[发明专利]用于在基材上喷涂溶胶-凝胶薄膜的方法和配方

说明书

提供方法和配方，其用于：选择含用于在基材上形成薄膜层的材料的溶胶‑凝胶前体；选择溶剂，该溶剂具有等于或大于溶剂沸点阈值的沸点和等于或小于溶剂粘度阈值的粘度；将溶胶‑凝胶和溶剂组合成混合物；把混合物施涂到基材表面上；允许混合物在表面上铺展和调平；对所述混合物进行干燥和固化中的至少一种以在基材上形成薄层。

本发明专利申请是国际申请号为PCT/US2013/073974，国际申请日为2013年12月10日，进入中国国家阶段的申请号为201380072467.0，发明名称为“用于在基材上喷涂溶胶-凝胶薄膜的方法和配方”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉参考

本申请根据35U.S.C.§119要求2012年12月10日提交的美国临时申请系列第61/735,081号的优先权，本文以该申请的内容为基础并通过参考将其完整地结合于此。

背景技术

本发明涉及用于在基材上喷涂溶胶-凝胶薄膜的方法和配方。

溶胶-凝胶过程是广泛应用于材料科学和陶瓷加工领域中的湿化学技术，主要用来制备金属氧化物。溶胶-凝胶过程起始于胶体溶液(所谓的“溶胶(sol)”)，其用作用于离散颗粒或网络聚合物的集成网络(所谓的“凝胶(gel)”)的前体。典型的前体是金属醇盐和金属盐(例如氯化物、硝酸盐和乙酸盐)，其经历各种形式的水解和缩聚反应。溶胶-凝胶的应用之一是在基材上制备薄膜。常规方法是通过旋涂或浸涂，将溶胶-凝胶施涂到基材上。虽然可能有人宣称喷涂是用于把溶胶-凝胶施涂到基材的有竞争力的选项,但现实是对于取得在小于或等于约1微米量级的高度均匀的薄膜，常规喷涂技术和配方是不令人满意的。

虽然喷涂是广泛使用的涂覆技术，且呈现低成本优势、大面积涂覆容量、复杂的涂覆形状能力、极小的涂层材料浪费以及潜在的均匀涂覆(边缘-到-边缘),但喷涂通常受限于较厚的涂层。本领域的现实是喷涂过程通常不用于商业化地制造精确薄膜涂层,例如精确光学涂层，其中膜需要非常薄(例如，小于约1微米)，且其中需要非常良好地控制层厚度。喷涂不用于将薄膜溶胶-凝胶施涂到基材的原因是当喷涂的液滴初始地撞击基材的表面时,因为液滴的初始的球形性质，它们形成较粗糙的表面层。结果,随着要求膜厚度降低，越来越难以在施涂的膜中获得厚度的均匀性。

因此,本领域需要用于在基材上喷涂溶胶-凝胶薄膜的新方法和配方。

概述

已发现，为了成功地使用喷涂技术来将溶胶-凝胶液体膜施涂到基材上(即,在膜特别是薄膜中获得可接受的厚度均匀性),必须满足许多条件。液体膜应在基材表面上呈现合适的润湿性能,从而喷涂液滴同时在表面上调平(level)和铺展(spread)。一般来说,当液体膜的表面能/表面张力较低时，实现调平和铺展。但是，已发现涂层材料的表面能/表面张力不应太低，因为表面能本身是液体膜取得合适的调平的主要驱动力。此外，液体膜的粘度优选地较低，从而液体材料可容易地流动并因此自我调平。此外，极小化液体膜中横向空间扰动(disturbance)的尺寸也是有用的,因此，例如极小化喷涂液滴尺寸是有用的。此外,液体配方应与溶胶的胶体纳米颗粒兼容，从而不促进凝聚(agglomeration)或过早的增加粘度。

已观察到液体膜的调平速度取决于膜的厚度,因为固体基材表面形成抵抗液体膜的调平流动的粘性拖曳。更靠近固体基材的液体膜的分子经历更大的粘性拖曳，因此薄膜特别难以自我调平，以及调平速度随着膜厚度的下降成指数地减慢。随着膜调平速度变得非常低,膜不能在液体膜的粘度增加(在干燥过程)到抑制进一步调平的程度之前的可行的时间长度中调平。使用典型的现有技术方法,干燥过程可导致在实现合适的调平之前使液体膜变成固体，得到非均匀的膜。

这些调平和铺展影响可通过下述的调平公式来总结:

其中T_1/2是扰动调平到其原始高度一半所需的时间,η是粘度(在低剪切速率下),λ是扰动的横向波长,γ是表面张力,h是平均膜厚度。