CN110714194B

CN110714194B - 一种机械臂全自动浸泡式制备薄膜的装置

Info

Publication number: CN110714194B
Application number: CN201810766213.3A
Authority: CN
Inventors: 谷志刚; 李德晶; 康遥; 张健
Original assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Current assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Priority date: 2018-07-12
Filing date: 2018-07-12
Publication date: 2024-04-12
Anticipated expiration: 2038-07-12
Also published as: CN110714194A

Abstract

本发明提供的机械臂全自动浸泡式制备薄膜的装置。所述装置可以根据操作者的意愿对控制系统设置相应参数，来控制机械手臂的沿Z轴方向的上下伸缩和沿X轴方向的移动距离，能够准确的使基底浸入反应容器内部的镀膜液中。还可以控制机械手臂在镀膜液中的停留时间，来保证薄膜的保质生长。还可以进一步控制整个操作的循环次数，来保证制备不同厚度的薄膜。所述装置弥补了人工进行此项浸泡工作的种种不足，如减少了浸泡时间误差大、组装厚度不均匀等问题，具有在复杂环境中制备薄膜的能力，提高了薄膜材料的质量和效率。

Description

一种机械臂全自动浸泡式制备薄膜的装置

技术领域

本发明属于机械臂全自动装置技术领域，尤其涉及一种在表面修饰基底上通过机械臂全自动浸泡法制备薄膜的装置。

背景技术

薄膜是传感器和器件等应用领域非常广泛且常见的材料。尤其是通过层层自组装的薄膜材料具有较好的表面形貌和可调节的薄膜厚度，其在光学、电学、磁学以及催化等领域备受关注。然而如何有效地制备层层自组装薄膜材料是当前材料制备方面的一个很大的挑战。目前主要是通过手动浸泡和旋涂等来实现层层自组装薄膜的制备，但是该方法还存在一些缺点，比如手动浸泡和旋涂方式难以精确控制制备时间并且耗时等，从而很难获得表面平整且均匀的层层自组装薄膜。因此，需要一种全自动制备薄膜的装置，替代人工进行此项浸泡工作，以减少浸泡时间误差大、组装层数少等不足。

发明内容

为了改善现有技术中存在的不足，本发明提供一种机械臂全自动浸泡式制备薄膜的装置，所述装置用于替代人工进行手动浸泡式薄膜制备工作，以减少浸泡时间误差大、组装层数少等不足之处。所述装置可以将薄膜前驱体溶液按一定的顺序一层一层全自动地组装在修饰基底上，从而有效地制备薄膜材料，提高薄膜材料的质量和效率。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种机械臂全自动浸泡式制备薄膜的装置，其是利用机械臂全自动控制系统采用液相外延生长法在基底上制备薄膜的装置。

根据本发明，所述装置包括机械手臂、运动机构、控制系统、反应容器；

所述机械手臂设置在反应容器上方且与运动机构连接，所述机械手臂用于抓持薄膜生长的基底，并将该基底浸入反应容器中；

所述运动机构用于带动机械手臂完成动作；所述控制系统与运动机构连接，所述控制系统用于接收指令信号，并将指令信号转化成指令控制运动机构的运动；所述反应容器为盛放反应溶液的容器。

根据本发明，所述装置还包括外壳，用于密封装置，防止外部条件对薄膜生长过程的影响。

根据本发明的实施方式，所述外壳的材质没有特别的限定，其可以为本领域技术人员知晓的常规能实现密封的材质均可，例如为金属和/或塑料等等；为了便于观看内部装置的运动情况，优选使用透明塑料材质和金属材质制备得到的外壳，如使用PMSA塑料。制备得到一侧外壳结构为金属，一侧外壳结构为透明塑料。

根据本发明的实施方式，所述外壳还可以设置开口，便于反应容器的移动和放置。所述开口的类型可以根据个人需求选择，例如上下抽拉式、左右抽拉式等等。

根据本发明的实施方式，所述机械手臂的结构没有特别的限定，其可以为本领域技术人员知晓的可以实现对基底进行抓持、且可移动的机械手臂即可。

根据本发明的实施方式，所述机械手臂包括基座和手臂；所述手臂设置于基座上，所述基座用于支撑手臂，所述基座设置在运动机构上，所述运动机构带动机械手臂完成控制系统接收到的指令动作。

根据本发明的实施方式，所述手臂的结构没有特别的限定，其可以根据被抓持的基底的形状、尺寸、材料和制备要求而选择多种结构形式。示例性地，所述手臂末端的手部抓持类型可选用夹持型，或者直接用夹子将基底固定在手臂末端而不设计手部。

根据本发明的实施方式，所述基底的形状没有特别的限定，可以是长方形、正方形、圆形等，可根据不同测试和表征的需要选择基底的形状。

根据本发明的实施方式，所述基底的尺寸没有特别的限定，可根据基底的形状和测试表征的需要灵活的选择基底的尺寸，可以通过设置步长来调节放置不同尺寸基底。

根据本发明的实施方式，所述基底的材料没有特别的限定，可以是金基底、硅基底、玻璃基底、金属泡沫基底等，可根据性能测试和表征的需要选择基底的材质。

根据本发明的实施方式，所述运动机构设置两个自由度：沿X轴方向的上下移动和沿Z轴方向的左右平移。

根据本发明的实施方式，所述运动机构包括沿X轴方向的移动平台、沿Z轴方向的移动平台、第一丝杠传动机构和第二丝杠传动机构，所述机械手臂通过基座设置在沿Z轴方向的移动平台上，所述沿Z轴方向的移动平台通过连接基座设置在沿X轴方向的移动平台上；所述第一丝杠传动机构与沿X轴方向的移动平台连接，且控制沿X轴方向的移动平台的运动，所述第二丝杠传动机构与沿Z轴方向的移动平台连接，且控制沿Z轴方向的移动平台的运动。

根据本发明的实施方式，所述运动机构在控制系统的控制下实现沿X轴方向和/或沿Z轴方向上的移动。

根据本发明的实施方式，所述运动机构的运动坐标类型为直角坐标式，所述运动机构可以实现沿X轴方向的左右运动和/或沿Z轴方向的上下运动。

根据本发明的实施方式，所述运动机构的驱动类型选用电动驱动，例如采用电机驱动。

根据本发明的实施方式，所述第一丝杠传动机构包括第一丝杠和第一螺母，所述第一丝杠与第一电机相连，所述第一螺母设置在连接基座内部，用于与沿X轴方向的移动平台相连；所述第一电机转动带动第一丝杠运动，使第一丝杠和第一螺母发生相对运动来实现沿X轴方向的移动平台的运动，进而实现机械手臂沿X轴方向的平移运动。

根据本发明的实施方式，所述第二丝杠传动机构包括第二丝杠和第二螺母，所述第二丝杠与第二电机相连，所述第二螺母设置在底座内部，用于与沿Z轴方向的移动平台相连；所述第二电机转动带动第二丝杠运动，使第二丝杠和第二螺母发生相对运动来实现沿Z轴方向的移动平台的运动，进而实现机械手臂沿Z轴方向的上下运动。

根据本发明的实施方式，所述第一电机和第二电机的结构相同或不同，例如均包括电机轴心和电机外壳。

根据本发明的实施方式，所述控制系统采用可编程控制器(PLC)，如采用可编程程序的存储器，并在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制机械手臂的上下左右移动距离以及暂停时间和循环次数等。

根据本发明的实施方式，所述反应容器为盛装不同镀膜液的容器，例如实验室中常规使用的玻璃容器，也可以为用于工业化放大生产的大容量的容器；同时可以根据需要选择容器的大小以及个数，还可以进一步根据控制系统设置的位置参数来调整容器的摆放位置。

根据本发明的实施方式，所述装置的尺寸没有特别的限定，可大可小，所述长宽高的比例可以为7:3:5；例如可以为70*30*50cm(长/宽/高)，所述装置的尺寸可以小到几百立方厘米，大到几十立方米。可根据制备薄膜的目的、操作地空间的大小以及操作者的需求来设计设备的尺寸。

本发明还提供一种制备薄膜的方法，所述方法是基于上述的机械臂全自动浸泡式制备薄膜的装置；所述方法包括如下步骤：

1)制备镀膜液，并置于反应容器内；

2)对基底进行修饰化，并固定在机械手臂的手臂一端；

3)通过控制系统控制运动机构上的机械手臂的移动方向和距离，将基底在步骤1)的反应容器中浸泡，停留一段时间后取出，制备得到所述薄膜。

本发明还提供一种制备层层自组装薄膜的方法，所述方法是基于上述的机械臂全自动浸泡式制备薄膜的装置；所述方法包括如下步骤：

1)制备镀膜液，并分别置于在反应容器内；

2)对基底进行修饰化，并固定在机械手臂的手臂一端；

3)通过控制系统控制运动机构上的机械手臂的移动方向和距离，将基底在步骤1)的反应容器中浸泡，通过液相外延生长法形成单层结构的自组装薄膜；

4)重复步骤3)，制备得到层层自组装薄膜。

根据本发明的实施方式，所述方法包括如下步骤：

S1、配制金属盐溶液和有机配体溶液，并分别置于在反应容器内；

S2、对基底进行修饰化，并固定在机械手臂的手臂一端；

S3、通过控制系统控制运动机构上的机械手臂的移动方向和距离，采用机械臂全自动浸泡式制备薄膜的装置将基底在所述金属盐溶液和有机配体溶液依次浸泡，通过液相外延生长法形成单层结构的金属有机框架薄膜；

S4、重复所述步骤S3，得到金属有机框架薄膜。

根据本发明的实施方式，上述方法中，所述机械手臂沿Z轴方向下降的距离以镀膜液完全没过基底为宜，所述机械手臂沿Z轴方向上升的距离以横向平移过程中基底末端不触碰到反应容器为宜，所述机械手臂沿X轴方向移动的距离以基底准确浸入反应容器中为宜。

根据本发明的实施方式，上述方法中，所述机械手臂在镀膜液中的停留时间根据反应溶液的种类和薄膜的生长质量确定。

本发明的有益效果：

1.本发明提供的机械臂全自动浸泡式制备薄膜的装置。所述装置可以根据操作者的意愿对控制系统设置相应参数，来控制机械手臂的沿Z轴方向的上下伸缩和沿X轴方向的移动距离，能够准确的使基底浸入反应容器内部的镀膜液中。还可以控制机械手臂在镀膜液中的停留时间，来保证薄膜的保质生长。还可以进一步控制整个操作的循环次数，来保证制备不同厚度的薄膜。

2.本发明提供的机械臂全自动浸泡式制备薄膜的装置能够在制备过程中精确地控制薄膜的厚度和面积且节省时间和人力，从而有效地制备薄膜、特别是层层自组装薄膜材料，其可以提高薄膜材料的质量和效率。且基于操作者对控制系统设置的参数和下达的命令，自动的、准确的、高效的、省人力的制备高质量的薄膜材料，例如制备MOF薄膜材料。

3.本发明提供的机械臂全自动浸泡式制备薄膜的装置为全自动薄膜制备装置，弥补了人工进行此项浸泡工作的种种不足，如减少了浸泡时间误差大、组装厚度不均匀等问题，具有在复杂环境中制备薄膜的能力，提高了薄膜材料的质量和效率。

4.本发明提供的机械臂全自动浸泡式制备薄膜的装置可通过编程来完成浸泡制备薄膜的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手臂工作的准确性和各种环境中完成作业的能力(尤其是采用对人体有害的溶剂)，在薄膜制备领域有着广阔的发展前景。

5.采用本发明提供的机械臂全自动浸泡式制备薄膜的装置制备得到的薄膜具有合成速度快、制备效率高、薄膜厚度可控、成本低、以及操作简单等优点。

附图说明

图1为本发明一个优选实施方案所述的装置的结构示意图；

图2为本发明一个优选实施方案所述的装置的主要组成部件结构示意图；

图3为本发明一个优选实施方案所述的装置的控制系统的操作面板图；

图4为实施例2中制备MOF HKUST-1薄膜的XRD谱图；

图5为实施例2中制备MOF HKUST-1薄膜的的SEM图；

附图1-2中的附图标记如下所述：

1-手臂；2-第一丝杠；3-第一电机；4-第二丝杠；5-第二电机；6-第二螺母；7-基座；8-第一螺母；9-沿X轴方向的移动平台；10-沿Z轴方向的移动平台；11-连接基座；12-电机轴心；13-电机外壳。

具体实施方式

下文将结合具体实施例对本发明的制备方法做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。

以下通过示例性的具体实施例对本发明的设备制备MOF HKUST-1薄膜的过程进行详细说明，也进一步说明本发明的有益效果。但不应将这些实施例解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而并非指示或暗示相对重要性。

实施例1

本实施例是提供一种机械臂全自动浸泡式制备薄膜的装置，所述装置包括机械手臂、运动机构、控制系统、反应容器(未示出)；

所述装置还包括外壳，用于密封装置，防止外部条件对薄膜生长过程的影响。为了便于观看内部装置的运动情况，制备得到一侧外壳结构为金属，一侧外壳结构为PMSA透明塑料的外壳；且所述外壳还可以设置例如上下抽拉式、左右抽拉式的开口。

所述机械手臂包括基座7和手臂1；所述手臂1设置于基座7上，所述基座7用于支撑手臂1，所述基座7设置在运动机构上，所述运动机构带动机械手臂完成控制系统接收到的指令动作。所述手臂末端的手部抓持类型可选用夹持型，或者直接用夹子将基底固定在手臂末端而不设计手部。

所述运动机构设置两个自由度：沿X轴方向的上下移动和沿Z轴方向的左右平移。

具体地，所述运动机构包括沿X轴方向的移动平台9、沿Z轴方向的移动平台10、第一丝杠传动机构和第二丝杠传动机构，所述机械手臂通过基座7设置在沿Z轴方向的移动平台10上，所述沿Z轴方向的移动平台10通过连接基座11设置在沿X轴方向的移动平台9上；所述第一丝杠传动机构与沿X轴方向的移动平台9连接，且控制沿X轴方向的移动平台9的运动，所述第二丝杠传动机构与沿Z轴方向的移动平台10连接，且控制沿Z轴方向的移动平台10的运动。

所述运动机构在控制系统的控制下实现沿X轴方向和/或沿Z轴方向上的移动。即所述运动机构的运动坐标类型为直角坐标式，所述运动机构可以实现沿X轴方向的左右运动和/或沿Z轴方向的上下运动。所述运动机构的驱动类型选用电机驱动。

所述第一丝杠传动机构包括第一丝杠2和第一螺母8，所述第一丝杠2与第一电机3相连，所述第一螺母8设置在连接基座11内部，用于与沿X轴方向的移动平台9相连；所述第一电机3转动带动第一丝杠2运动，使第一丝杠2和第一螺母8发生相对运动来实现沿X轴方向的移动平台的运动，进而实现机械手臂沿X轴方向的平移运动。

所述第二丝杠传动机构包括第二丝杠4和第二螺母6，所述第二丝杠4与第二电机5相连，所述第二螺母6设置在底座7内部，用于与沿Z轴方向的移动平台相连；所述第二电机5转动带动第二丝杠4运动，使第二丝杠4和第二螺母6发生相对运动来实现沿Z轴方向的移动平台的运动，进而实现机械手臂沿Z轴方向的上下运动。

所述第一电机和第二电机的结构相同或不同，例如均包括电机轴心12和电机外壳13。

所述控制系统采用可编程控制器(PLC)，如采用可编程程序的存储器，并在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，其如图3所示，控制系统可以通过控制机械手臂的上下左右移动距离以及暂停时间和循环次数等进行薄膜的制备。

实施例2

采用上述实施例1所述的装置制备金属有机框架(以经典的HKUST-1为例)薄膜，所述装置根据实验室用选择较小尺寸如70*30*50cm(长/宽/高)，同时反应容器选择实验室中常规使用的玻璃容器，具体包括如下步骤：

称量醋酸铜和均苯三甲酸，将它们各自溶解到纯乙醇溶液中，配制成浓度分别为1mmol/L、0.4mmol/L的溶液各500ml。

将所配制好的溶液倒入容器中，按照醋酸铜乙醇溶液→乙醇溶液→均苯三甲酸乙醇溶液→乙醇溶液的顺序将容器摆放在机械手臂下方。测量相邻容器之间的距离。然后把已修饰化有羟基基团的石英玻璃作为生长基底，将石英玻璃固定在机械手臂中手臂的末端。

最后根据容器的摆放位置和实验的需要对控制系统进行参数设置(例如根据沿X轴方向上下移动的距离、沿Z轴方向左右平移的距离、浸泡的时间和反应的时间以及循环次数等)，设置完成后启动按钮开始循环。

具体参数如下：

在醋酸铜溶液中的浸泡时间为10分钟，浸泡后静置反应时间为1分钟，反应后用纯乙醇浸泡1分钟以除去残留的反应原料。之后浸泡均苯三甲酸溶液，浸泡时间为20分钟，浸泡后静置反应1分钟，反应后用纯乙醇浸泡1分钟以除去残留的反应原料。然后重复以上原料浸泡30次，获得相应厚度的HKUST-1金属有机框架。

所述机械手臂沿Z轴方向下降的距离以镀膜液完全没过基底为宜，所述机械手臂沿Z轴方向上升的距离以横向平移过程中基底末端不触碰到反应容器为宜，所述机械手臂沿X轴方向移动的距离以基底准确浸入反应容器中为宜。

其中，图4为实施例2中制备MOF HKUST-1薄膜的XRD谱图；图5为实施例2中制备MOFHKUST-1薄膜的SEM图；从谱图中可以看出，采用申请的装置制备得到形貌结构较好的薄膜，也可证明所述装置可以完全替代手工操作，实现批量薄膜的制备工艺。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种机械臂全自动浸泡式制备薄膜的装置，其是利用机械臂全自动控制系统采用液相外延生长法在基底上制备薄膜的装置；所述装置包括机械手臂、运动机构、控制系统、反应容器；

所述运动机构用于带动机械手臂完成动作；所述控制系统与运动机构连接，所述控制系统用于接收指令信号，并将指令信号转化成指令控制运动机构的运动；所述反应容器为盛放反应溶液的容器；

所述运动机构包括沿X轴方向的移动平台、沿Z轴方向的移动平台、第一丝杠传动机构和第二丝杠传动机构，所述机械手臂通过基座设置在沿Z轴方向的移动平台上，所述沿Z轴方向的移动平台通过连接基座设置在沿X轴方向的移动平台上；所述第一丝杠传动机构与沿X轴方向的移动平台连接，且控制沿X轴方向的移动平台的运动，所述第二丝杠传动机构与沿Z轴方向的移动平台连接，且控制沿Z轴方向的移动平台的运动；

所述运动机构在控制系统的控制下实现沿X轴方向和/或沿Z轴方向上的移动。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括外壳，用于密封装置，防止外部条件对薄膜生长过程的影响；

所述外壳的材质使用透明塑料材质和金属材质制备得到的外壳。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述外壳还设置开口，便于反应容器的移动和放置；所述开口的类型是上下抽拉式或左右抽拉式。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述机械手臂用于实现对基底进行抓持、且可移动。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述机械手臂包括基座和手臂；所述手臂设置于基座上，所述基座用于支撑手臂，所述基座设置在运动机构上，所述运动机构带动机械手臂完成控制系统接收到的指令动作。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述手臂末端的手部抓持类型可选用夹持型，或者直接用夹子将基底固定在手臂末端而不设计手部。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述运动机构的运动坐标类型为直角坐标式，所述运动机构实现沿X轴方向的左右运动和/或沿Z轴方向的上下运动。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述运动机构的驱动类型选用电动驱动。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一丝杠传动机构包括第一丝杠和第一螺母，所述第一丝杠与第一电机相连，所述第一螺母设置在连接基座内部，用于与沿X轴方向的移动平台相连；所述第一电机转动带动第一丝杠运动，使第一丝杠和第一螺母发生相对运动来实现沿X轴方向的移动平台的运动，进而实现机械手臂沿X轴方向的平移运动；

和/或，所述第二丝杠传动机构包括第二丝杠和第二螺母，所述第二丝杠与第二电机相连，所述第二螺母设置在底座内部，用于与沿Z轴方向的移动平台相连；所述第二电机转动带动第二丝杠运动，使第二丝杠和第二螺母发生相对运动来实现沿Z轴方向的移动平台的运动，进而实现机械手臂沿Z轴方向的上下运动。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制系统采用可编程控制器(PLC)，所述可编程控制器为可编程程序的存储器，并在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制机械手臂的上下左右移动距离以及暂停时间和循环次数。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反应容器用于盛装不同镀膜液的容器。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置的长宽高的比例为7:3:5。

13.一种制备薄膜的方法，所述方法是基于权利要求1-12任一项所述的装置，所述方法包括如下步骤：

1)制备镀膜液，并置于反应容器内；

2)对基底进行修饰化，并固定在机械手臂的手臂一端；

14.一种制备层层自组装薄膜的方法，所述方法是基于权利要求1-12任一项所述的装置；所述方法包括如下步骤：

1)制备镀膜液，并分别置于在反应容器内；

2)对基底进行修饰化，并固定在机械手臂的手臂一端；

4)重复步骤3)，制备得到层层自组装薄膜。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述方法包括如下步骤：

S2、对基底进行修饰化，并固定在机械手臂的手臂一端；

S4、重复所述步骤S3，得到金属有机框架薄膜。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述机械手臂沿Z轴方向下降的距离以镀膜液完全没过基底为宜，所述机械手臂沿Z轴方向上升的距离以横向平移过程中基底末端不触碰到反应容器为宜，所述机械手臂沿X轴方向移动的距离以基底准确浸入反应容器中为宜。