專利名稱：在硅表面上制備超疏水性薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在硅表面上制備超疏水性薄膜的方法。
背景技術(shù)：
潤(rùn)濕能力.是固體表面的一個(gè)很重要特征，通常固體表面的粗糙度和表面能決 定其潤(rùn)濕能力。超疏水是潤(rùn)濕能力的一種主要表現(xiàn)，是指水滴與其表面的靜態(tài)接
觸角大于150。，同時(shí)也呈現(xiàn)出一個(gè)較小的滾動(dòng)角。隨著納米科學(xué)技術(shù)在最近十幾 年的迅猛發(fā)展，超疏水的研究也成為一個(gè)熱點(diǎn)，人們?cè)跇?gòu)建超疏水性方面做了大 量的研究工作。如中國(guó)專利(申請(qǐng)?zhí)?2121553 )公開(kāi)了一種碳納米纖維的制備 方法，特別涉及一種同時(shí)具有超疏水、超疏酸和超疏堿性表面的納米纖維。該制 備方法具有疏水效果好，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。中國(guó)專利(CN1415800A)公開(kāi)了一 種超夠水、自潔凈納米結(jié)構(gòu)低表面能的紙；敘述了在普通的紙張表面通過(guò)硅膠、 乙酸乙酯和香蕉水處理制備了一層超疏水、自潔凈的納米結(jié)構(gòu)表面。中國(guó)專利 (CN1613565A)公開(kāi)了一種超疏水微細(xì)結(jié)構(gòu)表面的制備方法，采用濕化學(xué)法在 玻璃或硅片表面制備出氧化鋅結(jié)構(gòu)微細(xì)表面，然后采用分子自組裝進(jìn)行表面修飾 后可得一種接觸角大于150°且接觸滯后小于5°的超疏水表面，該制備方法制得 的表面具有—優(yōu)良的超疏水和啟潔性能。中國(guó)專利(CN1379128A)采用化學(xué)氣相 沉積罰制備出具有陣列結(jié)構(gòu)的膜，再用熱的濃硫酸、超純水和含有疏水試劑的醇 溶液處理，最后得到超雙疏膜。中國(guó)專利(申請(qǐng)?zhí)?1120628.4)提供了一種具有 超疏水性表面的聚合物納米纖維束的制備方法，所制得的聚合物納米纖維束表面 不需要l壬何表面處理即表現(xiàn)為超疏水性。從以上專利可以看出，所制備的超疏水 表面過(guò)程都相對(duì)比較復(fù)雜，而且在制備過(guò)程中又污染物排出，可能會(huì)造成環(huán)境污 染，同時(shí)制備過(guò)程的能耗也相對(duì)較高。中國(guó)專利(CN139766&A)通過(guò)模板擠壓 法制備出具有超疏水表面的聚合物納米纖維，但我們發(fā)現(xiàn)該方法所用的模板易 碎、價(jià)格相對(duì)較高，這大大限制其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。
目前，人們?cè)跇?gòu)建超疏水功能性表面的研究工作時(shí)，尤其是在硅表面上實(shí)現(xiàn) 超疏水功能時(shí)主要重點(diǎn)還是集中在通過(guò)激光刻蝕的方法來(lái)構(gòu)造出適當(dāng)?shù)谋砻娲?br> 糙度。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能得到我們?cè)O(shè)計(jì)好的圖案化的表面和我們所需要的粗糙 度，它的缺點(diǎn)是對(duì)設(shè)備的要求很高，不利于其在工業(yè)生產(chǎn)中的推廣和應(yīng)用。尋 找一個(gè)對(duì)設(shè)備要求不太高，能大面積推廣的技術(shù)在硅表面上制備超疏水性表面就 顯得很重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在硅表面上制備超疏水性薄膜的方法。 硅作為最主要的半導(dǎo)體材料廣泛的應(yīng)用于微機(jī)械微電子領(lǐng)域，在日常生活 中，硅材料.的使用是到處可見(jiàn)。水滴與帶有氧化層的硅片的接觸角為36±1.6°，是 一般的親水材料。我們通過(guò)溶膠-凝膠法制備出微觀結(jié)構(gòu)為微米與納米結(jié)構(gòu)并存 的雙層結(jié)構(gòu)，再通過(guò)含氟的有機(jī)物進(jìn)行化學(xué)修飾后就實(shí)現(xiàn)了超疏水性能，水滴與 其表面的接觸角大于150°，同時(shí)水滴在材料表面的滾動(dòng)角小于10°。在硅片表面 上實(shí)現(xiàn)超疏水功能，賦予了硅片具有了自潔凈的防污垢功能，在微流體運(yùn)輸中可 以降低能耗。
本發(fā)明的超疏水性薄膜，是通過(guò)溶膠-凝膠法和化學(xué)修飾制備而成，它具有 超疏水性，有一定強(qiáng)度，并能支撐一定重量的水滴。
一種在硅表面上制備超疏水性薄膜的方法，其特征在于該方法依次包括以下 步驟
A、 薄膜制備
采用NH4OH溶液、乙醇以及正硅酸乙酯配制成溶膠，用提拉法在潔凈的硅
片上進(jìn)行涂膜，并在大氣氣氛中烘干，使薄膜中的殘余溶劑完全揮發(fā)；
B、 薄膜的化學(xué)修飾
制備好的薄膜浸入全氟辛基三氯甲硅烷的正己烷溶液中，4-6小時(shí)后取出即 可得到超疏水性表面。
通過(guò)B步驟主要修飾上.低表面能的物質(zhì)以更進(jìn)一步的降低表面的表面能。 在A步驟的薄膜制備過(guò)程中，用提拉法進(jìn)行薄膜的制備，提升速度為10-14 cm/min，涂膜后，于180-210 °C大氣氣氛中烘干。 在B.步驟的薄膜的化學(xué)修飾過(guò)程中，全氟辛基三氯甲硅烷的正己烷溶液的 濃度為0.1-0.3moia.。
本發(fā)明的超疏水表面，是表面呈現(xiàn)微米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)共存的雙層結(jié)構(gòu)，上
表層的微米結(jié)構(gòu)的微凸體的平均直徑約為0.2 nm，下表層的納米結(jié)構(gòu)的微凸體的 平均直徑約為13nm，其分布與荷葉表面的結(jié)構(gòu)極其相似。水滴與起表面的接觸 角為155°-157°,同時(shí)水滴在材料表面的滑動(dòng)角小于10°。
本發(fā)明的具有雙層結(jié)構(gòu)的超疏水性薄膜，其超疏水性經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)2個(gè)月在空 氣氣氛中保存也不會(huì)消失，超疏水性穩(wěn)定。
本發(fā)明在制備過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生污染物，具有很好的環(huán)境友好性；制備方法操 作簡(jiǎn)單，制備出的膜的超疏水性能穩(wěn)定，重現(xiàn)性好，不需要任何昂貴設(shè)備，且能 規(guī)?；a(chǎn)，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。
本發(fā)明的在硅片上制備出具有超疏水性仿生表面，在許多方面均有良好的用
途
1、仿生表面具有不粘水，自潔凈等功能，可以用作微電子微機(jī)械系統(tǒng)中一 些減阻元件，以減小噪音，和減小摩擦和防止腐蝕。
2、 仿生表面具有^;的表面能和超疏水特性，可用于無(wú)損失超微量液體的輸送。
3、 仿生表面具有穩(wěn)定的物化性能，可以用作特殊工況下的薄膜潤(rùn)滑材料。


圖1為實(shí)施例1的仿生疏水性表面的掃描電子顯微鏡照片。 圖2為實(shí)施例1的水滴在仿生表面上的靜態(tài)接觸角照片。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1
把3 ml 30 %的NHUOH溶液滴加到50 ml乙醇中，在60 °C攪拌并保持30 min，然后再向其中滴加3 ml的正硅酸乙酯，在60 °C繼續(xù)攪拌90 min，以確 保形成溶膠。再將硅片置入體積比為7: 3的濃硫酸/過(guò)氧化氫的Piranha溶液中， 9(TC保溫30min取出后用二次蒸餾水超聲清洗，最后用氮?dú)獯蹈伞Ｖ?，把?理好的硅片通過(guò)提拉法置入配置好的溶膠中，提拉速度為14 cm/min，提拉完畢 后，在空氣中自然涼干5min，然后在210。C大氣氣氛中烘干，確保薄膜中殘 余溶劑揮發(fā)完全。最后把其浸入O.l molA的全氟辛基三氯甲硅烷的正己烷溶液 中，6h后取出即得到超疏水性表面。水滴與其的接觸角為157±1.6°，滾動(dòng)角約為 60。
實(shí)施例2
按實(shí)施例1的操作方法與步驟，將正硅酸乙酯改用為6ml，其余步驟相同， 同樣也能得到超疏水性表面。水滴與其的接觸角為154±1.6°,滾動(dòng)角約為8°。 實(shí)施例3
按實(shí)施例1的操作方法與步驟，將全氟辛基三氯甲硅垸的正己烷溶液改為 0.2moi/1，其余步驟相同，同樣也能得到超疏水性表面。水滴與其的接觸角為 155±1.6°,滾動(dòng)角約為6。。
權(quán)利要求
1、一種在硅表面上制備超疏水性薄膜的方法，其特征在于該方法依次包括以下步驟A、薄膜制備采用NH4OH溶液、乙醇以及正硅酸乙酯配制成溶膠，用提拉法在潔凈的硅片上進(jìn)行涂膜，并在大氣氣氛中烘干；B、薄膜的化學(xué)修飾制備好的薄膜浸入全氟辛基三氯甲硅烷的正己烷溶液中，4-6小時(shí)后取出即可得到超疏水性表面。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于在A步驟的薄膜制備過(guò)程中， 用提拉法進(jìn)行薄膜的制備，提升速度為10-14 cm/min，涂膜后，于180-210 °C大 氣氣氛中烘干。
3、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于在B步驟的薄膜的化學(xué)修飾過(guò) 程中，全氟辛基三氯甲硅烷的正己垸溶液的濃度為0.1 -0.3 mo,1/1。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種在硅表面上制備超疏水性薄膜的方法。該方法采用溶膠-凝膠法制備出表面微觀結(jié)構(gòu)為微米和納米結(jié)構(gòu)共存在的雙層結(jié)構(gòu)，再通過(guò)含氟的有機(jī)物對(duì)其表面進(jìn)行化學(xué)修飾，形成的表面與水的接觸角大于150°，水滴在此表面上的滑動(dòng)角小于10°，具有良好的超疏水性能。它為拓展硅材料在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了一種新的制備途徑，該方法操作簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求不高，可規(guī)?；a(chǎn)，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B05D5/00GK101190435SQ200610105280
公開(kāi)日2008年6月4日 申請(qǐng)日期2006年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月29日
發(fā)明者劉維民, 郭志光 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所