使用溶胶凝胶法在基片表面制备纳米功能薄膜的装置.pdf

使用溶胶凝胶法在基片表面制备纳米功能薄膜的装置，涉及一种制备薄膜的装置，包括前驱液容器8、大容器6、液体导管14、高位前驱液瓶15、减震基座2、支架19；多孔圆筒4置于容器底部并与大容器6同轴，大容器6和多孔圆筒4的间隙填充硅胶至圆筒高度，在圆筒4内设有前驱液容器8并与大容器6和多孔圆筒4同轴。支架上方设有可移动的横梁，横梁右侧设一卡钳，卡钳卡住高位前驱液瓶15。本发明的装置可以用于以各组分的胶体溶液为前驱液，在清洗好的基片表面制备与基片结合牢固的均匀透明的纳米功能薄膜，广泛用于在实验室中制备各种功能薄膜，如电致变色薄膜、透明导电薄膜、光催化薄膜、自清洁薄膜、光电或电光薄膜等。

1.  使用溶胶凝胶法在基片表面制备纳米功能薄膜的装置，其特征在于该装置采用流体力学原理，包括具有固定基片装置的盛装胶体溶液即薄膜前驱液容器(8)、盛装该容器和干燥剂的密封大容器(6)、液体导管(14)、胶体溶液即薄膜高位前驱液瓶(15)、减震基座(2)、支架(19)，多孔圆筒(4)置于容器底部并与大容器(6)同轴，大容器(6)和多孔圆筒(4)的间隙填充硅胶至圆筒高度，在圆筒(4)内设有前驱液容器(8)并与大容器(6)和多孔圆筒(4)同轴；待镀膜基片(3)固定在横梁(20)上，横梁置于前驱液容器(8)的挂块中；胶塞(11)及另一胶塞(13)固定在容器盖上，分别插有温度计和溶液导管；通气孔上放有干燥剂；将组装好的组装容器盖(9)置于大容器(6)上：支架上方设有可移动的横梁，横梁右侧设一卡钳，卡钳卡住高位前驱液瓶(15)。

2.  根据权利要求1所述的使用溶胶凝胶法在基片表面制备纳米功能薄膜的装置，其特征在于使用透明聚甲基丙烯酸甲酯作为大容器(6)的材质时容器盖(9)与大容器(6)的连接方式为螺纹连接。

3.  根据权利要求1所述的使用溶胶凝胶法在基片表面制备纳米功能薄膜的装置，其特征在于使用仪器用玻璃作为大容器(6)的材质时容器盖(9)与大容器(6)的连接方式为磨口连接。

4.  根据权利要求1所述的使用溶胶凝胶法在基片表面制备纳米功能薄膜的装置，其特征在于薄膜前驱液容器(8)的形状制备成圆形、椭圆形、正方形或矩形。

5.  根据权利要求1所述的使用溶胶凝胶法在基片表面制备纳米功能薄膜的装置，其特征在于大容器(6)是由容器主体和容器盖两部分构成的密闭容器，容器盖上设有供溶液导管、温度计和通气用的孔，这些孔通过胶塞密封。

6.  根据权利要求1所述的使用溶胶凝胶法在基片表面制备纳米功能薄膜的装置，其特征在于该容器的内壁上部、在相互对称的位置上，有相互平行、固定横梁和衡量用于吊挂镀膜基片的挂块。

7.  根据权利要求1所述的使用溶胶凝胶法在基片表面制备纳米功能薄膜的装置，其特征在于大容器(6)与前驱液容器(8)之间设有筛网构成的筒子，该筒子设在大容器(6)的底部，在筒子和大容器(6)之间装有干燥剂。

8.  根据权利要求1所述的使用溶胶凝胶法在基片表面制备纳米功能薄膜的装置，其特征在于该挂块位于容器上部，距离容器底部为五分之四容器高度的位置；该挂块根据容器的尺寸大小选择一对或二对。

9.  根据权利要求1所述的使用溶胶凝胶法在基片表面制备纳米功能薄膜的装置，其特征在于筛网孔径不大于干燥剂的颗粒径。

使用溶胶凝胶法在基片表面制备纳米功能薄膜的装置
技术领域
本发明涉及一种制备薄膜的装置，特别涉及一种使用溶胶凝胶法在基片表面制备均匀透明的纳米功能薄膜的装置。
背景技术
薄膜材料是现代科学研究和高新技术领域广泛研究的一类具有特殊结构和性能、应用领域极其广泛的先进材料。由于各研究者所在领域不同，研究的薄膜的类别也不同，其应用领域也不一样，但其共同的问题是：在所需要的基片表面制备出与基片结合牢固的均匀透明的纳米功能薄膜十分困难。由于薄膜的制备效率低，严重妨碍了课题研究进程。其主要原因有：①作为成膜液体的胶体溶液处于亚稳状态，极易受制备环境的影响而改变其性能。影响最大的环境因素是温度和湿度，胶体溶液最显著的变化是失稳，改变最显著的性能是粘度。而失稳和粘度直接影响薄膜的制备；②成膜过程中，基片表面的成膜液体的量很少，对环境因素(特别是温度和湿度)非常敏感。由于没有专有装置和技术，控制这些因素很困难。③由于没有专有装置和技术，在成膜期间内，胶体溶液和基片间没有合适的恒定的相对运动速度，因而没有形成均匀薄膜的基础；④在以往用于制备薄膜的仪器、设备或装置中使用了马达等电动部件，其运转的震动严重影响成膜的均匀性。
溶胶凝胶法制备功能纳米薄膜具有突出的优势，因而其研究与应用领域极为广泛，几乎涵盖了功能薄膜的所有领域。能够稳定高效地以各组分的胶体溶液为前驱液，在清洗好的基片表面制备与基片结合牢固的均匀透明的纳米功能薄膜，对推进功能薄膜材料的研究至关重要。目前还没有公开的专门合适的仪器、设备和装置。
因此发明一种装置，去除薄膜制备过程中影响胶体溶液稳定性和成膜过程中影响薄膜均匀性的因素，对高效制备使用事先制备好的胶体溶液在清洗好的基片表面上获得与基片结合牢固的均匀透明的纳米功能薄膜极为必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用溶胶凝胶法在基片表面制备均匀透明的纳米功能薄膜的装置，该装置采用流体力学原理，由具有固定基片装置的盛装胶体溶液、盛装该容器和干燥剂的密封大容器、液体导管、胶体溶液、减震基座、支架等构成；用该装置可以使用事先制备好的胶体溶液在清洗好的基片表面上获得与基片结合牢固的均匀透明的纳米功能薄膜。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
使用溶胶凝胶法在基片表面制备纳米功能薄膜的装置，该装置采用流体力学原理，包括具有固定基片装置的盛装胶体溶液即薄膜前驱液容器、盛装该容器和干燥剂的密封大容器、液体导管、胶体溶液即薄膜高位前驱液瓶、减震基座、支架，多孔圆筒置于容器底部并与大容器同轴，大容器和多孔圆筒的间隙填充硅胶至圆筒高度，在圆筒内设有前驱液容器并与大容器和多孔圆筒同轴；待镀膜基片固定在横梁上，横梁置于前驱液容器的挂块(耳朵)中；胶塞及另一胶塞固定在容器盖上，分别插有温度计和溶液导管；通气孔上放有干燥剂；将组装好的组装容器盖盖在大容器上：支架上方设有可移动的横梁，横梁右侧设一卡钳，卡钳卡住高位前驱液瓶。
所述的使用溶胶凝胶法在基片表面制备纳米功能薄膜的装置，其使用透明聚甲基丙烯酸甲酯作为大容器的材质时，容器盖与大容器的连接方式为螺纹连接。
所述的使用溶胶凝胶法在基片表面制备纳米功能薄膜的装置，其使用仪器用玻璃作为大容器的材质时，容器盖与大容器的连接方式为磨口连接。
所述的使用溶胶凝胶法在基片表面制备纳米功能薄膜的装置，其薄膜前驱液容器的形状制备成圆形、椭圆形、正方形或矩形。
所述的使用溶胶凝胶法在基片表面制备纳米功能薄膜的装置，其大容器是由容器主体和容器盖两部分构成的密闭容器，容器盖上设有供溶液导管、温度计和通气用的孔，这些孔通过胶塞密封。
所述的使用溶胶凝胶法在基片表面制备纳米功能薄膜的装置，其该容器的内壁上部、在相互对称的位置上，有相互平行、固定横梁(用于吊挂镀膜基片)的挂块。
所述的使用溶胶凝胶法在基片表面制备纳米功能薄膜的装置，大容器与前驱液容器之间设有筛网构成的筒子，该筒子设在大容器的底部，在筒子和大容器之间装有干燥剂。
所述的使用溶胶凝胶法在基片表面制备纳米功能薄膜的装置，其特征在于该挂块位于容器上部，距离容器底部为五分之四容器高度的位置；该挂块的数量根据容器的尺寸大小而定，一般选择一对或二对。
所述的使用溶胶凝胶法在基片表面制备纳米功能薄膜的装置，其筛网孔径不大于干燥剂的颗粒径。
本发明的优点与效果是：
本发明的装置可以用于以各组分的胶体溶液为前驱液，在清洗好的基片表面制备与基片结合牢固的均匀透明的纳米功能薄膜，广泛用于在实验室中制备各种功能薄膜，如电致变色薄膜、透明导电薄膜、光催化薄膜、自清洁薄膜、光电或电光薄膜等，利用该原理制备大型设备即可应用于生产，这些薄膜广泛应用于光学、电学、声学、光电一体化、能源、环保、节能等诸多领域。
附图说明
本发明附图为整体结构示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行详细说明：
图中：1-橡胶板；2-吸震基座；3-基片；4-多孔圆筒；5-硅胶；6-大容器；7-胶带；8-前驱液容器；9-容器盖；10-通气孔；11-胶塞；12-温度计；13-胶塞；14-导管；15-高位前驱液瓶；16-吸管；17-吸嘴；18-低位前驱液瓶；19-支架；20-横梁；21-阀门。
本发明用于：使用溶胶凝胶法在基片表面制备与基片结合牢固的均匀透明的纳米功能薄膜。这些纳米功能薄膜为无机物、无机物与有机物的复合物(杂化材料)。
功能薄膜包括如下类型：
电致变色薄膜：用于制备电致变色玻璃、智能窗、保密玻璃、调光玻璃、节能玻璃、主动变色材料，用于节能、环保、保密、军事伪装等领域；
光催化薄膜：降解水中或空气中的有机污染物；双亲、双疏薄膜、单亲(亲水或秦油)薄膜：制备自清洁玻璃等；太阳能光阳极薄膜：制备太阳能电池；压电薄膜：制备传感器；固体电解质薄膜：制备传感器、离子导体薄膜；等等。
本发明所述流体力学原理是指在本发明的装置中，镀膜过程应用了流体力学原理。使用本发明的装置，准备镀膜的基片浸入前驱液和从前驱液中脱出的镀膜过程，不是靠基片的机械移动，基片本身在整个镀膜过程不动，而是前驱液注入基片所在的容器和前驱液流出基片所在的容器的过程。镀膜过程如下：打开阀门21，处于高位的高位前驱液瓶15所盛装的前驱液具有较高的势(位)能，在自身重力作用下，注入基片所在的容器，并稳定地连续浸没基片，直到需要的高度，关闭阀门21，并在此高度保持所需要的时间；然后，将高位前驱液瓶15放置在低位，即为低位前驱液瓶18，这样，该瓶处于低位，完成镀膜作用的胶体溶液相比低位前驱液瓶18，具有较高的势(位)能，在自身重力作用下，流出基片所在的容器，并稳定地连续脱离基片，直到全部流出，关闭阀门。然后再将充满前驱液的低位前驱液瓶18放置在高位，即可重复上述镀膜过程。
由于使用本发明的装置制备薄膜的过程中采用了流体力学原理，使得整个镀膜过程没有机械振动，前驱液和基片的相对运动始终保持稳定和连续，从而保证了所制备的薄膜在即片上的均匀性。由于该装置辅以减震基座2，并与工作台隔以橡胶板1，使得即使环境的微小振动，如研究人员的走步震动等，均能被装置吸收掉，而影响不到所制备薄膜的均匀性。
由于使用本发明的装置制备薄膜的过程中采用了流体力学原理，整个镀膜过程在密闭的容器中进行，由实验室提供恒定的温度，装置本身控制恒定的镀膜环境湿度，保证了在整个镀膜过程中胶体溶液不受环境温度、湿度、空气质量等的影响，胶体溶液处于相同的状态，即保持相同的粘度、组成等特有性质，进而保证了镀膜的均匀性和质量。
本发明具有固定基片装置的盛装胶体溶液即薄膜前驱液的容器8，其构成该容器的材料可根据胶体溶液的性质进行选择，以不与胶体溶液发生化学反应为原则，可根据研究者的条件选定。对一般的研究工作，比如制备以二氧化钛为基体的光催化薄膜，或者制备以二氧化铈为基体的电致变色薄膜，该容器的材料选用仪器用玻璃较好。
该容器的形状可根据研究者的需要制备成圆形、椭圆形、正方形和矩形。圆形容器极易在市场上找到；椭圆形容器在比矩形或方形容器具有较好的制造工艺性和使用性能的基础上，制备相同数量的薄膜，可以使用较少的前驱液，节约研究成本；正方形容器会充分利用空间，在相同的容积下，可同时制备更多的薄膜；矩形容器兼具椭圆形容器和矩形容器的优点，当然其制造工艺性能不如椭圆形容器。
该容器的内壁上部，在相互对称的位置上，有相互平行的一对、二对、三对或多对用来挂横梁的挂块耳朵。该挂块(耳朵)与容器的相对位置由研究者根据需要而定，一般位于容器上部，距离容器底部为五分之四容器高度的位置；该挂块耳朵的数量根据容器的尺寸大小而定，一般选择一对或二对；该挂块用于固定横梁，衡量用于吊挂镀膜基片。
本发明盛装前驱液容器8和干燥剂的密封大容器6，该容器是由容器主体和容器盖两部分构成的密闭容器，密闭指的是容器内外部的气体不能直接相通。容器盖上有一个供溶液导管使用、一个供温度计使用和一个供通气用的孔，这些孔通过胶塞密封。孔的数量和尺寸可根据研究者的需要而定。
构成该容器的材料可根据胶体溶液的性质进行选择，以不与胶体溶液的蒸汽发生化学反应为原则，可根据研究者的条件选定。对一般的研究工作，比如制备以二氧化钛为基体的光催化薄膜，或者制备以二氧化铈为基体的电致变色薄膜，该容器的材料选用仪器用玻璃较好。
该容器的形状可根据研究者的需要，与前驱液容器8配套制备成圆形、椭圆形、正方形和矩形。每一种形状的优缺点同前驱液容器8。
该容器的尺寸可根据研究者的需要，与容器8尺寸配套，其内部径向尺寸最小以大于前驱液容器8的外部径向尺寸10-12mm为宜，当然更大无妨。
在该容器与前驱液容器8之间，有一个特定高度和形状的由筛网材料构成的筒子，该筒子坐在大容器6的底部，在该筒子和大容器6之间装有干燥剂。筒子的高度以不高于大容器6为原则，可根据研究者需要而定；筒子的形状与大容器6相同，内部径向尺寸以大于大容器6的外部径向尺寸5-7mm为宜；筛网材料的孔径以不大于干燥剂的颗粒为原则；筛网材料以不与胶体溶液及其蒸气发生化学反应为原则。
本发明液体导管14、吸嘴17、阀门21、高位前驱液瓶15、减震基座2、支架19等，市场有多种材料、尺寸和形式的产品，研究者可根据需要选用。
本发明的整体装配关系为：将橡胶板1[实例1：长×宽×厚度＝(600～1200)×(400～600)×(5～12mm)]放在工作台上；在橡胶板上组装大容器6：将多孔圆筒4放在该容器底部，调整径向位置，使该多孔圆筒4与大容器6同轴；在大容器6和多孔圆筒4的间隙填充硅胶至圆筒高度；在多孔圆筒4内放入前驱液容器8，调整位置，使之与大容器6和多孔圆筒4同轴；用透明胶带7将待镀膜基片3固定在横梁20上，然后将横梁放在前驱液容器8的挂块中；组装容器盖9：将胶塞11和胶塞13固定在该容器盖上，分别放入温度计12和溶液导管，位置根据需要调整；在通气孔10上面放入硅胶5(或其它干燥剂)；将组装好的组装容器盖9盖在大容器6上：有两种方式，使用透明聚甲基丙烯酸甲酯作为大容器6的材质时，容器盖9与大容器6的连接方式为螺纹连接；使用仪器用玻璃作为大容器6的材质时，容器盖9与大容器6的连接方式为磨口连接。在橡胶板图示位置上放置吸振基座：撕掉吸振基座底面的保护纸，露出一层胶黏剂，靠此胶黏剂将吸振基座固定在橡胶板上；将组装好的大容器6放在吸振基座上面的预留位置；支架19靠自身重量根据需要固定在橡胶板某一位置处，支架上方横梁根据需要可升降移动，靠螺丝固定具体位置；该横梁右侧是一卡钳，用卡钳卡住高位前驱液瓶15；吸管16和导管14用针头在工作时扎入高位前驱液瓶15；吸嘴17和吸管是一体的；阀门21与导管是一起的，可以调整导管流通截面面积的阀门。