[发明专利]一种高分子材料-金属氧化物薄膜复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高分子材料-金属氧化物薄膜复合材料及其制备方法，属于膜基复合功能性高分子材料领域。

背景技术

过渡族金属氧化物具有丰富的价态和价电子层构型，化学反应及晶体结构类型丰富，在超导、巨磁阻、介电等方面有很多优异的性质。过渡族纳米金属氧化物在柔性高分子材料功能化改性方面的应用主要是以各种高分子材料为基体，经共混、表面沉积等技术将纳米金属氧化物以分子、粉末或薄膜状态，由直接或间接方式和柔性高分子基材进行复合，使柔性高分子材料不仅能保持原来的风格，如柔软性、强伸性、耐腐蚀、气密性好等特性，而且具有过渡族纳米金属氧化物的一些特殊功能，如抗静电性、自清洁、抗菌、对紫外线和红外线具有反射及吸收等性能，在催化、传感、光学、磁学和电池等领域具有广泛的应用前景。

目前国内外已有采用过渡族纳米金属氧化物作为填料对柔性高分子材料进行改性，制备具有光催化功能的柔性高分子材料。但是使用过渡族纳米金属氧化物颗粒对高分子材料进行加工的过程中都存在着纳米颗粒的分散和纳米颗粒对柔性高分子材料主体性能的影响问题。为了克服采用纳米颗粒作为填料的分散问题，基于表面薄膜沉积技术的液相法、化学气相沉积法、物理气相沉积法等被应用于膜基复合高分子材料的改性研究中。但由于柔性高分子材料与无机金属氧化物的物化性能不同，薄膜生长属于异质外延生长，膜基间的匹配性不好，如弹性模量和热膨胀系数差别过大、晶格常数失配等，膜基界面极易产生应力集中，因此界面的周围往往是复合材料内部损伤与缺陷的多发区，直接影响了复合功能材料的功能可靠性。

目前最为常用的改变膜基界面结合状态的方法是对高分子材料进行表面等离子预处理。专利“塑料-金属薄膜及其制造方法”（WO2008/054173），通过等离子体处理，在塑料基材表面上产生反应性作用基，并在所述塑料基材上涂敷含有可同所述反应性作用基进行化学结合的反应性物质的粘合剂组合物，并将所述塑料基材和金属薄膜粘合，从而提高塑料基材和金属薄膜间的接合强度。等离子体处理可有效地改善聚合物材料表面活性和表面能，增加其对无机薄膜的亲和力，以此提高膜基复合材料的结合牢度。但冷等离子预处理工艺较复杂，且经等离子处理后存在基材重量损失的问题，将影响复合功能材料的机械性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种高分子材料-金属氧化物薄膜复合材料及其制备方法。

本发明所述高分子材料-金属氧化物薄膜复合材料，包括高分子材料基材和过渡族金属氧化物薄膜，基材和薄膜之间有过渡层，过渡层自基材往薄膜方向依次为纯金属、低价渐变至高价金属氧化物，直至与金属氧化物薄膜相同。中间过渡层厚度根据过渡族金属材料以及所需制备金属氧化物薄膜厚度而定，一般为薄膜厚度的1/20至1/3。所述低价金属氧化物和高价金属氧化物中金属原子的价位，均不高于所述金属氧化物薄膜中金属原子的价位（下同）。

本发明所述高分子材料-金属氧化物薄膜复合材料的制备方法为：以高纯过渡族金属为靶材，高分子材料为基材，采用磁控溅射技术，优选直流磁控溅射技术，首先在高分子基材上制备由纯金属至低价金属氧化物，再渐变至高价氧化物的过渡层，再制备金属氧化物薄膜层。

过渡层制备方法为：溅射开始后，打开氧气流量阀，通入氧气，在一定时间内将氧气流量逐渐调至设定流量。

至设定流量后，保持氧气流量不变，溅射得到金属氧化物薄膜层。

在无氧气流量条件下，基材表面沉积物为纯金属；在低氧气流量条件下，基材表面沉积物为低价金属氧化物；随氧气流量逐渐增加，基材表面沉积物从低价金属氧化物渐变至高价金属氧化物；至设定值，则形成金属氧化物薄膜，这样在基材和金属氧化物薄膜之间制备了由纯金属至低价金属氧化物，再渐变至高价金属氧化物的膜基界面过渡层。

上述氧气的设定流量以能形成薄膜层金属氧化物的流量值为下限，以不氧化金属靶材的流量值为上限，过渡层溅射的时间根据过渡族金属材料以及所需制备金属氧化物薄膜厚度而定，金属氧化物薄膜层的制备时间依据其厚度通过常规方法确定，其他溅射工艺参数通过常规方法确定。

进一步地，溅射开始前，基材优选进行预处理，如通过清洗等方法，以去除材料表面的有机溶剂，灰尘等杂质，然后烘干；此外，还可先进行预溅射，以除去靶材表面的氧化物，以达到更好的效果。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下优点和效果：