通过硅烷热分解和官能化的固体载体表面改性制造技术

一种固体表面改性方法，其包括第一步骤，通过在高温下热分解氢化硅气体形成重新结合的硅烷基在基底表面上进行氢化无定形硅沉积，从而用氢化无定形硅涂敷表面；第二步骤，在接合剂存在的情况下，使所述氢化无定形硅的表面官能化，该官能化包括氢化硅烷化，热歧化作用以及自由基抑制。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
相关申请本申请要求优先权，其为David Abbott Smith递交于99年4月1日，题为“通过硅烷热分解和官能化的固体载体表面改性”的未审定专利申请No.60/122,990。已知现有技术形成氢化硅表面将通过(a)表面硅烷醇分子的加卤作用并随后还原，以及b)将表面硅烷醇分子与试剂诸如三羟基氢化硅烷(trihroxyhydridosilane)通过溶胶-凝胶法反应。本专利技术利用硅烷或氢化硅的热分解以及沉积以在基底上形成氢化无定形硅层。该基底上发生沉积无需表面硅烷醇部分存在，因此，适用于许多种基底，诸如金属，玻璃以及陶瓷。已知在现有技术中是以未饱和烃试剂在金属催化剂存在时使氢化硅表面官能化。从处理系统中彻底除去该催化剂是非常困难的，并且痕量催化剂将再次产生不良的表面活性。本专利技术无需采用另外的金属催化剂。相反地，该方法是由加热来推动的。由于不使用金属催化剂，终产品不含另外的残留催化剂活性，并且无需清除催化剂。已知现有技术中通过以氢氟酸来处理硅准金属(metaloid)以增加氢化硅表面浓度。本专利技术采用通过硅烷热分解来固有地形成氢化硅表面。无需进一步处理来增强氢化硅表面部分。专利技术简述本专利技术提供一种基底表面性质改性方法，通过在基底表面上沉积一层氢化无定形硅，并且然后通过将所述基底暴露于具有至少一个未饱和烃基的接合剂中而使所述涂敷的基底官能化。采用本专利技术的方法，可使表面性质改性，该表面性质诸如对酸性、碱性和中性化合物的呈惰性，对腐蚀性环境的耐受性，以及对其它化合物的润湿性。该方法可用于铁及非铁金属、玻璃和陶瓷表面。本专利技术的基底表面性质改性方法，其包括步骤在基底表面上沉积一氢化无定形硅涂层，以及然后在高温下，通过将所述基底暴露于具有至少一个未饱和烃基的接合剂中预定时间而使所述涂敷的基底官能化。所述氢化无定形硅涂层是通过将基底在高温下暴露于氢化硅气体中预定时间后沉积下来的。可控制氢化无定形硅暴露的压力、温度和时间以阻止氢化无定形硅粉末形成。在将基底暴露于氢化无定形硅中之前，所述基底开始是通过在约100-约600℃温度下加热几分钟到约15小时后而清洁的。在一个实施例中，所述基底在约120℃下清洁约1小时。在优选的实施例中，在将所述基底暴露于氢化硅气体中之前使所述基底隔离在惰性气氛中。在压力为约0.01p.s.i.a.-约200p.s.i.g.和温度为约200-600℃的条件下，将所述基底暴露于氢化硅气体中约10分钟-约24小时。更优选地，在压力为约1.0p.s.i.a.-约100p.s.i.a.和温度为约300-600℃的条件下，将所述基底暴露于氢化硅气体中约30分钟-约6小时。更好地，在温度为约350-400℃的条件下，将所述基底暴露于氢化硅气体中约4小时。该氢化硅气体的压力优选为约2.3p.s.i.a.-约95p.s.i.a.。在本专利技术的一个实施例中，在温度为约400℃和压力为约2.5p.s.i.a.的条件下，将所述基底暴露于氢化硅气体中。在本专利技术的另一个实施例中，在温度为约40℃和压力为约44p.s.i.g.的条件下，将所述基底暴露于氢化硅气体中，然后将温度升至约355℃。还优选在所述涂敷基底以取代的未饱和烃官能化之前，基底被隔离在惰性气氛中。在压力为约0.01p.s.i.a.-约200p.s.i.a.和温度为约200-500℃的条件下，将所述基底进行约30分钟-约24小时的官能化。更优选地，一开始在温度低于约100℃时将所述基底暴露于接合剂中，然后将温度升至约250-500℃并保持压力低于约100p.s.i.a.。该方法可包括步骤，在氢化硅烷化步骤之前或之后，对氢化无定形硅涂层中的残余硅自由基进行抑制。在该步骤中，对硅涂层中的残余硅自由基进行抑制之前使所述基底隔离于惰性气氛中。优选地，所述基底被抑制，其通过在高压和高温下将所述基底暴露于有机硅烷、胺、或已知的自由基清除剂中预定时间以引发热歧化作用。在约250-500℃的温度下对所述基底进行抑制约30分钟-约24小时。该方法还包括步骤，在氢化硅烷在步骤进行之前或同时，将所述基底暴露于氧气中。在一个实施例中，将多达约5％重量的氧与所述接合剂混合。在另一个实施例中，在对所述基底氢化硅烷化之前，在温度为约100-450℃时将所述基底暴露于100％氧或氧与其它气体的混合物中几秒钟到约1小时。更优选地，在约25p.s.i.g和约325℃下，将所述基底暴露于零形态空气中约1分钟。本专利技术优选实施例详述此处披露的专利技术包括起始处理步骤，随后氢化无定形硅官能化的进一步步骤。所述附加工艺包括氢化硅烷化、热歧化作用以及自由基抑制等反应类型。本专利技术的方法采用高温和惰性气氛。欲处理的基底或表面必须隔离于系统中，该系统容许气体流动来加压和抽真空，并处于热源诸如烘箱中。例如，欲处理的表面可设于具有容许气体流动的管道连接部件的钢容器中。根据所述基底的清洁程度，一开始通过在空气气氛中，温度为约100℃-600℃的条件下，加热基底几分钟到约15小时，更好为约0.5-约15小时。在优选实施例中，所述基底在约120℃清洁约1小时。在该氧化步骤之后，容器内的气氛通过以惰性气体吹扫容器而变得惰性，并形成真空。所述基底还可以适宜的液体或临界流体溶剂进行清洁。当所述基底清洁且所述容器抽空后，所述基底将于高压和高温下，暴露于氢化硅气体(SiH4，SinH2n+2)中预定时间。氢化硅气体以约0.01磅每平方英寸的绝对压力(psia)到约200磅每平方英寸表压(psig)下导入容器。所述氢化硅气体可在低压和高温下导入容器，诸如，2.5p.s.i.a.和400℃。或者，所述硅气体(Silicon gas)可在中等压力和低温下导入，诸如44p.s.i.g.和40℃，然后逐步升至高温诸如355℃。在另一种情况下，所述基底将暴露于氢化硅气体中更长的时间，其在约200-约600℃的高温下，更佳为约300-约600℃，并且优选为约350-400℃。基底暴露于氢化硅气体中的时间为10分钟-24小时，优选为约30分钟-约6小时，且一般为约4小时。时间为4小时时优选温度为350-400℃。加热时，所述氢化硅气体将热分解形成硅烷自由基，其将重新组合并连接于基底表面。所得涂层为氢化无定形硅，其表面及体系中具有Si-Si，Si-H以及Si·(自由基)部分。氢化硅气体暴露步骤的时间、压力和温度将根据基底的化学性质而变化。必须对所述的时间、压力和温度进行控制以避免暴露步骤中不良副产物。例如，压力和温度过高，或如果所述基底暴露于硅气体中时间过长，在基底上将形成不良的氢化无定形硅粉末。对于容器类型、基底类型以及基底表面区来说只能尽可能减少粉末形成。如果压力或温度太低或如果暴露步骤太短，将难以形成硅涂层，或将形成非均匀的氢化无定形硅涂层。通过每个工艺的压力、温度和时间变化来优化所述硅烷分解过程(粉末最少化和均匀膜沉积)。在所述氢化无定形硅沉积过程结束后，所述系统以惰性气体吹扫以除去未连接于基底表面的硅烷部分。在惰性气体吹扫后，容器被抽空。然后在高温和高压下向容器中导入接合剂。以加热作为驱动力，所述试剂将与氢化无定形硅表面反应，并且通过氢化硅部分连接于其上。所采用的试剂将确定新官能化的表面的物理性质。基底的表面性质将根据方法中所采用的试剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
基底表面性质改性方法，其包括步骤： ａ）在基底表面上沉积一氢化无定形硅涂层； ｂ）在设定压力和高温下，通过将所述基底暴露于具有至少一个未饱和烃基的接合剂中预定时间而使所述涂敷的基底官能化。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴维阿博特史密斯，
申请(专利权)人：雷斯特克公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]