[发明专利]一种基于水滴模板法制备TiO2/SiO2薄膜的工艺

说明书

本发明属于无机功能材料制备技术领域，特别涉及一种基于水滴模板法制备TiO₂/SiO₂薄膜的工艺。本发明以钛酸四正丁酯络合物和正硅酸乙酯的溶液为涂抹液，基于浸渍‑提拉成膜技术结合水滴模板原理，并利用控制预蒸发时间及溶液中正硅酸乙酯的含量以调节水滴尺寸及分布，制备了蜂窝结构的TiO₂/SiO₂薄膜。

技术领域

本发明属于无机功能材料制备技术领域，特别涉及一种基于水滴模板法制备TiO₂/SiO₂薄膜的工艺。

背景技术

材料表面的超亲水或超疏水性能一方面与材料本身的表面能有关，另一方面也与材料表面微观上的粗糙度有关。半导体TiO₂薄膜因为其光诱导的双亲性而被广泛用于防雾玻璃、自清洁涂层材料的研究，为了提高TiO₂薄膜的可见光透过率或改善薄膜的亲水性能，常用SiO₂对TiO₂薄膜进行改性；另一方面，为了适当增大表面的粗糙度，常采用气孔对薄膜表面进行修饰。

水滴模板法是制备气孔修饰薄膜的一种高效自组装方法，这种方法常被用来制备聚合物薄膜。该方法以与水不相容的挥发性有机溶剂溶解聚合物，然后将聚合物溶液涂抹于固体基底表面，接着让湿气流流过液膜的上方，有机溶剂的挥发降低了液膜表面附近的温度，其上方气流中的水蒸气因而凝结成水滴并排列在液膜的表面，当有机溶剂和水滴完全蒸发后，即在水滴的原位形成气孔。

对于聚合物，所制备的薄膜厚度理论上不受限制，但是与聚合物不同的是：当以有机金属化合物溶液作为涂抹液应用水滴模板法来制备无机薄膜时，一般还需要经受高温热处理过程，在此过程中薄膜会产生较大程度的体积收缩，所以如果薄膜的厚度不加以控制，则很容易在薄膜上形成裂纹。

水滴模板法中最终成膜的厚度主要与提拉速度和液膜浓度有关：提拉速度的升高、液膜浓度的增加都会增加最终成膜的厚度，从而也会增加凝胶膜受热收缩形成裂纹的风险；提拉速度降低、液膜浓度减小则反之。因此在控制凝胶膜厚度的基础上，为确保生产效率使用快速提拉操作就必须将液膜浓度控制得很低，但是这会导致液膜在湿气流中过度蒸发，形成的水滴过度生长，致使形成的水滴模板尺寸过大，且水滴容易发生融合等问题；而如果基于浓度较高的液膜，那就只有采用较低的拉速进行提拉，但这又会带来其他问题：因为在提拉过程中基板上端先形成的液膜首先挥发，所以如果提拉速度过小的话，上端已经经历了大量的挥发，而下端还没有开始挥发，这会致使液膜在后续的湿气流中蒸发不均匀，从而形成的孔结构不均匀，而且由于提拉速度缓慢，导致了生产效率低。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提供了一种基于水滴模板法制备TiO₂/SiO₂薄膜的工艺，具体步骤为：

(1)配制涂抹液

采用环己烷与丁醇组成混合溶剂，以钛酸四正丁酯和正硅酸乙酯分别作为TiO₂和SiO₂的前驱体，

首先将乙酰丙酮混合到钛酸四正丁酯中，搅拌反应得到钛酸四正丁酯络合物，

其次，将上述所得的钛酸四正丁酯络合物加入到环己烷与丁醇的混合溶剂(环己烷与丁醇的体积比为7:1)中，然后加入蒸馏水并搅拌成均匀的溶液，将该溶液于室温(25℃)下静置陈化24h后，加入正硅酸乙酯再搅拌得到涂抹液，

通过调节正硅酸乙酯的含量也可以一定程度上调整提拉后的液膜与水的界面张力，从而调整所形成水滴模板的大小；

(2)湿气流的形成

将作为载气的氮气流通入水中，促进水的挥发形成湿气流，让湿气流经过一水平安置的管道，管道中湿气流的流速为4cm/s；

(3)溶液膜的形成