[发明专利]超亲水类金刚石复合薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有超亲水特性的类金刚石复合薄膜的制备方法。

背景技术

表面润湿性是固体表面重要的物理化学性质，通过液体的静态或动态接触角来衡量的。当固体的表面与水的接触角小于40度或5度时，人们称之为亲水材料或超亲水材料。表面涂层具有超亲水性能，使涂层在防雾、流体润滑、生物相容性等方面具有的诱人的应用价值。具有超亲水性能的薄膜可以应用于汽车车窗玻璃、涡轮机叶片、滑雪护目镜、照相机镜头、浴室镜子等方面。自1997年nature杂志报道了光诱导二氧化钛薄膜具有亲水亲油特性以来，逐渐发展了多种制备亲水的二氧化钛薄膜或纳米材料的方法，例如磁控溅射法、Sol-Gel法、喷雾法等。这些方法制备的微结构涂层或者对基材表面的修饰，虽然具有亲水性能，但是这些材料的持久性及表面力学性能均欠佳，另外亲水涂层的制备方法复杂，限制了亲水涂层的实际应用。

类金刚石薄膜具有良好的理化性能，如高的硬度和强度、良好的润滑性能、良好的化学惰性和生物相容性，故此薄膜在生物医学材料、金属机械器件的保护、光学等方面具有很好的应用前景。但是纯粹的类金刚石薄膜为疏水性能，与水的接触角高达75度，限制了薄膜在生物医学材料方面的应用。如中国发明专利申请公开说明书CN1487118、CN101082118、CN101082131等利用物理气相沉积或化学气相沉积技术在各种基材上沉积制备类金刚石薄膜的方法很多，但关于制备具有超亲水性能的类金刚石薄膜的报道却很少见。

类金刚石纳米复合薄膜(diamond-like nanocomposite films，DLN films)是解决以上问题的最佳途径之一。通过在DLC薄膜中复合具有极性纳米颗粒或构筑纳米结构，使DLC薄膜具有很好的超亲水特性，同时类金刚石薄膜的本身的润滑性能、力学性能等理化性能并未改变。目前，气相沉积技术是制备类金刚石复合薄膜的主流，但是气相沉积设备昂贵、条件苛刻以及掺杂元素种类受限等，限制了类金刚石薄膜的进一步的应用。

与传统的气相沉积技术相比，液相法制备DLC膜虽然起步于二十世纪九十年代，但具有明显的优势：(1)设备简单，能量和原料来源容易，易于大面积制备；(2)绕镀性好，可以在任何复杂形状的底材上沉积；(3)液相制备技术利于各种元素的掺杂，在保持薄膜本身理化性能基础上，有效地拓展薄膜的其它功能。

发明内容

本发明要解决的问题是克服传统气相沉积薄膜技术的不足之处，提供一种工艺简单、可在温和条件下制备的超亲水类金刚石薄膜的方法。

一种超亲水类金刚石复合薄膜的制备方法，其特征在于选用二氧化钛纳米颗粒的甲醇溶液作为电解液，在电解反应器中，调节电解液的温度在50～60℃，将单晶硅片固定在石墨片上作阴极，石墨作阳极，采用直流800～1600V高电压作用，沉积时间2～10小时，得到超亲水类金刚石复合薄膜。

本发明所述的二氧化钛纳米颗粒的甲醇溶液的浓度为0.01～0.05mg/ml。

本发明采用的二氧化钛纳米颗粒的粒径分布在40-60nm。

本发明中的电解液中的二氧化钛纳米颗粒虽然不参与电极反应，但是二氧化钛在两极高电场作用下，纳米颗粒的内在结构发生变化，在机械搅拌的作用下被包裹进薄膜中，从而形成含二氧化钛纳米颗粒的类金刚石碳复合薄膜，具有良好的超亲水性能。

本发明中所制备薄膜的结构用拉曼光谱(Raman)、红外光谱(FTIR)、X-射线光电子能谱(XPS)和透射电子显微镜(TEM)进行了表征。X射线光电子能谱分析发现薄膜表面的钛以TiO₂的形式存在，并且碳原子的结合能与相同沉积条件下得到的纯类金刚石碳膜中碳原子的结合能一致，表明薄膜中二氧化钛纳米颗粒与碳原子没有发生化学键合。Raman光谱图出现明显的D峰和G峰，呈现典型的类金刚石碳结构特征。透射电子显微镜显示纳米颗粒包埋在无定型碳基质中，纳米颗粒粒径40nm左右，选区电子衍射表明纳米颗粒是多晶结构的。结构表征表明，本发明在单晶硅片上成功制备出了含多晶相的二氧化钛纳米颗粒的超亲水性类金刚石碳复合薄膜，其中二氧化钛以多晶形式存在薄膜中。

超亲水薄膜材料包括衬底及包覆有纳米颗粒的薄膜，薄膜由类金刚石薄膜及二氧化钛纳米颗粒构成，该薄膜的厚度为800nm左右。