專(zhuān)利名稱(chēng)：二氧化鈦薄膜材料的超親水驅(qū)油表面制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有超親水性驅(qū)油特性的薄膜材料制備方法，該薄膜材料適用于水油共存的工作環(huán)境下需要防油附著的固體表面，主要應(yīng)用于石油、化工等領(lǐng)域，屬于功能材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
某些固體表面的親水性大于親油性，那么在水油混合共存的環(huán)境中，可以利用水的存在來(lái)驅(qū)趕和防止油類(lèi)物質(zhì)在其表面的附著。使固體表面具有親水且驅(qū)油功能的技術(shù)在許多工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，特別是在石油化工領(lǐng)域。以往，人們的注意力主要集中在有機(jī)材料上，但有機(jī)材料有些很難克服的缺點(diǎn)，如硬度低、耐磨性差、高溫穩(wěn)定性低等。近些年來(lái)，有研究者開(kāi)始嘗試用無(wú)機(jī)材料提高固體表面的親水性研究。目前人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)二氧化鈦薄膜在無(wú)光照情況則表現(xiàn)出普通的親水狀態(tài)，而在光照的條件下表現(xiàn)出超親水狀態(tài)，即表面與水的接觸角小于5°[Tatsuo Shibata，Hiroshi Irie，and KazuhitoHashimoto，“Enhancement of Photoinduced Highly Hydrophilic Conversion onTiO2 Thin Films by Introducing Tensile Stress”，J.phys.Chem.B 2003，107，10696-10698.]，[Nobuyuki Sakai，Akira Fujishima，Toshiya Watanabe，andKazuhito Hashimoto，“Quantitative Evaluation of the Photoinduced HydrophilicConversion Properties of TiO2 Thin Film Surfaces by the Reciprocal of ContactAngle”，J.Phys.Chem.B 2003，1O7，1028-1035.]這兩篇文獻(xiàn)報(bào)道了二氧化鈦經(jīng)光照產(chǎn)生超親水性能的研究結(jié)果。
然而，盡管利用光照二氧化鈦薄膜實(shí)現(xiàn)了超親水性，但在許多石油化工儀器設(shè)備中，并不具備光照條件。并且，為了提高其驅(qū)油性能，還需進(jìn)一步降低表面與油的接觸角。因此，為了滿足對(duì)親水驅(qū)油功能表面的應(yīng)用需求，就要使二氧化鈦薄膜無(wú)光照條件下保持超親水狀態(tài)且具有更大的與油接觸角。
在石油化工設(shè)備中，暴露于水、油共存環(huán)境下的固體表面，尤其是一些傳感器的表面，非常容易被油、石蠟等黏附遮蓋，影響設(shè)備正常工作。表面具有超親水驅(qū)油特性后，將改善和解決這種困擾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是，提供一種二氧化鈦薄膜表面處理方法，以減小其表面與水的接觸角，同時(shí)增大與油的接觸角，實(shí)現(xiàn)二氧化鈦薄膜在無(wú)光照的條件下具有超親水驅(qū)油性能。
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是在固體表面先沉積一層二氧化鈦薄膜，然后采用氣相表面化學(xué)處理法對(duì)二氧化鈦薄膜表面先后進(jìn)行還原和羥基化處理。我們的研究表明，直接對(duì)所沉積的二氧化鈦表面進(jìn)行羥基化處理沒(méi)有效果；而先將表面還原，使表面失去氧原子，從而更容易接受與羥基的結(jié)合。再實(shí)施羥基化處理，會(huì)使二氧化鈦薄膜表面形成一層羥基，從而使表面產(chǎn)生超親水驅(qū)油性。
二氧化鈦薄膜材料的超親水驅(qū)油表面制備方法，其特征在于，包括以下步驟1)用常規(guī)沉積方法在作為襯底的固體表面上沉積一層二氧化鈦薄膜，厚度在0.1微米到10微米的范圍；2)將襯底再放入氣相化學(xué)表面處理室中，對(duì)處理室抽真空后，充入氫氣作為還原性氣體，氣壓在1～50000Pa的范圍內(nèi)，基底溫度在室溫到800℃的范圍，還原處理時(shí)間10～120分鐘；3)在氣壓0.5～2000Pa的范圍，充入醇類(lèi)物質(zhì)使之以氣態(tài)存在；在基底附近施加射頻電磁場(chǎng)使氣體發(fā)生輝光放電，產(chǎn)生低溫等離子體，射頻功率為20～500W，基底溫度為室溫～800℃，羥基化時(shí)間10～120分鐘。
輝光放電時(shí)，氣態(tài)醇分子電離分解出含羥基離子，等離子體中的含羥基離子撞擊并附著到基底上的二氧化鈦薄膜表面、繼而發(fā)生反應(yīng)，從而在二氧化鈦薄膜表面形成了一層羥基。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的特征在于它不是簡(jiǎn)單的二氧化鈦薄膜材料，而是首先用常規(guī)的沉積方法制備一層二氧化鈦薄膜，然后用氣相化學(xué)處理法對(duì)此二氧化鈦薄膜表面進(jìn)行還原處理，最后再用低溫等離子體化學(xué)法進(jìn)行表面羥基化處理，從而在表面形成了一層羥基，產(chǎn)生超親水驅(qū)油性能。
將該超親水驅(qū)油薄膜鍍于測(cè)量原油流速的傳感器探頭表面，明顯改善了表面附著石蠟的情況
具體實(shí)施例方式
以下用三個(gè)實(shí)施例子來(lái)進(jìn)一步介紹本發(fā)明。
實(shí)施例一1.先用“磁控濺射法”在玻璃基底上制備一層二氧化鈦薄膜，薄膜厚度為0.1微米；2.然后將基底放入氣相化學(xué)表面處理室中，對(duì)表面處理室抽真空，將襯底保持在室溫，充入氫氣，用氫氣還原二氧化鈦薄膜表面，氣壓保持50000Pa，處理時(shí)間為120分鐘；3.抽出氫氣，通入甲醇，氣壓為2000Pa，基底溫度350℃；在基底附近施加射頻電磁場(chǎng)產(chǎn)生輝光放電，射頻功率20W，羥基化時(shí)間10分鐘。
對(duì)該例處理的表面進(jìn)行親水性和親油性測(cè)量，與蒸餾水靜接觸角為4.1°，與高速泵油的靜接觸角為28.4°。
實(shí)施例二1.用“磁控濺射法”在單晶硅基底上制備一層二氧化鈦薄膜，薄膜厚度為3微米；2.然后將基底放入氣相化學(xué)表面處理室中，對(duì)表面處理室抽真空，將襯底加熱至400℃，充入氫氣，氣壓保持1000Pa，處理時(shí)間為40分鐘；3.抽出氫氣，通入甲醇，氣壓為10Pa，基底保持室溫；在基底附近施加射頻電磁場(chǎng)產(chǎn)生輝光放電，射頻功率200W，羥基化時(shí)間120分鐘。
對(duì)該實(shí)施例的表面進(jìn)行親水性和親油性測(cè)量，與蒸餾水靜接觸角為3.0°，與高速泵油的靜接觸角為31.5°。
實(shí)施例三1.用“溶膠-凝膠法”在石英基底上制備一層二氧化鈦薄膜，薄膜厚度為10微米；2.然后將基底放入氣相化學(xué)表面處理室中，對(duì)表面處理室抽真空，將襯底加熱至800℃，充入氫氣，氣壓保持1Pa，處理時(shí)間為10分鐘；3.抽出氫氣，通入乙醇，氣壓為0.5Pa，基底溫度800℃；在基底附近施加射頻電磁場(chǎng)產(chǎn)生輝光放電，射頻功率500W，羥基化時(shí)間60分鐘。
對(duì)該實(shí)施例的表面進(jìn)行親水性和親油性測(cè)量，與蒸餾水靜接觸角為4.5°，與高速泵油的靜接觸角為25.2°。
權(quán)利要求
1.一種二氧化鈦薄膜材料的超親水驅(qū)油表面制備方法，其特征在于，包括以下步驟1)用常規(guī)沉積方法在作為襯底的固體表面上沉積一層二氧化鈦薄膜，厚度在0.1微米到10微米的范圍；2)將襯底再放入氣相化學(xué)表面處理室中，對(duì)處理室抽真空后，充入氫氣作為還原性氣體，氣壓在1～50000Pa的范圍內(nèi)，基底溫度在室溫到800℃的范圍，還原處理時(shí)間10～120分鐘；3)在氣壓0.5～2000Pa的范圍，充入醇類(lèi)物質(zhì)使之以氣態(tài)存在；在基底附近施加射頻電磁場(chǎng)使氣體發(fā)生輝光放電，產(chǎn)生低溫等離子體，射頻功率為20～500W，基底溫度為室溫～800℃，羥基化時(shí)間10～120分鐘。
全文摘要
二氧化鈦薄膜材料的超親水驅(qū)油表面制備方法屬于功能材料領(lǐng)域?，F(xiàn)有技術(shù)用光照二氧化鈦薄膜實(shí)現(xiàn)了超親水性，但許多石油化工儀器設(shè)備中并不具備光照條件，且需進(jìn)一步降低表面與油的接觸角。本發(fā)明步驟襯底上沉積一層0.1－10微米二氧化鈦薄膜；再放入氣相化學(xué)表面處理室中，抽真空后充入氫氣，氣壓在1～50000Pa；溫度在室溫到800℃的范圍，還原處理10～120分鐘。在氣壓0.5～2000Pa的范圍，充入醇類(lèi)物質(zhì)使之以氣態(tài)存在；在基底附近施加射頻電磁場(chǎng)使氣體發(fā)生輝光放電，產(chǎn)生低溫等離子體，射頻功率為20～500W，基底溫度為室溫～800℃，羥基化時(shí)間10～120分鐘。該薄膜與蒸餾水靜接觸角為4.1°，與高速泵油的靜接觸角為28.4°，鍍于測(cè)量原油流速的傳感器探頭表面，明顯改善了表面附著石蠟的情況。
文檔編號(hào)C23C8/36GK1952214SQ20061011466
公開(kāi)日2007年4月25日 申請(qǐng)日期2006年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月21日
發(fā)明者王波, 黃躍, 宋雪梅, 嚴(yán)輝, 汪浩, 朱滿康, 王如志, 候育冬, 張銘 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)