采用本专利提供的方法制备的薄膜表面缺陷减少，提高了薄膜整体的恢复性。 

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。 

Claims (3)

1.一种基于非互溶功能材料的双枪共喷复合薄膜制备工艺，其特征在于，将非互溶薄膜材料液体分别通过不同喷枪同时向同一靶器件表面喷涂，形成复合薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种基于非互溶功能材料的双枪共喷复合薄膜制备工艺，其特征在于，其制备步骤如下：

（1）调整每根喷枪气流压强，两根喷枪与水平面的夹角，气枪高度以及喷枪之间间距，使得各喷口都能在以靶器件为中心的区域内均匀成膜；

（2）将待喷涂的非互溶薄膜材料溶液分别置入两根喷枪；

（3）两根喷枪同时通入冲击气压，两种溶液在载气冲击下，溶剂被挥发掉，溶质沉积在器件表面。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于非互溶功能材料的双枪共喷复合薄膜制备工艺，其特征在于，具体制备方法如下：

（1）分别配置浓度为1mg/ml的石墨烯水溶液和浓度为3mg/ml的P3HT氯仿溶液； 

（2）调节两根喷枪喷口高度20cm，喷枪间距40cm，喷枪与水平面夹角45°，气体气压0.2pa，使得各喷口都能在以靶器件为中心的区域内均匀成膜，且不形成聚滴；

（3）在各喷口中分别加入足量的步骤（1）配置的石墨烯和P3HT溶液；

（4）两喷口同时进行气喷，气喷时间为60s；

（5）气喷后的靶器件放置至80℃的真空干燥箱中退火。

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