支化烷基取代硅烷化芳香烃自组装润滑薄膜及其制备方法

摘要

本发明涉及一种支化烷基取代硅烷化芳香烃自组装润滑薄膜及其制备方法，属于润滑剂制备技术领域。本发明所述的润滑薄膜是通过苯基三甲氧基硅烷与1‑溴‑2辛基十二烷发生的傅克反应得到的支化烷基取代硅烷化芳香烃润滑膜。所述润滑膜与单晶硅基体之间以共价键形式结合，附着力优异；与单晶硅基体连接的基团为刚性的苯环结构，在受到摩擦作用时可提升强度；苯环上连接了柔性长链烷基，具有良好的减摩作用；所述润滑膜能有效降低微小型单晶硅器件表面的摩擦系数，在空间微型机械和信息技术领域具有潜在的应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种支化烷基取代硅烷化芳香烃自组装润滑薄膜及其制备方法，属于润滑剂制备技术领域。

背景技术

随着我国空间飞行器向着小型轻量化和低能耗方向发展，微小型机电系统中活动器件急需精密表面润滑技术，在保证微小活动器件的运转精度的前提下，延长微小活动器件的寿命更是需求所在。微纳尺度的摩擦作用不仅要求润滑剂具有低摩擦、高耐磨性，更重要的是提高润滑剂与基体的附着力和降低摩擦副间的分子间作用力。中国专利CN200910117749.3中公开了“一种金属纳米粒子-多取代环戊烷复合润滑膜的制备方法”，该方法是先在单晶硅底材上自组装形成十八烷基三氯硅烷薄膜，再在其上旋涂掺杂金属纳米粒子的多取代环戊烷复合膜，即该专利所述的润滑膜是由十八烷基三氯硅烷薄膜与掺杂金属纳米粒子的多取代环戊烷复合膜通过分子间作用力复合在一起形成的，但是两层膜之间的结合力有限。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种支化烷基取代硅烷化芳香烃自组装润滑薄膜及其制备方法，本发明所述的润滑薄膜是通过苯基三甲氧基硅烷与1-溴-2辛基十二烷发生的傅克反应得到的支化烷基取代硅烷化芳香烃润滑膜，所述润滑膜与单晶硅基体之间以共价键形式结合，附着力优异，能有效降低微小型单晶硅器件表面的摩擦系数，在空间微型机械和信息技术领域具有潜在的应用价值。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种支化烷基取代硅烷化芳香烃自组装润滑薄膜，通过苯基三甲氧基硅烷与基体单晶硅表面的羟基的缩合反应，在单晶硅表面形成苯基硅烷自组装层；再通过1-溴-2辛基十二烷与苯基硅烷的傅克反应，在单晶硅表面形成支化烷基取代硅烷化芳香烃自组装润滑薄膜。

本发明所述支化烷基取代硅烷化芳香烃自组装润滑薄膜的制备方法，所述方法步骤如下，

(1)利用硫酸和双氧水的混合溶液对单晶硅进行羟基化处理，使单晶硅表面形成自由羟基；

具体操作：单晶硅依次在丙酮、水、乙醇中分别超声5min～30min后，放入质量分数为1％～35％的氢氟酸溶液中反应0.1min～30min，依次用水、乙醇清洗，再置于硫酸和双氧水的混合溶液中煮沸，直至不产生气泡为止，依次用水、乙醇清洗，得到羟基化的单晶硅；

所述混合溶液是由质量分数为98％的H₂SO₄溶液与质量分数为30％的H₂O₂溶液按照3:1的体积比混合而成的；

(2)将羟基化的单晶硅置于水热反应釜中，再加入无水乙醇和苯基三甲氧基硅烷，然后在40℃～80℃下反应6h～48h，用乙醇清洗，在单晶硅表面上自组装形成苯基硅烷层；

无水乙醇与苯基三甲氧基硅烷的质量比为20:1～1:1；

(3)将表面自组装苯基硅烷层的单晶硅加入到二氯甲烷中，再加入无水AlCl₃、1-溴-2辛基十二烷，然后在40℃～50℃下反应5h～24h，用乙醇清洗，在单晶硅表面上形成所述支化烷基取代硅烷化芳香烃自组装润滑薄膜；

二氯甲烷、无水AlCl₃、1-溴-2辛基十二烷的质量比为100：(0.35～4)：(0.35～8)。

有益效果：

本发明制备的自组装润滑薄膜与单晶硅基体形成了共价键，具有良好的附着力；与单晶硅基体连接的基团为刚性的苯环结构，在受到摩擦作用时，可提升强度；苯环上连接了柔性长链烷基，具有良好的减摩作用；而且苯环与长链烷基均为非极性基团，覆盖于单晶硅表面，可有效降低单晶硅的表面能，使摩擦副间的黏附功得到降低，从而达到降低磨损的作用。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。

以下实施例中所述硫酸和双氧水的混合溶液由质量分数为98％的H₂SO₄溶液与质量分数为30％的H₂O₂溶液按照3:1的体积比配制而成的。

实施例1

(1)将边长5mm的正方形单晶硅依次在丙酮、水、乙醇中分别超声10min，再放入5mL质量分数为5％的氢氟酸溶液中反应5min，先用水进行清洗，再用乙醇超声清洗5min，再浸入硫酸和双氧水的混合溶液中并煮沸，直至不产生气泡为止，先用水进行清洗，再用乙醇清洗脱水干燥，在单晶硅的表面形成自由羟基，即得到羟基化的单晶硅；

(2)将羟基化的单晶硅置于水热反应釜中，再加入10mL无水乙醇和2mL苯基三甲氧基硅烷，然后在80℃下反应12h，并用乙醇超声清洗，在单晶硅表面上自组装形成苯基硅烷层；

(3)将表面自组装苯基硅烷层的单晶硅加入到20mL二氯甲烷中，再依次加入0.5g无水AlCl₃、1.5g>

采用CETR公司的UMT-2摩擦试验机，以φ8mm G10级的9Cr18钢球与本实施例所制备的具有支化烷基取代硅烷化芳香烃自组装润滑薄膜的单晶硅片进行往复摩擦试验，法相载荷为0.5N，测得稳定段平均摩擦系数为0.15。

实施例2

(1)将边长5mm的正方形单晶硅依次在丙酮、水、乙醇中分别超声30min，再放入5mL质量分数为35％的氢氟酸溶液中反应0.1min，先用水进行清洗，再用乙醇超声清洗5min，再浸入硫酸和双氧水的混合溶液中并煮沸，直至不产生气泡为止，先用水进行清洗，再用乙醇清洗脱水干燥，在单晶硅的表面形成自由羟基，即得到羟基化的单晶硅；

(2)将羟基化的单晶硅置于水热反应釜中，再加无水10mL乙醇和1mL苯基三甲氧基硅烷，然后在40℃下反应48h，并用乙醇超声清洗，在单晶硅表面上自组装形成苯基硅烷层；

(3)将表面自组装苯基硅烷层的单晶硅加入到20mL二氯甲烷中，再依次加入0.1g无水AlCl₃、0.1g1-溴-2辛基十二烷，然后在50℃下反应24h，并用乙醇超声清洗，在单晶硅表面上形成支化烷基取代硅烷化芳香烃自组装润滑薄膜。

采用CETR公司的UMT-2摩擦试验机，以φ8mm G10级的9Cr18钢球与本实施例所制备的具有支化烷基取代硅烷化芳香烃自组装润滑薄膜的单晶硅片进行往复摩擦试验，法相载荷为0.5N，测得稳定段平均摩擦系数为0.16。

实施例3

(1)将边长5mm的正方形单晶硅依次在丙酮、水、乙醇中分别超声20min，再放入5mL质量分数为1％的氢氟酸溶液中反应30min，先用水进行清洗，再用乙醇超声清洗5min，再浸入硫酸和双氧水的混合溶液中并煮沸，直至不产生气泡为止，先用水进行清洗，再用乙醇清洗脱水干燥，在单晶硅的表面形成自由羟基，即得到羟基化的单晶硅；

(2)将羟基化的单晶硅置于水热反应釜中，再加入10mL乙醇和0.5mL苯基三甲氧基硅烷，然后在80℃下反应48h，并用乙醇超声清洗，在单晶硅表面上自组装形成苯基硅烷层；

(3)将表面自组装苯基硅烷层的单晶硅加入到20mL二氯甲烷中，再依次加入1.0g无水AlCl₃、2.0g>

采用CETR公司的UMT-2摩擦试验机，以φ8mm G10级的9Cr18钢球与本实施例所制备的具有支化烷基取代硅烷化芳香烃自组装润滑薄膜的单晶硅片进行往复摩擦试验，法相载荷为0.5N，测得稳定段平均摩擦系数为0.16。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。