长链羧酸单分子层膜的制备和性能

第卷第期年月材料研究学报长链梭酸单分子层膜的制备和性能任嗣利杨生荣,王博‘赵亚呼刘维民‘中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室摘要首次在涂敷的玻璃表面上制备了癸酸及全氛癸酸的单分子层膜研究了成膜机理及摩擦特性结果表明脱水剂促进了癸酸或全狱癸酸与酞胺化的反应导致两种按酸在表面产生了靠化学键酸胺键连接的德定的单分子层膜摩擦、磨损实验表明单分子层有机膜的摩擦特性受膜的组成、表面能及有序性和堆积密度的重要影响表面能越低有序性和堆积密度越高摩擦系数越低与碳氢化合物相比碳被化合物形成的有序膜其有更高的强度和抗磨性能关扭词超薄膜摩擦特性脂肪酸聚乙烯亚胺分类号,文章编号一一一·‘巾叭,、印记丙葱。。,云葱,葱,,云。。擎可葱,,、,二印。‘。,爪,‘。示,‘。。梦‘。,衫‘叩,,,,一一少,一一一而一七一而。“一盯,习一,,微电子机械系统或微型机械具有体积小、能耗低、集成度和智能化程度高等特点川,其中的静电力和摩擦力是应该优先考虑的因素在这种系统中“接触”和“分离’,交替发生、粘着或锁嵌成国家自然科学基金重点资助项目年月日收到初稿年月日收到修改稿本文联系人杨生荣、兰州市,中国科学院兰州化学物理研究所期任嗣利等长链梭酸单分子层膜的制备和性能为影响其机械性能的重要因素同传统润滑剂已不适用于微型机械,需要研制具有良好润滑作用、低表面能及抗粘着的有机超薄膜已经有成膜技术’、自组装单分子膜成膜技术,和分子沉积成膜技术等几种有机超薄膜的制备方法膜制备条件复杂、与基底结合弱,膜的制备对基底具有特殊的依赖性,膜的有序性差、表面能高使其应用受到限制聚乙烯亚胺在玻璃及单晶硅等固体表面具有很好的吸附性,与基底的结合方式主要是氢键和范德华力每条分子链与基底的结合点多因此结合力强、稳定性高支链型一含有高密度的胺基并能与梭酸、酞氮或酸醉等物质发生酞胺化反应“、’。利用这一反应在涂敷聚合物的基底表面上制备了具有低表面能且稳定有序的脂肪酸或其衍生物的单分犷层膜”本文进一步研究了这一体系的成膜机理、结构及摩擦特性实验方法实验用原料聚乙烯亚胺,入二、,水溶液全氟癸酸,纯度高于癸酸及,’一二环己基碳二酞亚胺均为分析纯重结晶提纯后使用十六烷纯度高于将作为基底的载玻片在温度为的容液体积比中清洗,用蒸馏水漂洗后立刻浸入浓度为的水溶液中浸泡取出后用蒸馏水漂洗后用高纯气吹干立即浸入不含有和含有脱水剂的癸酸或全氟癸酸十六烷稀溶液分别为一”和一”中在室温、亡下反应,取出后依次在无水乙醉及丙酮中超声处理除去表面的物理吸附物,得到长链梭酸单分户层膜在室温、和相讨湿度为、的条件下用接触角测定仪一,日本协和科学株式会社研制,采用黄色光照射测量样品的水接触角在睡个样品上至少测量个不同点取其平均值用一型多功能射线光电子能谱仪测量样品的光电子能谱用一、线作激发源激发功率为从,,通过能量,腔内真空度小于一,以聚合物中的电子结合能为校准能级在室温下在动摩擦系数测定仪上进行摩擦实验法向载荷行程为,摩擦速率为,摩擦对偶选用直径为的轴承钢球测量时相对湿度为、结果与讨论长链狡酸单分子层膜的结构从表可以看出吸附有的玻璃表面在容液中与长链梭酸反应后水接触角明显增大接触角的变化反映了表面组成的改变表明在玻璃表面及两种梭酸在表面已成功地吸附并形成了稳定的有机单分子层膜反应条件对长链梭酸在表面的吸附有重要的影响采用未加入脱水剂的梭酸溶液形成的单分子层膜表面的接触角只有大约,成膜效果较差加入后成膜效果明显改善接触角增大到左右表明梭酸与之间可能发生了酸胺化反应的加入促进了日表玻璃表面及其表面修饰有机膜后的水接触角碑石‘即材料研究学报卷这一反应的进行并导致化学吸附和成膜性的提高文献给出的金属铝、铜及银基底上高度有序的癸酸表面的接触角接近,而本文的结果只有大约,表明两种竣酸虽已在表面发生了吸附但形成的单分子层膜的有序性并不理想其原因可能是首先,是一种大分子物质在玻璃表面吸附后胺基在表面上的有序性及分布密度较低而且只有其中的伯胺和仲胺基团才能参与反应中伯、仲及叔胺基的比例为,这样必然影响到在其上构筑单分子层膜的有序性其次,中的胺基与梭酸的反应可能并不彻底碳氟化合物比碳氢化合物形成的有机表面具有更低的表面能,即前者比后者应具有更高的接触角本文使用的两种梭酸碳链长度相同然而前者比后者形成的单分子层膜表面的接触角还低说明全氟癸酸单分子层膜的成膜性及有序性相对要低一些山︸︵匆︸之切、︵︶之芝以口白’白‘’‘心吞史到图全斌癸酸在表面形成单层膜后的高分僻扫描谱在图中处的强峰对应全氟癸酸中的一图处的强峰对应膜内胺基的一巾图,表明膜内还存在大量未参与反应的胺基而处的弱峰则对应新生成的酞胺基团二一中的,拨基的吸电子效应使的结合能向高场位移了,这与文献的结果一致图中共有四种化学状态出现处的单峰对应膜中元