一种应用于溶胶镀膜技术的薄膜干燥方法

摘要

本发明属于功能薄膜技术领域，尤其涉及一种应用于溶胶镀膜技术的薄膜干燥方法。本发明开发了一种应用于溶胶镀膜技术的薄膜加热干燥工艺。它不同于传统的对溶胶膜进行全表面均匀加热的方式，而是在薄膜的左右对称两侧施加定向热场，利用快速升温处理，从而在薄膜表面形成较大的温度梯度分布，最终实现薄膜从边缘向中心的逐次定型成膜。该工艺可以有效抑制薄膜干燥过程中的收缩变形，能耗低且制备周期短，其工艺简单可控，不需要昂贵的设备，同时对需制的薄膜材料、尺寸以及衬底种类无特殊要求，为溶胶镀膜中的干燥工艺提供了一种低成本、短周期、可工业化实施的新技术。

权利要求

1.一种应用于溶胶镀膜技术的薄膜干燥方法，其特征在于，它包括以下步骤：(1)将所需制备的金属化合物的无机盐或金属醇盐与无机或有机溶剂以及其它辅助添加剂充分混合反应，配制成所需膜材的前驱体溶胶并进行陈化；

(2)将溶胶通过提拉、旋涂或者喷雾热分解方法涂覆在清洁的衬底基片上形成湿膜；

(3)将涂覆溶胶的基片水平放入加热炉腔体正中，调整加热炉腔室内的加热源仅对称对在炉腔内的涂覆溶胶的基片左右两侧加热，加热至80～300℃，升温速率大于5℃/s，保温

1～10min，使其干燥定型成膜，随后冷却至室温取出，即得到所需的干燥薄膜。

说明书

一种应用于溶胶镀膜技术的薄膜干燥方法

技术领域

[0001] 本发明属于功能薄膜技术领域，尤其涉及一种应用于溶胶镀膜技术的薄膜干燥方法。

背景技术

[0002] 溶胶凝胶法是上世纪六十年代发展起来的一种材料制备方法。相对于其它的功能薄膜制备技术，溶胶凝胶法具有产物粒径小、均匀性高、易于掺杂，设备工艺简单以及反应过程可控等众多优势，在电学、光学、机械、催化、生物等领域有着诱人的应用前景。

[0003] 利用溶胶凝胶法制备薄膜的工艺过程主要包括：溶胶的配制，溶胶的陈化，镀膜，干燥以及热处理等。其中干燥工艺参数的控制对薄膜的性能有着至关重要的影响(C.J.Brinker,et al.,"Fundamentals of sol-gel dip coating",Thin Solid Films,1991,201:97-108)。由于经过溶胶的凝胶过程而沉积到基板表面的凝胶膜内部还有大量溶剂，如果在薄膜的干燥过程中控制不当，将会产生由于溶剂蒸发而引起的较大体积收缩，并且由于毛细管力的存在，很容易导致干凝胶膜产生缺陷甚至龟裂。因此，探索适宜的干燥工艺一直是溶胶镀膜技术中的重点和难点。

[0004] 目前，常规的薄膜干燥工艺主要采用以下几种：(1)减小每次涂覆的溶胶膜的厚度，将湿膜直接放置在加热台上或者烘箱中整体均匀加热烘干，这样便可以利用衬底的黏附作用抑制薄膜的收缩。此种工艺应用最为广泛并且操作简便。但是，由于每次涂覆的薄膜过薄，这种工艺需要对薄膜进行多次循环镀膜，这便大大增加了制备周期以及多层之间的缺陷；(2)采用冷冻干燥工艺，在真空的条件下使水蒸汽直接从固体中升华出来，从而保持住原有的薄膜结构。但是此工艺只限于水或一些冰点较高的有机溶剂，设备造价高，干燥速率低，工艺时间长；(3)采用超临界干燥工艺，对压力和温度进行控制，使溶剂在干燥过程中达到其本身的临界点，完成液相至气相的超临界转变。过程中溶剂无明显表面张力，从而不损坏薄膜的结构。但是，此工艺依旧存在制备周期长、产量低、成本高等缺点。从上面的分析不难看出，现有的干燥工艺手段还无法满足溶胶镀膜的低成本、大面积工业化生产要求，研发廉价高效的干燥工艺手段是一个亟需解决的课题。

发明内容

[0005] 为了解决溶胶凝胶工艺中存在的薄膜干燥收缩问题，本发明提供了一种能显著抑制薄膜干燥收缩、操作简便的应用于溶胶镀膜技术的薄膜干燥方法。

[0006] 本发明的技术解决方案是，(1)将所需制备的金属化合物的无机盐或金属醇盐与无机或有机溶剂以及其它辅助添加剂充分混合反应，配制成所需膜材的前驱体溶胶并进行陈化；

[0007] (2)将溶胶通过提拉、旋涂或者喷雾热分解方法涂覆在清洁的衬底基片上形成湿膜；

[0008] (3)将涂覆溶胶的基片水平放入加热炉腔体正中，调整加热炉腔室内的加热源仅对称对在炉腔内的涂覆溶胶的基片左右两侧加热，加热至80～300℃，升温速率大于5℃/s，保温1～10min，使其干燥定型成膜，随后冷却至室温取出，即可得到所需的干燥薄膜。

[0009] 本发明具有的优点和有益效果，本发明开发了一种应用于溶胶镀膜技术的薄膜加热干燥工艺。它不同于传统的对溶胶膜进行全表面均匀加热的方式，而是在薄膜的左右对称两侧施加定向热场，利用快速升温处理，从而在薄膜表面形成较大的温度梯度分布，最终实现薄膜从边缘向中心的逐次定型成膜。该工艺可以有效抑制薄膜干燥过程中的收缩变形，能耗低且制备周期短，其工艺简单可控，不需要昂贵的设备，同时对需制的薄膜材料、尺寸以及衬底种类无特殊要求，为溶胶镀膜中的干燥工艺提供了一种低成本、短周期、可工业化实施的新技术。该薄膜干燥方法具有如下优点：

[0010] 1.对前驱体溶胶无选择性，原则上适合应用于各种需镀膜材的干燥工艺。

[0011] 2.对溶胶膜的单次涂覆厚度无限制，对薄膜尺寸和形状以及衬底种类也无特殊要求，通过恰当地调节镀膜参数，可以实现产品的一次干燥镀膜成型，无需循环涂覆。

[0012] 3.同传统的溶胶膜全表面同时加热烘干工艺相比，此工艺手段可以更好地保持薄膜结构，薄膜在干燥过程中几乎无收缩变形。

[0013] 4.操作工艺简单，无需昂贵的设备，节省能源并且制备周期短，可方便实现大面积制备及批量化生产。

附图说明

[0014] 图1为干燥工艺中加热炉内的加热源以及基片位置示意图。

具体实施方式

[0015] 下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。本发明的工艺步骤如下：

[0016] 1.将所需制备的金属化合物的无机盐或金属醇盐与无机或有机溶剂以及其它辅助添加剂充分混合反应，配制成所需膜材的前驱体溶胶并进行陈化；

[0017] 2.将溶胶通过提拉、旋涂或者喷雾热分解等方法涂覆在清洁的衬底基片上形成湿膜；

[0018] 3.将涂覆溶胶1的基片2水平放入加热炉腔体正中进行80～300℃的快速加热处理，升温速率大于5℃/s，保温1～10min，使其干燥定型成膜。随后冷却至室温取出，即可得到所需的干燥薄膜。

[0019] 步骤3中，加热炉腔室内的加热源3仅对称分布在炉腔的左右两侧，与放置的基片表面垂直。

[0020] 实施例1

[0021] 1)取一定质量的乙酰丙酮氧钒与适量体积的乙醇充分混合搅拌，静置5小时后形成二氧化钒镀膜液。

[0022] 2)利用喷雾热分解法将步骤(1)所述的镀膜液涂覆在清洗后的玻璃衬底上。

[0023] 3)将涂覆有二氧化钒镀膜液的玻璃基片水平放入图1所示的加热炉正中，快速升温至80℃，升温速率为5℃/s，保温10min后取出，即得到几乎无收缩变形的干燥薄膜。

[0024] 实施例2

[0025] 1)取一定质量的醋酸锌与适量体积的乙二醇甲醚充分混合搅拌，静置5小时后形成氧化锌镀膜液。

[0026] 2)利用旋涂法将步骤(1)所述的镀膜液涂覆在清洗后的硅片衬底上。

[0027] 3)将涂覆有氧化锌镀膜液的硅基片水平放入图1所示的加热炉正中，快速升温至300℃，升温速率为10℃/s，保温1min后取出，即得到几乎无收缩变形的干燥薄膜。

[0028] 实施例3

[0029] 1)取一定体积的正硅酸乙酯与适量体积的水及稀盐酸溶液充分混合搅拌，静置5小时后形成氧化硅镀膜液。

[0030] 2)利用提拉法将步骤(1)所述的镀膜液涂覆在清洗后的石英衬底上。

[0031] 3)将涂覆有氧化硅镀膜液的石英基片水平放入图1所示的加热炉正中，快速升温至200℃，升温速率为8℃/s，保温5min后取出，即得到几乎无收缩变形的干燥薄膜。