CN1270883C - 聚合物复合纳米粒子分子薄膜的制备方法 - Google Patents

聚合物复合纳米粒子分子薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种聚合物复合纳米粒子分子薄膜的制备方法，该方法采用分子沉积技术，其步骤包括：将基片浸入H2SO4与H2O2的混合溶液中；取出后洗净并将基片浸入聚丙烯胺溶液中；再将取出后洗净的基片浸入聚合物溶液中；重复上述浸入聚丙烯胺溶液及浸入聚合物溶液步骤可达到所需要的薄膜层数或将上述浸有聚合物的基片在氮气的保护下加热；基片为石英基片或玻璃基片或硅片基片；聚合物溶液为石墨氧化物溶液或聚丙烯酸包覆二氧化钛纳米粒子溶液。本发明所提供的聚合物复合纳米粒子分子薄膜的制备方法，通过加热，将多层复合薄膜间聚合物电解质的静电吸引力转变为化学键的结合形式，具有良好的耐磨性、低摩擦、抗磨损的优点。

Description

聚合物复合纳米粒子分子薄膜的制备方法
技术领域
本发明公开了一种聚合物复合纳米粒子分子薄膜的制备方法，属于材料工程技术领域。
背景技术
磨损是影响微型机电系统及磁存储系统长期稳定运行的重要因素，研制一种可实用的薄膜是解决这一问题的重要途径。目前，业界对此问题的解决方案主要集中在对分子自组装薄膜、LB(Langmuir——Blodgett)膜以及这两种薄膜的复合研究上，而这两种薄膜的耐磨性比较差，所以研制一种具有良好耐磨性能的分子薄膜具有非常重要的实用意义。
90年代以来，有人以分子沉积的方法制备了多种复合膜，也曾用于摩擦学方面的研究，但由于耐磨性较差而限制了其应用，原因是薄膜中的结合强度小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚合物复合纳米粒子分子薄膜的制备方法，以达到解决微型机电系统及磁存储系统的摩擦损耗问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种聚合物复合纳米粒子分子薄膜的制备方法，该方法采用分子沉积技术，该方法至少包括如下步骤：
步骤1：将基片浸入H2SO4与H2O2的混合溶液中，取出后洗净；
步骤2：将洗净后的基片浸入聚丙烯胺溶液中，取出后洗净；
步骤3：将上述步骤2中洗净后的基片浸入聚合物溶液或石墨氧化物溶液中，取出后洗净；
步骤4：重复上述步骤2、3达到所需要的薄膜层数或将上述步骤3中洗净后的基片加热。
上述步骤1具体为：将基片浸入60-90℃，体积比为75∶25的H2SO4与H2O2的混合溶液中30分钟，取出后用去离子水洗净，所述H2SO4浓度为98％，H2O2浓度为30％。
上述步骤2具体为：将洗净后的基片浸入0.001M的聚丙烯胺溶液中30分钟，取出后洗净。
上述步骤3具体为：将上述步骤2中洗净后的基片浸入聚合物溶液6中小时，取出后用去离子水洗净。
所述的加热步骤包括：
首先：将步骤3中洗净后的基片用氮气吹干；
然后：将上述吹干后的基片在氮气的保护下加热2小时。
所述的基片为石英基片或玻璃基片或硅片基片。
所述的聚合物溶液为聚丙烯酸包覆二氧化钛纳米粒子溶液。
本发明所提供的聚合物复合纳米粒子分子薄膜的制备方法，利用加热的方法，将多层复合薄膜间聚合物电解质的静电吸引力转变为化学键的结合形式，其转变过程的反应方程式如下：
Figure C0215569200051
a：为聚丙烯酸(PAA)复合纳米粒子或石墨氧化物；
b：为聚丙烯胺(PAH)。
利用该方法制备的复合薄膜具有良好的耐磨性，并具有低摩擦、抗磨损的优点。
附图说明
图1为本发明所提供的聚丙烯胺/石墨氧化物两种聚合物复合薄膜的结构示意图；
图2为本发明所提供的聚丙烯胺/聚丙酸包覆二氧化钛纳米粒子复合薄膜的结构示意图；
图3为本发明所提供的聚丙烯胺/石墨氧化物/聚丙烯胺/聚丙烯酸包覆二氧化钛纳米粒子复合薄膜的结构示意图；
具体实施方式
本发明所提供的聚合物复合纳米粒子分子薄膜可以是单一聚合物复合薄膜，也可以是多种聚合物复合薄膜。
以下，结合具体实施例，对本发明做进一步的详细说明。
在制备本发明所提供的分子薄膜之前，应首先制备用于分子沉积的聚丙烯酸(PAA)包覆TiO2纳米粒子聚合物溶液和石墨氧化物溶液。这两种溶液的制备方法如下：
1、石墨氧化物溶液的制备
取石墨粉5g，加入15g KClO3和35ml HNO3中均匀后加热至60-90℃，维持搅拌24小时，然后过滤，将氧化后的石墨粉以0.1M HCl洗涤，然后用0.1M NaCl洗涤至PH值为中性，最后将石墨粉用水洗涤除去NaCl，再将其溶解于水中并调节PH＝4-7，即获得用于制备薄膜的石墨氧化物溶液。
2、聚丙烯酸(PAA)包覆TiO2纳米粒子溶液的制备
取0.1M的PAA水溶液100ml加热至60℃，然后将0.01M钛酸四己脂的乙醇溶液20ml逐滴加入上述溶液中，维持搅拌3小时，溶胶老化24小时。最后将溶胶离心分离即得到用于制备薄膜的PAA(TiO2)纳米粒子溶液。
实施例一
聚丙烯胺/石墨氧化物两种聚合物复合薄膜的制备方法：
将本实施例所用的石英基片浸入80℃的H2SO4∶H2O2＝75∶25的溶液中30分钟，取出后用水充分洗涤干净，然后将清洗后的石英基片浸入聚丙烯胺(PAH)溶液中，取出后清洗，再浸入上述已经制备完成的石墨氧化物溶液中，取出后再次清洗，再浸入PAH溶液中，得到石英基片表面具有三层聚合物层的复合薄膜。当达到上述要求的三层复合膜后，将该石英基片取出用氮气吹干，并在氮气的保护下加热2小时，使复合薄膜层间的静电吸引力转变为化学键结合力，完成聚丙烯胺/石墨氧化物两种聚合物复合薄膜的制备。
该聚合物复合薄膜的层面结构如图1所示，图中包括石英基片1、底层聚丙烯胺薄膜层2、石墨氧化物薄膜层3及聚丙烯胺表层4；各层间结合力为化学键结合。
实施例二
聚丙烯胺/聚丙烯酸包覆二氧化钛纳米粒子复合薄膜的制备方法：
按照实施例一所述的方法将石英基片预处理完毕后，将清洗后的石英基片浸入聚丙烯胺(PAH)溶液中，取出后清洗。再浸入上述已经制备完成的聚丙烯酸包覆二氧化钛纳米粒子溶液中，取出后再次清洗，再浸入PAH溶液中，由此得到石英基片表面具有聚丙烯胺/聚丙烯酸包覆二氧化钛纳米粒子的三层聚合物层的复合薄膜。后续的吹干、保护加热方法与实施例一相同，故不赘述。
聚丙烯胺/聚丙烯酸包覆二氧化钛纳米粒子复合薄膜的层面结构如图2所示，图中包括石英基片1、底层聚丙烯胺薄膜层2、聚丙烯酸包覆二氧化钛纳米粒子薄膜层5及聚丙烯胺表层4，各层间结合力为化学键结合。
依照上述两实施例所公开的技术方案及操作方法，还可以根据需要制成多种、多层复合薄膜，例如：聚丙烯胺/石墨氧化物/聚丙烯胺/聚丙烯酸包覆二氧化钛纳米粒子复合薄膜，如图3所示。图中，该薄膜包括石英基片1、底层聚丙烯胺薄膜层2、石墨氧化物薄膜层3、聚丙烯胺中间层6、聚丙烯酸包覆二氧化钛纳米粒子薄膜层5，各层间结合力为化学键结合。
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1、一种聚合物复合纳米粒子分子薄膜的制备方法，该方法采用分子沉积技术，其特征在于：该方法至少包括如下步骤：
步骤1：将基片浸入H2SO4与H2O2的混合溶液中，取出后洗净；
步骤2：将洗净后的基片浸入聚丙烯胺溶液中，取出后洗净；
步骤3：将上述步骤2中洗净后的基片浸入聚丙烯酸包覆二氧化钛纳米粒子聚合物溶液或石墨氧化物溶液中，取出后洗净；
步骤4：重复上述步骤2、3达到所需要的薄膜层数或将上述步骤3中洗净后的基片加热。
2、根据权利要求1所述的聚合物复合纳米粒子分子薄膜的制备方法，其特征在于：所述的制备步骤1具体为：将基片浸入60-90℃，体积比为75∶25的H2SO4与H2O2的混合溶液中30分钟，取出后用去离子水洗净，所述H2SO4浓度为98％，H2O2浓度为30％。
3、根据权利要求1所述的聚合物复合纳米粒子分子薄膜的制备方法，其特征在于：所述的制备步骤2具体为：将洗净后的基片浸入0.001M的聚丙烯胺溶液中30分钟，取出后洗净。
4、根据权利要求1所述的聚合物复合纳米粒子分子薄膜的制备方法，其特征在于：所述的制备步骤3具体为：将上述步骤2中洗净后的基片浸入聚合物溶液中6小时，取出后用去离子水洗净。
5、根据权利要求1或3或4所述的聚合物复合纳米粒子分子薄膜的制备方法，其特征在于：所述的制备步骤4中的将洗净后的基片加热具体为在氮气的保护下加热。
6、根据权利要求5所述的聚合物复合纳米粒子分子薄膜的制备方法，其特征在于：所述的加热步骤包括：
首先：将步骤3中洗净后的基片用氮气吹干；
然后：将上述吹干后的基片在氮气的保护下加热2小时。
7、根据权利要求1或2或3或4所述的聚合物复合纳米粒子分子薄膜的制备方法，其特征在于：所述的基片为石英基片或玻璃基片或硅片基片。
8、根据权利要求1所述的聚合物复合纳米粒子分子薄膜的制备方法，其特征在于：所述的石墨氧化物溶液的制备是通过以下步骤完成的：
在石墨粉中加入固体KClO3和浓HNO3溶液，搅拌均匀加热至60-90℃进行氧化反应，维持搅拌24小时，然后过滤；
再用0.1M的HCL溶液洗涤石墨粉后，用0.1M的NaCl溶液洗涤至中性；
最后用水洗涤石墨粉，除去NaCl，将石墨粉分散于水中并调节pH值为4-7。
9、根据权利要求1所述的聚合物复合纳米粒子分子薄膜的制备方法，其特征在于：所述的聚丙烯酸包覆二氧化钛纳米粒子聚合物溶液的制备是通过以下步骤完成的：
先将0.1M的聚丙烯酸水溶液加热至60℃；
再将0.01M钛酸四己脂的乙醇溶液逐滴加入上述聚丙烯酸水溶液中，维持搅拌3小时，溶胶老化24小时；
最后将溶胶离心分离，得到聚丙烯酸包覆二氧化钛纳米粒子溶液。
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