自组装单分子膜技术在金属防护中的应用
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自组装单分子膜技术及金属腐蚀与防护
解释缓蚀机理需要了解缓蚀剂在金属表面的微观吸附状态如分子的取向和排列方式等但运用常规的涂层方法直接获取分子取向和排列特征非常困难可以借ams模型来解释缓蚀剂作用机21可以通过一些现代分析测试仪器对sams进行表征xpsftirst分子层排列致密结构有序可以阻止介质中的水分子氧原子向金属表面的迁移和传输即能很好地抑制基底金属的氧化还原过程保护基底金属免遭腐蚀
第 19 卷 2004 年URNAL
OF
山东建筑工程学院学报 SHANDONG UNIVERSITY OF ARCHITECTURE
AND
Vol. 19 ENGINEERING Sept.
No. 3 2004
文章编号 :1003 - 5990 (2004) 03 - 0086 - 04
有机硅烷类 SAMs 主要是有机氯硅烷 、烷氧基 硅烷 、烷氨基硅烷在基底上形成 ,基底要求具有羟基 化的表面 ,有机硅烷在界面生成二维网状聚硅烷 ,聚 硅烷以 Si —O 键于表面连接 ,能形成这种 SAMs 的基 底 有 SiO2 、Al2O3 、石 英 、云 母 、ZnSe 、GeO2 和 Au 等[17] 。以 有 机 硅 烷 为 例 , 其 组 装 机 理 为[18] : 头 基 SiCl3 吸收溶液中或固体表面上的水发生水解 ,生成 硅醇基 Si (OH) 3 ,然后与基底表面 —OH 以 Si —O — Si 共价键结合 ,单分子膜中分子之间也以 Si —O —Si 聚硅氧烷链聚合 ,形成网状结构 。
收稿日期 :2004 - 03 - 01 作者简介 :马洪芳 (1968 - ) ,女 ,山东滨州人 ,山东建筑工程学院机电系讲师 ,在读博士 ,主要从事纳米材料的合成 、表征 ,自组装技术及金
属腐蚀与防护的科研及教学工作.
第 19 卷 2004 年URNAL
OF
山东建筑工程学院学报 SHANDONG UNIVERSITY OF ARCHITECTURE
AND
Vol. 19 ENGINEERING Sept.
No. 3 2004
文章编号 :1003 - 5990 (2004) 03 - 0086 - 04
有机硅烷类 SAMs 主要是有机氯硅烷 、烷氧基 硅烷 、烷氨基硅烷在基底上形成 ,基底要求具有羟基 化的表面 ,有机硅烷在界面生成二维网状聚硅烷 ,聚 硅烷以 Si —O 键于表面连接 ,能形成这种 SAMs 的基 底 有 SiO2 、Al2O3 、石 英 、云 母 、ZnSe 、GeO2 和 Au 等[17] 。以 有 机 硅 烷 为 例 , 其 组 装 机 理 为[18] : 头 基 SiCl3 吸收溶液中或固体表面上的水发生水解 ,生成 硅醇基 Si (OH) 3 ,然后与基底表面 —OH 以 Si —O — Si 共价键结合 ,单分子膜中分子之间也以 Si —O —Si 聚硅氧烷链聚合 ,形成网状结构 。
收稿日期 :2004 - 03 - 01 作者简介 :马洪芳 (1968 - ) ,女 ,山东滨州人 ,山东建筑工程学院机电系讲师 ,在读博士 ,主要从事纳米材料的合成 、表征 ,自组装技术及金
属腐蚀与防护的科研及教学工作.
不同链长烷基硫醇自组装膜对银的防变色作用
不同链长烷基硫醇自组装膜对银的防变色作用陈步荣;鲁文晔;陈蝶依;汤涛【摘要】Self-assembled monolayers (SAMs) of three alkanethiols on silver surface were prepared in ethanol solution.The properties of SAMs were investigated by contact angle measurement,electrochemicaltesting,accelerated tarnishing test and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).The results indicate that the hydrophobic SAMs of dodecanethiol (DT),hexa decanethiol (HDT) and octa decanethiol (ODT) were able to form on the surface of silver.And the SAMs had good protection against corrosion for the substrate.The ODT SAM had the best compactness,while the HDT SAM had the best anti-tarnishing effect.%将不同链长的烷基硫醇溶于乙醇,在银表面制备自组装膜.采用接触角测试、电化学试验、加速变色试验和X 射线光电子能谱(XPS)等方法来表征自组装膜的性能.结果表明:十二烷基硫醇(DT)、十六烷基硫醇(HDT)和十八烷基硫醇(ODT)都可以在银表面形成疏水性的自组装膜,对基体腐蚀起到良好的保护作用;ODT自组装膜的致密性最好,而HDT自组装膜的防变色效果最好.【期刊名称】《腐蚀与防护》【年(卷),期】2017(038)006【总页数】6页(P429-433,440)【关键词】烷基硫醇;自组装膜;银;防变色【作者】陈步荣;鲁文晔;陈蝶依;汤涛【作者单位】南京工业大学材料科学与工程学院,南京210009;南京工业大学材料科学与工程学院,南京210009;南京大学匡亚明学院,南京210023;南京工业大学材料科学与工程学院,南京210009【正文语种】中文【中图分类】TG172.3由于银具有良好的物理化学性能和美丽的金属光泽，在历史上常被用作货币和艺术品[1]。
铝合金的腐蚀与防护
一．引言1.1金属防腐蚀的重要意义金属材料是现代最重要的工程材料，人类社会的文明和发展与金属材料的使用、发展与进步有着极为密切的联系。
但是金属材料及其制品会受到各种不同形式的损坏，其中最重要、最常见的损坏形式腐蚀。
金属腐蚀问题存在于国民经济的各个领域，而且随着经济建设和科学技术的发展，腐蚀的危害越来越严重，对于国民经济的发展的制约作用越来越突出。
使得腐蚀科学在国民经济中所处的地位越来越重要。
据统计，人们每年冶炼出来的金属约有1/10被腐蚀破坏，相当于每年约有1/10 的冶炼厂因腐蚀的存在而做了无用功；而1/10 被腐蚀破坏的金属所殃及的金属制品的破坏，其损失要远远大于金属本身的价值。
据美国国家标准局(NBS)调查，1975年美国因腐蚀造成的损失高达700亿美元，即当年国民经济总产值(GNP)的4.2%;《光明日报》1999年1月20日报道，1997年因腐蚀给我国国民经济带来的损失高达2800亿人民币。
以上所说仅就经济损失而言，在有些领域，尤其在化学工业、石油化工、原子能等工业中，由于金属材料腐蚀造成的跑、冒、滴、漏，不仅造成大量的、宝贵而有限的资源与能源的严重浪费，还能使许多有害物质甚至放射性物质泄漏而污染环境，危害人民的健康，有的甚至会长期造成严重的后果；而由于金属腐蚀所造成的灾难性事故严重地威胁着人们的生命安全；许多局部腐蚀引起的事故，如氧脆和应力腐蚀断裂这一类的失效事故，往往会引起爆炸、火灾等灾难性恶果，在一定程度上威胁着人类的生存与发展，所以对于金属腐蚀问题的研究显得尤为重要。
1.2铝合金及其腐蚀机理铝合金是近代发展起来的一类重要的金属材料。
铝合金具有强度高、密度小、导电导热性强、力学性能优异、可加工性好等优点而广泛应用于化学工业、航空航天工业、汽车制造业、食品工业、电子、仪器仪表业以及海洋船舶工业等领域。
但是铝合金与其他金属一样，也面临着严重的腐蚀问题。
虽然在自然条件下，铝合金表面容易形成一层厚约4 nm 的自然氧化膜，但是这层膜多孔、不均匀且抗蚀性差，难以抵抗恶劣环境的腐蚀的。
铜和铜合金表面自组装缓蚀膜的研究进展
具 有 双重 的防腐 蚀效 果 ．
２ ２ 应 用范 围的拓 展 ．
自组装 膜 技术 的应 用 范 围大 都 是 单 金 属 ， 如
Ａ ， ｇ Ｃ ， ｅ等 ． 纯 金 属 相 比， 合 金 表 面 制 ｕＡ ，ｕ Ｆ 与 在
２ １ 金属 基体 表面 的 处理 ．
在 金 属表 面 进 行 自组 装 时 主要 依 靠 分 子 ． 基 底 及 分子 ． 子 之 间作 用 力 的协 同作 用 － ， 分 ８ 金属 基 Ｊ
制 ， 及 自组 装 膜 在 侵 蚀 性 环 境 中 的化 学 稳 定性 以 等 问题 尚没有 进 行 系统 的研 究 ， 成 膜 过 程 中 的 对 影 响 因素 （ 如基 底 的表 面 性质 、 液 性质 ， 溶 以及 温 度 、 间等 ）及 其 规律 性 的认 识还 很 不 充分 ， 别 时 特 是 自组装 膜 在侵 蚀性 环 境 中易 于脱 附 的 问题 还 没 有 解决 ， 也是 自组 装 技 术 不 能 大 规 模 应 用 的根 这 本原 因之一 ． 了进 一 步 拓 宽 自组 装 膜 的应 用 范 为 围 ， 须 了解 构建 稳定 高 效 的 自组 装 膜 的 条件 及 必
性， 以及微 、 纳米 表面 结构 对 自组装 膜 的耐 蚀性 能 ． 及 稳定 性 将 产生 怎样 的影 响 尚有待 研究 ． 由于微 米结 构与 纳米 结构 相结 合 的 阶层 结构
具 有 特殊 的 物理 化 学 性 质 ， 可 引 起 表 面超 疏 水 如
等 …Ｊ因此 金属 表 面 的微 纳 结构 可 以增 大其 静 态 ，
Ｋｅ ｒ ｓ ｃ ｐ ｅ ；ｃ ｐ ｅ ｌ ｙ ；ｃ ｒｏ ｉｎ；ｓ ｒ ａ ｓ ｍｂ ｅ ｎ — ｙ ｒ ｙ ｗｏ ｄ ： ｏ ｐ ｒ ｏ ｐ ｒａ ｌ ｓ ｏ ｒ ｓ ｏ ｏ ｅ － ｓ ｅ ｌｄ ｍｏ ｏ ｌ ｅ ｓ ｆ ａ
２ ２ 应 用范 围的拓 展 ．
自组装 膜 技术 的应 用 范 围大 都 是 单 金 属 ， 如
Ａ ， ｇ Ｃ ， ｅ等 ． 纯 金 属 相 比， 合 金 表 面 制 ｕＡ ，ｕ Ｆ 与 在
２ １ 金属 基体 表面 的 处理 ．
在 金 属表 面 进 行 自组 装 时 主要 依 靠 分 子 ． 基 底 及 分子 ． 子 之 间作 用 力 的协 同作 用 － ， 分 ８ 金属 基 Ｊ
制 ， 及 自组 装 膜 在 侵 蚀 性 环 境 中 的化 学 稳 定性 以 等 问题 尚没有 进 行 系统 的研 究 ， 成 膜 过 程 中 的 对 影 响 因素 （ 如基 底 的表 面 性质 、 液 性质 ， 溶 以及 温 度 、 间等 ）及 其 规律 性 的认 识还 很 不 充分 ， 别 时 特 是 自组装 膜 在侵 蚀性 环 境 中易 于脱 附 的 问题 还 没 有 解决 ， 也是 自组 装 技 术 不 能 大 规 模 应 用 的根 这 本原 因之一 ． 了进 一 步 拓 宽 自组 装 膜 的应 用 范 为 围 ， 须 了解 构建 稳定 高 效 的 自组 装 膜 的 条件 及 必
性， 以及微 、 纳米 表面 结构 对 自组装 膜 的耐 蚀性 能 ． 及 稳定 性 将 产生 怎样 的影 响 尚有待 研究 ． 由于微 米结 构与 纳米 结构 相结 合 的 阶层 结构
具 有 特殊 的 物理 化 学 性 质 ， 可 引 起 表 面超 疏 水 如
等 …Ｊ因此 金属 表 面 的微 纳 结构 可 以增 大其 静 态 ，
Ｋｅ ｒ ｓ ｃ ｐ ｅ ；ｃ ｐ ｅ ｌ ｙ ；ｃ ｒｏ ｉｎ；ｓ ｒ ａ ｓ ｍｂ ｅ ｎ — ｙ ｒ ｙ ｗｏ ｄ ： ｏ ｐ ｒ ｏ ｐ ｒａ ｌ ｓ ｏ ｒ ｓ ｏ ｏ ｅ － ｓ ｅ ｌｄ ｍｏ ｏ ｌ ｅ ｓ ｆ ａ
分子自组装原理及应用
分子自组装原理及应用【摘要】分子自组装在生物工程技术上的建模、分子器件、表面工程以及纳米科技领域已经有很广泛的应用。
在未来的几十年中,分子自组装作为一种技术手段将会在新技术领域产生巨大的影响。
在这篇文章里,我们介绍了分子自组装技术的定义、基本原理、分类、影响因素、表征手段等,并阐述了分子自组装技术目前的研究进展,展望了分子自组装技术的应用前景。
【关键词】分子自组装；自组装膜molecular self-assembly technology and itsresearch advances【abstract】numerous self assembling systems have been developed ranging from Models to the study of biotechnology，to molecular electronics，surface engineering，and nanotechnology。
In future decades, the molecules from the assembly as a technical means in the new technology will have a great influence. In this article, we introduce elements of the assembly definition, the basic principles, classifying, influence, the means of index, and describes the elements of technology from the assembly of the present development, the molecules from the assembly the future.【Key words】molecular self-assembly；self-assembled molecular monolayer1前言分子自组装是分子与分子在一定条件下,依赖非共价键分子间作用力自发连接成结构稳定的分子聚集体的过程。
聚合物自组装及其在材料科学中的应用
聚合物自组装及其在材料科学中的应用随着材料科学技术的不断发展，聚合物自组装作为一种晶态材料的制备方法备受关注。
自组装是指利用分子之间的相互作用力，使它们自发的组合成一定的结构。
自组装的优点在于制备简单、低成本、高效率，且具有可控性。
聚合物自组装可以制备出各种形状、大小的孔道，因此应用广泛，例如在分离、催化、电子学、生物学等领域。
本文将介绍聚合物自组装及其在材料科学中的应用。
一、聚合物自组装的机理聚合物自组装是指由聚合物链内部或外部的相互作用力引导而组装形成一定的结构。
这些相互作用力包括疏水作用、静电作用、氢键作用、π-π作用和范德华力等。
其中疏水作用是最常见的一种相互作用力。
疏水作用指的是疏水性分子之间的相互作用力，即排除水分子而使分子之间相互靠拢。
在聚合物自组装中，通常利用疏水作用使链段相互靠拢而形成膜状结构。
静电作用是指由于分子电荷的不平衡而产生的相互作用力。
在聚合物自组装中，利用静电作用可以形成电弱相互作用的聚合物微胶束结构。
氢键作用是指含有氢原子的分子与弱碱性或强氧化物相互作用形成的相互作用力。
在聚合物自组装中，利用氢键作用可以形成氢键结构的聚合物微胶束或纳米粒子。
π-π作用是指由于pi电子云的重叠而形成的相互作用力。
在聚合物自组装中，利用π-π作用可以形成π-π堆积结构的聚合物纳米线。
范德华力是指两个或多个分子之间的瞬时极性引起的相互作用力。
在聚合物自组装中，利用范德华力可以形成范德华力结构的聚合物纳米粒子。
二、聚合物自组装的应用1. 分离聚合物自组装在分离领域中应用广泛。
一种应用是聚合物微胶束用于水中重金属污染物的吸附分离。
聚合物微胶束由于具有疏水性和静电性，可以吸附并分离水中的重金属离子，从而达到净化水体的目的。
2. 催化聚合物自组装在催化领域也有着广泛的应用。
一种应用是利用聚合物纳米粒子作为催化剂去除废水中的有机物。
聚合物纳米粒子具有高的比表面积和孔道，能够有效吸附和分解有机物，从而达到净化废水的目的。
自组装单分子膜防护效能研究
０． ＯＯＯｐ ｍ
３ 展 望 及 结束 语
自组 装单 分子 膜 的研 究不 仅在 金属 保 护和
金属 表 面 处 理领 域 有 巨大 应 用潜 力 ， 而且 对 制 备 、 发新 式缓 蚀剂 也 具有 重大 的科 学 价值 和 研
图 ３Ｓ Ｍｓ的粗糙 度检 测 图 Ａ
实用价 值 。 同时将 自组装 技术 与 高分子 合 成 、 电化 学检测 等 手段 相结 合 ， 以在 冶金 、 可 机械 、 学工 艺 化 等 方 面的应 用得 以深 入 开发 ； 农业 中 ， 以通过 组装 膜技 术 使农 作物 、 菜 、 果 等产 品不 受 季节 限制 在 可 蔬 水
［］ ３ 刘琳 ， 翟玉春 ， 钱建华 ， 等．噻二唑型喷气燃料银片腐蚀抑制剂的研究 ［ ］ 石油炼制与化工 ， ０ ， ５ ４ ： ５— Ｊ． ２ ４ ３（ ） ５ ５ ０
［ ］ ｉｒＪ ｎ ｕ ， ｈｕＹ ｅａ ， ｉｇ ｉ ｕｎ ｅ ａ．ｓ ｄ ｎｋｎｔ ｓｏ ｄ ｓｌ ｒａｉｎｏ ｍ ｄ ｌ ｉ ｌＪ ．Ｐ ｔ ｌｕ ｒｃｓ ｎ ４ ＱａＩ ｉ ｈ ａＺ ｏ ｕｎ ｎ Ｘｎ ｎ ａ ， ｔ ａ Ｊｊ １ ｔ ｙｏ ｉｅｃ ｆｒ ｅｕ ｕｉ ｔ ｆ ｏ ｅｄｓ ［ ］ ｅ ｏ ｍＰｏｅｓ ｃ＆Ｐ ｔ ｃｅ ｉａ ｕ ｉ ｆ ｚｏ ｅ ｒｅ ｉ ｅｒ ｈ ｍｃｌ ｏ
影响其 美 观和性 能 ， 以像 钻石 、 所 铂金 等贵 重物 品制 成 的工 艺 品 、 物 或纪 念 品 的表 面 修饰 更 具 有特 别 文
第 １期
楚茂 阳 ， 刘琳 ， 邢锦 娟 ， 建 华 ： 钱 自组 装单 分子 膜 防护 效 能研 究
４ ９
重要 的意义 。下 图为硅 片表 层 自组 装单 分子 膜 的粗 糙度情 况 检测 图 。 可见 ， 在石 英 硅 片上 膜 层 的 凸 凹最 多 不 超 过 正 、 ０ ３微 米 ， 层 足 够 薄 。一 般 情 况 下 ， 负 ． 涂 肉眼无法 观 察 。此 外 ， 过 改 变膜 的化 学 组 成 吨‘ 通 和端 基 可 以获得 不 同的厚 度及 功 能 。
３ 展 望 及 结束 语
自组 装单 分子 膜 的研 究不 仅在 金属 保 护和
金属 表 面 处 理领 域 有 巨大 应 用潜 力 ， 而且 对 制 备 、 发新 式缓 蚀剂 也 具有 重大 的科 学 价值 和 研
图 ３Ｓ Ｍｓ的粗糙 度检 测 图 Ａ
实用价 值 。 同时将 自组装 技术 与 高分子 合 成 、 电化 学检测 等 手段 相结 合 ， 以在 冶金 、 可 机械 、 学工 艺 化 等 方 面的应 用得 以深 入 开发 ； 农业 中 ， 以通过 组装 膜技 术 使农 作物 、 菜 、 果 等产 品不 受 季节 限制 在 可 蔬 水
［］ ３ 刘琳 ， 翟玉春 ， 钱建华 ， 等．噻二唑型喷气燃料银片腐蚀抑制剂的研究 ［ ］ 石油炼制与化工 ， ０ ， ５ ４ ： ５— Ｊ． ２ ４ ３（ ） ５ ５ ０
［ ］ ｉｒＪ ｎ ｕ ， ｈｕＹ ｅａ ， ｉｇ ｉ ｕｎ ｅ ａ．ｓ ｄ ｎｋｎｔ ｓｏ ｄ ｓｌ ｒａｉｎｏ ｍ ｄ ｌ ｉ ｌＪ ．Ｐ ｔ ｌｕ ｒｃｓ ｎ ４ ＱａＩ ｉ ｈ ａＺ ｏ ｕｎ ｎ Ｘｎ ｎ ａ ， ｔ ａ Ｊｊ １ ｔ ｙｏ ｉｅｃ ｆｒ ｅｕ ｕｉ ｔ ｆ ｏ ｅｄｓ ［ ］ ｅ ｏ ｍＰｏｅｓ ｃ＆Ｐ ｔ ｃｅ ｉａ ｕ ｉ ｆ ｚｏ ｅ ｒｅ ｉ ｅｒ ｈ ｍｃｌ ｏ
影响其 美 观和性 能 ， 以像 钻石 、 所 铂金 等贵 重物 品制 成 的工 艺 品 、 物 或纪 念 品 的表 面 修饰 更 具 有特 别 文
第 １期
楚茂 阳 ， 刘琳 ， 邢锦 娟 ， 建 华 ： 钱 自组 装单 分子 膜 防护 效 能研 究
４ ９
重要 的意义 。下 图为硅 片表 层 自组 装单 分子 膜 的粗 糙度情 况 检测 图 。 可见 ， 在石 英 硅 片上 膜 层 的 凸 凹最 多 不 超 过 正 、 ０ ３微 米 ， 层 足 够 薄 。一 般 情 况 下 ， 负 ． 涂 肉眼无法 观 察 。此 外 ， 过 改 变膜 的化 学 组 成 吨‘ 通 和端 基 可 以获得 不 同的厚 度及 功 能 。
金属的腐蚀与防护
金属的腐蚀与防护简介：金属是一种常见的材料，在各个领域中都有广泛应用。
然而，金属材料在使用过程中，容易受到腐蚀的影响，从而导致质量下降甚至失效。
本文将探讨金属腐蚀的原因、危害以及常见的防护措施。
一、腐蚀的原因金属腐蚀是指金属在特定环境下与所处介质发生反应，从而引起金属表面或内部的氧化、脱层、破损等现象。
主要原因如下：1. 化学反应：金属与介质中的氧气、水、酸等发生化学反应，形成金属氧化物或金属盐，从而破坏金属结构；2. 电化学反应：金属在电解质溶液中，作为阴阳极参与电化学反应，产生腐蚀电流，导致金属丧失；3. 生物腐蚀：微生物、海洋生物或土壤中的细菌、藻类等对金属表面进行化学作用，加速金属腐蚀；4. 物理因素：高温、高湿度、紫外线、机械刮擦等物理因素也会对金属产生腐蚀影响。
二、腐蚀的危害金属腐蚀带来的危害主要体现在以下几个方面：1. 结构破损：金属腐蚀导致金属结构受损，影响其使用寿命，甚至引发安全事故；2. 功能下降：腐蚀使金属表面变得不平整、粗糙，降低了其原有的功能，如电导性、导热性等；3. 资源浪费：腐蚀使金属材料减少，需要更多的资源进行修复和替换，增加了成本和能源消耗；4. 环境污染：金属腐蚀产生的废物、气体和废水会对环境造成污染，对植物和动物产生不良影响。
三、金属腐蚀的防护措施为了减少金属腐蚀的发生，需要采取一系列的防护措施。
以下是常见的几种防护方法：1. 表面涂层：通过涂覆金属表面的保护膜，阻隔介质对金属的侵蚀。
常见的涂层包括漆膜、涂层、电镀层等；2. 阳极保护：在金属表面附近放置一个具有更高活性的金属，作为阳极进行保护，使其更容易受到腐蚀。
常见的阳极保护材料包括锌合金、铝合金等；3. 防蚀合金：将金属与其他元素进行合金化处理，提高其抗腐蚀性能。
如不锈钢中的铬能形成致密的氧化膜，阻隔外界介质；4. 缓蚀剂：添加适量的缓蚀剂到金属表面，形成保护膜，减缓腐蚀速度。
常见的缓蚀剂有无机盐、有机酸等；5. 电化学防蚀：利用电化学原理，通过施加外电场或电流，实现金属防蚀。
材料学中的自组装技术应用
材料学中的自组装技术应用自组装技术是材料学中一种重要的制备方法，通过自身分子间相互作用，材料可以自我组织成有序的结构。
自组装技术广泛应用于纳米材料、薄膜、生物材料等领域，为材料科学和工程带来了许多创新和突破。
本文将介绍材料学中的自组装技术及其应用。
一、自组装技术概述自组装是指在适当条件下，材料自身分子间的相互作用力驱动下，将分子、纳米粒子等按照一定规则自发组装成有序结构的过程。
自组装技术是材料学中一种灵活、高效的制备方法，可以制备出各种形态的材料，如纳米颗粒、纳米薄膜、纳米线等。
二、自组装技术的分类根据自组装过程的不同，自组装技术可以分为静态自组装和动态自组装两类。
1. 静态自组装静态自组装是指在静态平衡条件下，材料自身分子间的相互吸引力和斥力相互平衡，使得材料自发组装成有序结构的过程。
常见的静态自组装技术有分子自组装和胶体自组装。
分子自组装是指通过分子间的非共价相互作用力，如氢键、范德华力等，使得分子有序排列形成有机分子的自组装结构。
这种自组装结构具有一定的稳定性和可控性，可应用于有机光电器件、药物传递等领域。
胶体自组装是指由胶体颗粒组成的体系通过相互作用力有序排列形成有序结构。
胶体自组装技术常用于制备纳米颗粒、纳米薄膜等材料，其结构和性质可通过调控胶体颗粒的形状、大小、表面性质等进行调控。
2. 动态自组装动态自组装是指利用外部刺激或条件改变材料中的相互作用力，使材料分子或颗粒发生有序排列的过程。
动态自组装技术具有可逆性和响应性，常用于智能材料、微观机械等领域。
三、自组装技术的应用自组装技术在材料科学和工程中具有广泛的应用前景。
1. 纳米材料制备自组装技术可用于纳米材料的制备，如纳米颗粒、纳米薄膜、纳米线等。
通过调控自组装过程中的相互作用力和条件，可以精确控制纳米材料的大小、形状及结构，从而调控其性能和功能。
2. 生物材料应用自组装技术在生物材料领域有着广泛的应用。
通过自组装技术，可以制备出具有特定功能的生物材料，如药物传递系统、组织工程支架等。
二氧化硅表面自组装单分子膜的性质、制备及应用研究的开题报告
硅/二氧化硅表面自组装单分子膜的性质、制备及应
用研究的开题报告
一、研究背景
自组装单分子膜（self-assembled monolayers, SAMs）是指由分子
自发地在固体表面形成的一层单分子厚度的有序单层，具有良好的表面
化学与物理学性质，因此在油墨、涂料、传感器和纳米器件等领域有着
广泛的应用。
硅/二氧化硅表面自组装单分子膜的研究，对于硅基纳米器件、光刻、抗腐蚀涂料等领域有一定的重要性。
二、研究内容
本研究将以硅/二氧化硅表面为实验对象，主要研究以下内容：
1. 自组装单分子膜的制备方法：包括溶液法、气相法等，并比较各
种制备方法的优缺点。
2. 自组装单分子膜的表征方法：包括循环伏安法、红外光谱法、原
子力显微镜等表征手段，探究其表面化学、物理学性质。
3. 自组装单分子膜的应用研究：深入探究其在硅基纳米器件、光刻、抗腐蚀涂料等领域的应用，并比较各种应用方式的效果。
三、研究意义
本研究将从制备、表征以及应用等多个方面对硅/二氧化硅表面的自组装单分子膜进行深入研究，有助于拓展其在各个领域的应用，提高其
制备及表征的效率与精度，为相关领域的研究提供参考。
同时也有助于
推动自组装单分子膜及其应用研究的发展。
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图 2 脂肪酸类 SAM s 在金属氧化物上的结构示意图
Bommarito G M 等[ 14] 用电化学方法研究了长链 脂肪 酸 在 有 机 或 水 性 介 质 中, 在 铝 合 金 表 面 的 SAM s, 提出简单的模型定量描述 SAMs 对金属氧化 物表面的活化- 钝化态转变的影响。发现 SAMs 的 作用有双重效果: ¹ 通过与 Al 形成紧密的键合体, 抑 制氧化物的水解; º 提高被吸附离子的侧向作用力, 形成更为紧密的氧化致钝层。M ark F 等[ 15] 研究了 界面能对烷基脂肪酸类 SAM s 保护钢铁和铝材的作 用, 研究了影响脂肪酸类 保护作用和涂膜缺 陷的因 素, 调节脂肪酸层在金属氧化物上的作用力, 可以控 制金属表面的腐蚀。日本 A ramaki K 等人[ 16] 在铁基 钝 化 膜 上 制 备 了 碳 原 子 数 为 12 ~ 18 的 脂 肪 酸 SAM s。该钝化膜的成分主要是 Fe2O 3和少量 Fe3O4, 膜表面具有[ FeO] OH, 在钝化膜上实现了自组装, 这 一结果对金属表面转化层的保护提供了一定依据。 2. 3 硅烷类 SAMs
果, 此外利用分子间的作用力, 在自组装膜表面二次 吸附表面活性分子, 也可以对缺陷进行填补[ 13] 。
硫醇类化合物对 货币金属和贵金属( 如金、银、 铜、铂等) 有极强的键合力, 但与钢、不锈钢和铝材等 工程金属的结合力则相对较差, 应用受到限制。硫醇
刘娅莉等: 自组装单分子膜及其在金属防护中的应用
理方法, 此外它也可以作了自组装单分子膜技术在金属防护中 的研究进展。介绍了自组装单分子膜技术在工程金 属表面的研究进展及新的适合自组装的体系, 它的研 究开发必将使我们在更广阔的领域在更深层次寻找 到新的有效的金属表面修饰和防腐蚀的方法。
1 自组装单分子膜的形成机理
自组装单分子膜是近 20 年来发展起来的一种新 型有机超薄膜技术[ 3] 。自组装单分子膜的生成是一 个自发的过程, 将金属或金属氧化物浸入含活性分子 的稀溶液中, 通过化学键自发吸附在基片上形成的取 向规整、排列紧密的有序单分子膜, 制备方法简单且 具有高的稳定性。SAMs 从结构上可分为三部分, 如 图 1 所示, 一是分子的头基, 它与底材表面上的反应 点以共 价键( 如 Si ) O 键及 Au ) S 键 等) 或离子 键 ( 如 ) CO-2 A g+ ) 结合, 该反应为放热反应, 活性分子 会尽可能 占据底材表面的反应点; 二是分子的 烷基 链, 链与链之间靠范德华力作用使活性分子在固体表 面有序且紧密排列, 分子链中间可通过分子设计引入 特殊的基团使 SAMs 具有特殊的物理化学性质, 可以 通过自主设计分子结构和表面结构来获得预期的界 面物 理 化 学 性 质; 三 是 分 子 末 端 基 团, 如 ) CH3、 ) CO OH、 ) OH、 ) N H2、 ) SH , ) CH2 ) CH3 及
2 自组装单分子膜研究进展及其在金属防 护方面的应用
具有金属保护功能 SAM s 技术的研究主要集中 在日 本、美 国, 国 内 也 有大 学 和 科 研 机 构 进 行 研 究[ 3] , 由于铁、锌、不锈钢、铝、铜属于活泼金属, 其表 面极易氧化, 因此在其上自组装单分子膜较为困难, 但是对这些工业金属表面的自组装研究更具意义, 目 前在工程金属上具有金属防护功能的自组装单分子 膜体系主要有以下几类。 2. 1 烷基硫醇类 SAMs
自组装薄膜近年来在多个领域中广泛应用, 如光 学、电子学、生物传感学和机械工程学等, 金属表面处 理和保护是其重要的工业应用方向之一。自组装单 层或多层膜在金属腐蚀与防护领域前景广阔, 因为它 具有以下几点潜在优势:
( 1) SAMs 膜由排列有序、结构紧密的分子组成; ( 2) SAMs施工简单, 只要将底 材浸入含活性分 子的溶液或蒸气中, 活性分子则会自发形成; ( 3) 单分子膜结构稳定, 堆积紧密, 无论底材表面 形状如何, 其表面均可形成均匀一致的覆盖层, 因而 具有防止腐蚀, 减小摩擦及降低磨损的作用; ( 4) 制备 SAMs 的过程能耗少, 成本低; ( 5) 由于单分子膜厚度是纳米级的, 小于光波波 长, 肉眼不可见, 不会像普通涂层脆裂、老化、变色, 非 常适用于贵重金属的保护。 自组装单分子膜的这些特点对金属的保护具有 独特的效果, 是一项非常有前景的工作。
摘 要: 本文综述了近年来自组装单分 子膜研 究进展 及其在 金属 防护中 的研 究及 应用, 详细 介绍了 基于 烷基 硫 醇、脂肪酸、硅氧烷、膦酸盐等的自组装单分子层的研究进展。 可以预 期自组装 单分子 涂层将 在腐蚀 与防护 领域作 为 一种新的方法占据重要地位, 也是一条最具前景的环境友好型的取代现有的铬酸钝 化及磷化工艺的新的技术途径。
第 34 卷第 9 期 2004 年 9 月
涂料工业 PA IN T & COAT I NGS I NDU ST RY
V ol. 34 No. 9 Sep. 2004
自组装单分子膜技术 在金属防护中的应用
刘娅莉1, 2, 于占锋2, 周树学1, 武利民1 ( 1. 复旦大学国家教育部先进涂料工程研究中心, 上海 200433; 2. 湖南大学化学化工学院, 长沙 410082)
) C CH 2 等, 其意义在于通过选择末端基 团以获
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刘娅莉等: 自组装单分子膜及其在金属防护中的应用
得不同物理化学性能的界面或借助其反应活性构筑 多层膜[ 5] 。可选择 的分子头基、尾基结构提 供了研 究基材与分子界面膜排列和生长、附着、润湿性、腐蚀 等现象的良好体系。
图 1 自组装单分子膜形成机理
SiO2、Al2O 3、石英、玻璃、云母等, 它以 Si ) O 共价键 与底材键合, 分子间相互聚合, 故特别稳定[ 3] 。由于 硅烷类 SAMs 的结构, 使其单层膜端基羟基化, 即可 在此基础 上构筑多层膜, 自组装 单层膜是二维 有序 的, 多层膜在单层膜的基础上发展, 在单层的表面进 行化 学修饰, 连 接上羟 基、羧基、酯 基、氨基、卤素、 ) P( OH ) 3。这些表面活性基团可以直接用于下一层 的组装( 见图 3) 。
2A u+ 2RSH y 2Au- SR+ H2 2A u+ 2RSH+ O2 y 2Au- SR + H2O2 烷基硫醇作为 Cu 的缓蚀剂很早就有报道, 1992 年 L ibinis P. 等[ 6] 开始在 A u、Ag、Cu 表面, 对硫醇的 链长、端基、浓度的大小、单层膜及双层膜腐蚀性能、
金属表面涂层保护方法很多, 如有机涂料、镀层、 缓蚀剂、磷化、钝化等。由于环境保护法规的强烈要 求, 传统的金属涂层保护及表面处理方法面临挑战, 如在航空工业中广泛使用的铝材铬酸表面处理和含 铬颜料底漆要求用无铬钝化技术取代; 缓蚀剂方面, 新的天然和植物来源的缓蚀剂受到关注, 新的缓蚀机 理和成膜方式研究活跃; 钢铁表面涂覆处理前目前大 多采用磷化技术, 但是磷化工艺产生的沉渣, 磷酸盐 造成的水质富氧化污染, 亚硝酸钠、重金属离子对水 质的污染等也呼唤可取代磷化的新的表面处理方法。 近年来已经有大量的新的环境友好的表面涂层技术 的研究, 如无机- 有机杂化纳米膜层技术[ 1] , 导电聚 苯胺防腐蚀涂层技术[ 2] , 自组装单分子膜( SA Ms) 技 术[ 3] 。由于 SA Ms 技术其独特的性能引起了国内外 广泛的关注, 这一领域的研究非常活跃。自组装单分 子膜是一种非常有前景的金属表面防护方法, 是一种 最有潜力的可替代磷化及铬酸钝化的金属表面预处
2. 2 脂肪酸及其衍生物 SAMs 长链烷基脂肪酸( CnH 2n+ 1COOH) 自组装单层膜
是依靠脂肪酸与固体界面的金属氧化物之间的酸碱
反应而进行的, 通过羧基阴离子和金属阳离子形成离 子键而 相互作用 ( 见图 2) 。脂 肪酸类 SAM s 在 铜、 银、铝表面自组装机理研究较多。由于这一类 SAMs 可以直接在金属氧化物上组装, 引起了人们对这类自 组装膜金属缓蚀性能的研究兴趣[ 3] 。
可作为自组装的硅烷类化合物多为氯取代或烷 氧基 取代 的 长链 有 机硅 烷, 底 材表 面 为 羟基 化 的
图 3 自组装多层膜形成过程示意图
多层膜的构建为研究新的耐腐蚀涂层提供了良 好的途径。
Sinapi F 等[ 17] 在锌材表面沉积 SAMs 以增强防 腐蚀能 力 和与 涂 层的 结 合力。利 用 ( CH3 O ) 3 Si ) ( CH3) 3 ) SH, 其结构中含有( CH3 O) 3Si ) 和 ) SH 两 个锚固基团, 前者可与易氧化金属( Cu, T i, Al) 等有 很强的结合力, 后者与基材金属( Au, Ni, Ag) 容易结 合。日本 A ramaki K 小组[ 18] 一直致力于 SA Ms 防腐 蚀, 对 MU O[ HO( CH2) 11SH] ( 11- 羟基- 1- 十一硫 醇) 自组装膜进行了系列研究, 在 Cu 表面形 成规整 的 SA Ms, 利用三氯硅烷( CnH2n+ 1 SiCl3) 与自 组装膜 表面的 OH 发生反应得到烷基硅氧膜, 水解后成膜分 子间自发聚合, 彼此间以硅氧键相连。复合双层膜的 形成减少了膜的缺陷, 膜的厚度也增加, 有效地提高 了膜的 防腐 蚀能力。此外 还利用 偶联 剂对 HS ( CH) 11OH ( MU O) SAMs 进行修饰[ 19] , 在 MU O 表面 形成二维的平面聚合物膜, 这种膜具有更高的保护效 率, 研究了复合双层膜对铁的保护。随后他们采用烷 基异氰酸酯 CnH 2n+ 1N CO 改性 MU O - SA Ms 膜[ 20] ,
烷基硫醇类 SAMs 是最早用于自组装的一类体 28
系, 在自组装历史上占有极其重要的地位。由于巯基 与底材的强烈化学作用, 膜的形成是巯基与金属底材 键合 反应与 链状分 子间力 共同 作用 的结 果。由 于 S ) Au 键的结合强度高, 反应条件容易控制, 膜高度 有序, 使得目前 70% 的研究工作都集中在这 一体系 内, 作为分子电子器件、微型传感器、薄膜光学器件、 分子识别、润滑、防腐蚀等。常用的底材为真空喷镀 在玻璃、石英、云母片上的金、银。已确认了的巯基与 金作用机理如下[ 3] :