Parylene薄膜及其在防潮保護中的應用

吳彪，謝金華，陳艷平

?

Parylene薄膜及其在防潮保護中的應用

吳彪，謝金華，陳艷平

（中國工程物理研究院材料研究所，四川 綿陽 621907）

簡要介紹了Parylene薄膜制備方法，及其優良的力學性能、耐溶劑性及水汽與氣體阻隔性能，歸納了近年來其在高活性材料以及文物圖書檔案防潮保護中的研究進展。

Parylene膜；阻隔特性；防潮保護；高分子涂層

1 概述

聚對二甲苯（Parylene）系列膜最早是由Szwarc在1947年發現的，直到1953年美國Union Carbide公司首先推出Gorham法，即利用化學氣相沉積（CVD）法制備高分子涂層材料，才實現了聚對二甲苯系列膜的實際應用。通過在苯環上引入不同的基團或側鏈（如氯基、氟基、羥基、羧基等）可得到一系列不同結構的Parylene系列膜[1]。無取代及以氯基取代的聚對二甲苯膜，最常用的有三種：N型、C型、D型，其分子結構式如圖1所示。

聚對二甲苯系列膜具有優良的物理機械性能、耐溶劑性、水汽與氣體隔絕性能、電絕緣性以及生物相容性等多種特性，在活性材料防護、微電子集成電路、磁性材料、光纖光纜密封件、文物防護等諸多領域[2-5]有著廣泛應用。本文簡要介紹了Parylene系列膜的制備方法，及其優良力學性能、耐溶劑性、水汽與氣體阻隔性能，綜述了其在高活性材料、顆粒材料以及文物圖書檔案阻水防護等應用方面的研究進展。

2 Parylene系列膜的制備方法

Parylene制備采用真空化學氣相沉積工藝，先將固態粉末氣化，再在高溫下裂解，然后在常溫沉積聚合生成高分子聚合物，沉積在要保護的樣品上，形成保護膜。下面以C型Parylene膜的制備過程為例，簡要介紹了其制備過程。C型Parylene膜的沉積聚合過程為：在真空沉積設備中，固態氯代對二甲苯環二體原料升華、裂解為單體；生成的單體在真空沉積室內基體表面吸附、沉積、聚合，形成一層薄膜。其沉積生長是一種分子級的生長過程，它能涂敷到樣品各種形狀的表面，包括尖銳的棱角、裂縫和內表面。由于薄膜涂層在真空下沉積而成，形成的薄膜厚度均勻、致密、無針孔、無應力。Parylene的沉積是在專用設備中進行的，其反應流程如圖2所示。

圖2 C型Parylene膜的氣相沉積聚合過程示意圖

3 Parylene系列膜的性能和特性

Parylene系列膜聚合過程完全靠自引發鏈生長，不需要引發劑與終止劑、任何溶劑與催化劑，其獨特的生長方法、獨特的聚合物鏈結構致使其具備了優良的力學性能、耐溶劑腐蝕，以及水汽與氣體阻隔性能。

3.1 力學性能

Parylene系列膜聚合度高、分子量大，具有高的彈性模量、高的抗拉強度，其具體力學性能參數如表1所示。較高的抗拉強度、斷裂延伸率、彈性強度滿足其在作為防護涂層材料時力學性能要求。

表1 N型、C型、D型Parylene膜的力學性能

性能N型C型D型 密度/g×cm-31.111.2891.418 楊氏模量/MPa2 4003 2002 800 抗拉強度/MPa457075 斷裂延伸率/（%）3020010 彈性強度/GPa2.43.22.8 洛氏硬度R85R80R80 摩擦系數0.250.290.31～0.33 屈服強度/MPa425560 屈服伸長率/（%）2.52.93

3.2 耐溶劑性能

Parylene系列膜化學惰性，不溶于酸、堿和有機溶劑，即使在結晶熔點溫度，仍具有較強的耐溶劑性，僅能在高溫下溶解在高沸點的溶劑中，比如氯化聯苯、甲基苯酸芐脂等。表2為N型、C型、D型Parylene膜的耐溶脹性。與N型、D型相比，C型極性更高，在常見有機溶劑中體積變化略大一些。

表2 N型、C型、D型Parylene膜的耐溶劑性

溶劑體積變化/（%） N型C型D型 二氯苯0.23.01.8 二甲苯1.42.31.1 氯代苯1.11.51.5 三氯乙烷0.50.80.8 丙酮0.30.90.4 吡啶0.20.50.5 氟利昂0.20.20.2 水0.00.00.0

3.3 水汽、氣體阻隔性能

Parylene系列膜表面呈疏水性，對水汽和氣體的滲透率很低。表3為N型、C型、D型Parylene膜和其他常用有機膜透濕、透氣性能的比較。可以看出，在水汽、氣體阻隔性能方面，Parylene系列膜比其他任何涂層都要好；與N型、D型相比，C型的防潮性能更好。Parylene系列膜對H2O、O2、N2、CO2等氣體滲透率極低，因此被廣泛應用于電子元器件、固體顆粒材料、圖書文物等的防潮包覆，經Parylene系列膜防護的電子電路組件甚至可以在海水中連續工作。

表3 N型、C型、D型Parylene膜及其他涂層的氣體和水汽的滲透性能

性能PPXNPPXCPPXD環氧樹脂ER有機硅樹SR聚氨脂UR 吸水率/（%），24 h＜0.1＜0.1＜0.10.08～0.150.120.02～4.50 水汽滲透率37℃，90%RH/ 10-20（m3×m）/（m2×s×Pa）8.391.181.3910.01～13.3124.59～55.5213.42～48.64 氣體滲透率/10-15m3×m/（m2×s×atm ）N23.54.520.518.2—364.5 O2177.732.8145.822.8～45.6228 000911.3 CO297.3835.059.036.51 370 00013 700 H22 460.6501.21 093.6501.2205 000—

4 Parylene系列膜在防潮保護中的應用

Parylene薄膜獨特的沉積聚合過程決定了其優良的力學性能、耐溶劑性和超強的水汽與氣體阻隔性能。這類聚合物能抵抗除芳烴外的所有溶劑的滲透，也很少受強氧化劑的影響，而且是很好的阻燃劑。此類薄膜在強酸（如硝酸）或強堿（如氫氧化鈉）溶液中長期浸泡，膜的外觀和強度均不起變化。早在20世紀70年代初，就被美國軍用標準認定為能用于電子電路的優質保護涂層材料，應用于電子和航空航天領域，之后陸續被應用于各類活性材料的防腐蝕、防潮解保護中，被應用于一些珍貴的文物、圖書的防潮、防霉、防鹽霧保護中。

4.1 在活性材料防護中的應用

在潮濕的環境中，材料會吸收貯存環境中的水汽而腐蝕、變質；特別是一些化學性質非常活潑的活性粉體顆粒及其制品（如四氫鋁鋰、金屬鈉及易爆物品）等吸收環境中的水汽，變質會嚴重影響活性材料制品的使用性能與貯存壽命。汪國慶等人研究指出，Parylene薄膜包覆的變色硅膠浸入水中的防潮變色時間可達150 d，防潮性能明顯優于傳統的環氧樹脂與聚氨酯。同樣地，達到微米級別厚度的薄膜被應用于活性顆粒及其制品防潮保護，制品表面防護后，其表面潮解、腐蝕速率將大大降低。

4.2 在文物、檔案防護中的應用

Parylene系列膜，特別是C型薄膜，其水汽滲透系數極低；涂覆得到的均勻致密薄膜厚度可調、無應力、無張力，適用于文物、檔案等珍貴材料的涂層防護。我國文物部門早在1993年起就開展了Parylene系列膜文物涂層保護研究。1995年上海博物館、南京博物館分別對古代的魚皮衣、清代金佛像進行Parylene涂層處理，使得其與空氣隔絕，不褪色、不變形，大大延長了其貯存壽命。

龔燕華[4]開展了紙張文物經過Parylene涂層防護后性能對比研究，結果表明，涂層防護后的檔案大大增強了物理特性，拉力和耐折力都有了增強。涂層防護后的拉力、耐折次數分別上升了49.80%、85.69%；防護后的檔案耐水性增強；對紙張酸化有阻隔作用；發生蟲害概率降低。陳曦等人[5]研究指出，經Parylene膜涂層防護的文物、檔案顯微照片可見，聚對二甲苯在真空下由小分子滲透到文物表面和間隙中聚合成高分子薄膜，它具有高度的滲透性和致密性，在0.1 μm后就能形成無針孔的致密覆蓋層，能從微觀上對文物的較深層結構進行加固保護。經Parylene膜加固強化后的戰國銅鏡碎片、龍南5 200年前陶盆內物與碳化稻谷的抗壓強度提高了3～19倍。原來需要浸水保存的5 200年前的碳化稻谷不再需要浸水，可永久干式保存。經Parylene防護后的紙張與灰陶吸水率明顯降低，加固后新聞紙強度明顯提高。

5 結束語

Parylene涂層開發應用近半個世紀以來，被廣泛地應用于各類活性材料及其制品，以及文物圖書檔案的防潮保護中，起到了非常關鍵而重要的作用。針對其防護材料的種類、防護處理工藝以及防護處理中的修復方法仍有待展開進一步深入的研究。

［1］石紅.Parylene真空涂覆新工藝研究［J］.航空精密制造技術，2006（01）：19-20.

［2］楊兵論.Parylene一種最優質的三防材料［J］.艦船電子工程，2008，28（02）：156-158.

［3］仝曉剛.Parylene高頻電路防護工藝研究進展［J］.電子工藝技術，2011，32（05）：272-276.

［4］龔燕華，錢唐根.派拉綸涂敷檔案的應用研究［J］.檔案學研究，2015（05）：94-97.

［5］陳曦，顧麗云，洪書寶.聚對二甲苯在檔案、圖書加固保護中的應用［J］.文物保護與考古科學，1998，10（01）：15-22.

2095－6835（2019）01－0142－02

TB383.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.01.142

陳艷平，男，高級工程師，從事聚合物制備與應用研究。

〔編輯：張思楠〕