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CN102275350A - 掺杂纳米SiO2的聚合物复合薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种微机电系统技术领域的掺杂纳米SiO2的聚合物复合薄膜及其制备方法,通过对纳米SiO2粒子进行掺杂改性并涂敷于基底上,然后进一步在改性后的纳米SiO2粒子上沉积0.5~10微米的薄膜,得到聚合物复合薄膜。本发明能够有效提高薄膜的热稳定性和机械性能。

Description

掺杂纳米SiO<sub>2</sub>的聚合物复合薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的材质和方法,具体是一种掺杂纳米SiO2的聚合物复合薄膜及其制备方法。
背景技术
聚对二甲苯(Parylene)薄膜是目前国际上应用最为广泛的聚合物材料之一,它是一种高结晶度的热塑性高分子材料。到目前为止Parylene家族已形成一系列性质相近的多种型号,通常采用化学气相沉积技术制备(Gorham方法)。Parylene C是以一个氯原子取代对二甲苯苯环上的一个氢原子得到的聚合物。它具有优异的生物相容性,气体与水蒸气阻隔性能,光学性能,电绝缘性以及抗腐蚀等特性,是最有效的防潮湿,防霉菌以及高频部件防护涂层材料。目前Parylene C薄膜多用于微尺度电子器件的封装以及体内植入式器件的生物相容性保护等微加工领域。
但是随着体内植入式器件研究的发展,对生物相容性材料的需求越来越高,因此,ParyleneC薄膜使用过程中热稳定性以及机械强度低等问题逐渐明显。最近美国SCS公司公布了最新研制的Parylene HT,该种聚合物相比Parylene C成膜后抗高温能力有了显著的提高,但该种材料价格昂贵,引进设备成本很高,而通过开发研究新的沉积原料来满足要求不仅耗资巨大同时开发周期长,无法满足对新功能材料的快速应用需求。因此迫切需要一种低成本,工艺简单的制备功能性Parylene C薄膜的方法。
纳米SiO2由于具有诸多优良性能,如小尺寸效应,光电特性,高温下具有高强度,高韧性,高稳定性,制备简单,因而得到广泛应用。通过物理或化学方法使纳米SiO2和有机物复合,可制备多功能的复合材料。目前,纳米SiO2复合材料已引起美国、英国、德国和日本等多个国家的重视,使得纳米SiO2复合材料成为当今纳米复合材料的研究热点之一。
经对现有技术的文献检索发现,Seshadri Ganguli等在Journal of Vacuum Science &Technology A.15(6):3138-3142,1997撰文“Improved growth and thermal stability of Parylenefilms”(Parylene薄膜的生长和热稳定性能改善)。其原理是通过提高反应室压力,降低基底温度,进而提高薄膜的生长率和聚合物分子重量,从而改善薄膜的热稳定性。但是高压会降低沉积薄膜的质量,降低基底温度需要在原有真空设备中增添冷却装置,大大提高了成本。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足,提供一种掺杂纳米SiO2的聚合物复合薄膜及其制备方法,通过掺杂改性后的纳米SiO2粒子来改善该薄膜的热稳定性和机械性能。
本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明涉及一种掺杂纳米SiO2的聚合物复合薄膜的制备方法,通过对纳米SiO2粒子进行掺杂改性并涂敷于基底上,然后进一步在改性后的纳米SiO2粒子上沉积0.5~10微米的薄膜,得到聚合物复合薄膜。
所述的掺杂改性是指:将分散于极性溶剂中的纳米SiO2粒子与硅烷偶联剂溶液混合烘干后得到;
所述的纳米SiO2粒子是指:经过电热恒温鼓风干燥箱中100℃干燥24h的纳米SiO2粒子。
所述的极性溶剂为无水乙醇和去离子水以1∶1的体积比混合的溶液
所述的分散是指:超声分散2h
所述的硅烷偶联剂溶液,是指:溶解于无水乙醇中的KH570,其用量为纳米SiO2粒子质量的5%。
所述的混合烘干是指:在75℃下恒温搅拌4h后,将产物依次进行三次循环的离心分离、超声分散和抽滤处理。
所述的涂敷是指:将分散于无水乙醇中的改性后的纳米SiO2粒子通过喷洒到基底或采用提拉法将基底浸入的方式实现。
所述的基底为硅片、玻璃片或金属片。
所述的沉积是指:将涂敷由改性后的纳米SiO2粒子的基底放入沉积腔中,通过化学气相沉积方式将Payrlene C二聚体在80~170℃时蒸发,690℃时裂解为单体,最后在沉积腔中常温下聚合制得Parylene C薄膜,整个沉积过程中的压强在8毫托以下。
本发明通过上述方法制备得到的掺杂纳米SiO2的聚合物复合薄膜,其组分为:Parylene C薄膜和分散于Parylene C薄膜中的纳米SiO2粒子。
通过本发明中掺杂改性的纳米SiO2工艺,制备的聚合物薄膜热稳定性和机械性能得到很大的改善,主要原理是通过硅烷偶联剂改性,纳米SiO2粒子表面嫁接的硅烷键形成有机层,有效阻止纳米SiO2粒子的团聚,并提高其与聚合物Parylene C单体分子之间的作用力,从而改善薄膜的热稳定性和机械性能。
附图说明
图1为实施例3制得的Parylene C和纳米SiO2复合薄膜的SEM照片。
图2为实施例3制得的纯Parylene C薄膜及Parylene C/SiO2复合薄膜的TGA对比曲线。
图3为制得的纯Parylene C薄膜及夹层结构的Parylene C/SiO2复合薄膜的DMA对比曲线。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
(1)纳米SiO2粒子的改性
将粒子放入电热恒温鼓风干燥箱中100℃干燥24h。配制无水乙醇和去离子水(1∶1)混合溶液30mL倒入烧杯中,加入0.5g纳米SiO2,超声分散2h后倒入三口烧瓶内,取硅烷偶联剂(KH570,为SiO2质量的5%)溶于20mL无水乙醇中,充分搅拌后加入三口烧瓶中,在75℃下恒温搅拌4h。最后将所得乳液进行高速离心分离、超声分散、抽滤,重复3次,烘干改性后的纳米SiO2,真空储存备用。
(2)涂敷改性后的纳米SiO2粒子
将改性后的纳米SiO2粒子和无水乙醇按1∶150混合,超声30min,采用的基底为单面抛光硅片。将稳定的悬浊液喷洒到硅片的抛光面上使其浸没,或采用提拉法将硅片按一定速率从悬浊液中提起,然后使用高压氮气的微小气流将硅片吹干,得到表面涂敷一层均匀的改性的纳米SiO2粒子的硅片。
(3)Parylene C复合薄膜的制备
将涂敷纳米粒子的硅片放入沉积腔中,采用化学气相沉积设备,使Payrlene C二聚体在80~170℃时蒸发,690℃时裂解为单体,最后在沉积腔中常温下聚合制得Parylene C薄膜。整个过程设备压强控制在8毫托以下。该复合薄膜降解温度提高80~100℃,热稳定性得到改善。
实施例2
(1)纳米SiO2粒子的改性
将粒子放入电热恒温鼓风干燥箱中100℃干燥24h。配制无水乙醇和去离子水(1∶1)混合溶液30mL倒入烧杯中,加入0.5g纳米SiO2,超声分散2h后倒入三口烧瓶内,取硅烷偶联剂(KH570,为SiO2质量的5%)溶于20mL无水乙醇中,充分搅拌后加入三口烧瓶中,在75℃下恒温搅拌4h。最后将所得乳液进行高速离心分离、超声分散、抽滤,重复3次,烘干改性后的纳米SiO2,真空储存备用。
(2)涂敷改性后的纳米SiO2粒子
将改性后的纳米SiO2粒子和无水乙醇按1∶100混合,超声60min,采用的基底为单面抛光硅片。将稳定的悬浊液喷洒到硅片的抛光面上使其浸没,或采用提拉法将硅片按一定速率从悬浊液中提起,然后使用高压氮气的微小气流将硅片吹干,得到表面涂敷一层均匀的改性的纳米SiO2粒子的硅片。
(3)Parylene C复合薄膜的制备
将涂敷纳米粒子的硅片放入沉积腔中,采用化学气相沉积设备,使Payrlene C二聚体在80~170℃时蒸发,690℃时裂解为单体,最后在沉积腔中常温下聚合制得Parylene C薄膜。整个过程设备压强控制在8毫托以下。该复合薄膜降解温度提高80~110℃,热稳定性得到改善。
实施例3
(1)纳米SiO2粒子的改性
将粒子放入电热恒温鼓风干燥箱中100℃干燥24h。配制无水乙醇和去离子水(1∶1)混合溶液30mL倒入烧杯中,加入0.5g纳米SiO2,超声分散2h后倒入三口烧瓶内,取硅烷偶联剂(KH570,为SiO2质量的5%)溶于20mL无水乙醇中,充分搅拌后加入三口烧瓶中,在75℃下恒温搅拌4h。最后将所得乳液进行高速离心分离、超声分散、抽滤,重复3次,烘干改性后的纳米SiO2,真空储存备用。
(2)涂敷改性后的纳米SiO2粒子
将改性后的纳米SiO2粒子和无水乙醇按1∶50混合,超声90min,采用的基底为单面抛光硅片。将稳定的悬浊液喷洒到硅片的抛光面上使其浸没,或采用提拉法将硅片按一定速率从悬浊液中提起,然后使用高压氮气的微小气流将硅片吹干,得到表面涂敷一层均匀的改性的纳米SiO2粒子的硅片。
(3)Parylene C复合薄膜的制备
将涂敷纳米粒子的硅片放入沉积腔中,采用化学气相沉积设备,使Payrlene C二聚体在80~170℃时蒸发,690℃时裂解为单体,最后在沉积腔中常温下聚合制得Parylene C薄膜。整个过程设备压强控制在8毫托以下。该复合薄膜降解温度提高80~120℃,热稳定性得到改善。
实施效果
制备夹层结构的纳米SiO2和Parylene C复合薄膜,用于DMA测试
(1)纳米SiO2粒子的改性
将粒子放入电热恒温鼓风干燥箱中100℃干燥24h。配制无水乙醇和去离子水(1∶1)混合溶液30mL倒入烧杯中,加入0.5g纳米SiO2,超声分散2h后倒入三口烧瓶内,取硅烷偶联剂(KH570,为SiO2质量的5%)溶于20mL无水乙醇中,充分搅拌后加入三口烧瓶中,在75℃下恒温搅拌4h。最后将所得乳液进行高速离心分离、超声分散、抽滤,重复3次,烘干改性后的纳米SiO2,真空储存备用。
(2)涂敷改性后的纳米SiO2粒子
将改性后的纳米SiO2粒子和无水乙醇按1∶50混合,超声90min,采用的基底为单面抛光硅片。将稳定的悬浊液喷洒到硅片的抛光面上使其浸没,或采用提拉法将硅片按一定速率从悬浊液中提起,然后使用高压氮气的微小气流将硅片吹干,得到表面涂敷一层均匀的改性的纳米SiO2粒子的硅片。
(3)Parylene C复合薄膜的制备
将涂敷纳米粒子的硅片放入沉积腔中,采用化学气相沉积设备,使Payrlene C二聚体在80~170℃时蒸发,690℃时裂解为单体,最后在沉积腔中常温下聚合制得Parylene C薄膜。整个过程设备压强控制在8毫托以下。
(4)夹层Parylene C复合薄膜的制备
重复(2)(3)过程4次,制备夹层结构的纳米SiO2和Parylene C复合薄膜。该复合薄膜应力比纯薄膜提高10N,机械性能得到改善。

Claims (9)

1.一种掺杂纳米SiO2的聚合物复合薄膜的制备方法,其特征在于,通过对纳米SiO2粒子进行掺杂改性并涂敷于基底上,然后进一步在改性后的纳米SiO2粒子上沉积0.5~10微米的薄膜,得到聚合物复合薄膜。
2.根据权利要求1所述的掺杂纳米SiO2的聚合物复合薄膜的制备方法,其特征是,所述的掺杂改性是指:将分散于极性溶剂中的纳米SiO2粒子与硅烷偶联剂溶液混合烘干后得到。
3.根据权利要求1或2所述的掺杂纳米SiO2的聚合物复合薄膜的制备方法,其特征是,所述的纳米SiO2粒子是指:经过电热恒温鼓风干燥箱中100℃干燥24h的纳米SiO2粒子。
4.根据权利要求2所述的掺杂纳米SiO2的聚合物复合薄膜的制备方法,其特征是,所述的极性溶剂为无水乙醇和去离子水以1∶1的体积比混合的溶液。
5.根据权利要求2所述的掺杂纳米SiO2的聚合物复合薄膜的制备方法,其特征是,所述的硅烷偶联剂溶液,是指:溶解于无水乙醇中的KH570,其用量为纳米SiO2粒子质量的5%。
6.根据权利要求1所述的掺杂纳米SiO2的聚合物复合薄膜的制备方法,其特征是,所述的混合烘干是指:在75℃下恒温搅拌4h后,将产物依次进行三次循环的离心分离、超声分散和抽滤处理。
7.根据权利要求1所述的掺杂纳米SiO2的聚合物复合薄膜的制备方法,其特征是,所述的涂敷是指:将分散于无水乙醇中的改性后的纳米SiO2粒子通过喷洒到基底或采用提拉法将基底浸入的方式实现。
8.根据权利要求1所述的掺杂纳米SiO2的聚合物复合薄膜的制备方法,其特征是,所述的沉积是指:将涂敷由改性后的纳米SiO2粒子的基底放入沉积腔中,通过化学气相沉积方式将Payrlene C二聚体在80~170℃时蒸发,690℃时裂解为单体,最后在沉积腔中常温下聚合制得Parylene C薄膜,整个沉积过程中的压强在8毫托以下。
9.一种掺杂纳米SiO2的聚合物复合薄膜,其特征在于,根据上述任一权利要求所述方法制备得到。
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