一种聚醚醚酮材料用化学机械抛光液的制作方法

1.本发明涉及一种聚醚醚酮材料用化学机械抛光液。


背景技术：

2.聚醚醚酮(peek)是在主链结构中含有一个酮键和两个醚键的重复单元所构成的特种高分子材料。具有耐高温、耐化学药品腐蚀等物理化学性能。在航空航天领域、医疗器械领域(作为人工骨修复骨缺损)和工业领域有大量的应用。由于其优良的耐受性能，peek被视为战略性国防科技材料，对于peek的研究一直被列入七五-十一五国家重点科技攻关项目和“863计划”。peek优异的生物相容性使其在医疗器械尤其是人体骨骼修复领域也展现出了诱人的应用前景。通过选择性激光烧结技术可以打印出与病人身体特征需求完全一致的替代骨骼，尺寸精密度及形状匹配度都远远超过以往合金骨骼的匹配度。无论是用作航空航天领域材料还是作为人体骨骼，都对成型后的表面状态有极高的要求。然而，peek成型后的表面粗糙度基本无法达到这些高端领域的要求，因此本文提出了一种用于聚醚醚酮材料的化学机械抛光液，抛光后表面粗糙度小于10nm。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明提供一种专门应用于peek材料表面修复的化学机械抛光液。
4.本发明实现上述目的的技术方案是：
5.一种peek材料用化学机械抛光液，其特征在于：所述抛光液的各组分的重量百分比是：
6.二氧化硅磨料5-15％；2-10％缓冲剂；0.01-0.1％表面活性剂；0.01-0.1％抑制剂；余量水；
7.所述缓冲剂为有机酸和相应的有机酸盐；体系ph值为2-5；
8.所述抑制剂为分子量在100-700之间亚胺类长链有机化合物。
9.所述有机酸及有机酸盐能够形成缓冲对，保证胶体持久稳定性，并为体系提供酸性环境，可以为磺酸基有机酸和有机酸盐、磷酸基有机酸和有机酸盐、羧酸基有机酸和有机酸盐，磺酸基有机酸为甲烷磺酸、苯磺酸、甲苯磺酸、3-吡啶磺酸等中的至少一种，磷酸基有机酸为苯基膦酸等，羧酸基有机酸为吡啶甲酸、苯甲酸、乙酸、丙二酸、戊二酸、草酸中的至少一种。
10.所述表面活性剂为阳离子表面活性剂，如四丁基铵、四戊基铵、四丁基膦、三丁基甲基磷、三丁基膦、苄基三丁基胺及其组合，用于将去除掉的聚醚醚酮材料包裹并随抛光液流入排放口，同时在聚醚醚酮材料表面形成一层保护膜，使表面不至于因磨削作用导致划伤。表面活性剂浓度过低，对表面的润滑效果差，无法及时带走从peek表面磨削掉的物质，会导致表面产生划伤。表面活性剂浓度过高，抛光过程中会产生泡沫，严重影响了后续清洗，会导致有残留物粘附在peek材料表面。
11.所述亚胺类长链有机化合物为聚乙烯亚胺、聚丙烯亚胺、聚丁烯亚胺、聚戊烯亚胺、聚酰亚胺及其组合，分子量优选为100-600，需要吸附后对吸附位置附近的凹陷进行填充，分子量太小不能起到填充作用，分子量太大不能填充凹陷，会挡住表面凹陷区域，进而影响整体的平整度，通过合适大小的抑制剂吸附在聚醚醚酮材料表面，能够抑制低洼处抛光速率，降低表面粗糙度。抑制剂浓度过低，会导致抛光液表面修复能力差，无法达到预期的抛光效果，抑制剂浓度过高，会导致抛光速率过慢，影响抛光效率。
12.抛光过程中，peek表面在有机酸及有机酸盐的化学作用下形成一层易被去除的软化层，当有机酸浓度降低时，有机酸盐解离，进行补充，使体系ph值持久稳定；通过sio2磨料在抛光头和抛光盘的机械转动和压力作用下将表面软化层去除；去除掉的部分被表面活性剂包裹并随抛光液的流动离开peek材料表面。
13.所述抑制剂的作用：peek主链结构中主要包括酮键和醚键,其中酮基中的碳氧双键是由一个σ键和一个π键所组成。在碳氧双键中，碳是第四族元素，不易形成碳正离子和碳负离子。然而，氧原子却具有较大容纳负电荷的能力，它可以形成比较稳定的氧负离子。所以碳氧双键中带部分正电荷的碳与带部分负电荷的氧相比，前者要活泼得多。因此碳氧双键容易与带有负电荷或带有未共用电子对的基团或分子结合。亚胺是分子中含有碳－氮双键的化合物，通式为r2c＝nr
′
。亚胺类长链有机物，以聚乙烯亚胺为例，分子中存在大量带负电的胺基能够吸附在peek分子表面，peek材料表层的部分在磨料的机械作用下从peek表面剥离，使表层的peek材料能够与抛光液中的其他组分发生化学反应。而低洼处的分子无法与磨料进行机械磨削作用，抑制剂吸附在peek表面保护低洼处的材料不被化学腐蚀，并填充低洼处而非挡在低洼的外面，进而降低peek材料的表面粗糙度。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
15.本发明在酸性体系下通过加入合适分子量的抑制剂保护材料表面上低洼的部分，达到修复表面，降低表面粗糙度的效果。
16.本发明中磨料浓度过高，会导致抛光液不稳定，浓度过低，去除速率过低，无法达到平坦化要求；体系ph过低，会导致抛光速率过快，去除量大，但表面修复能力差，ph过高，会使硅溶胶不稳定，产生凝胶；不需要加入氧化剂，通过缓冲剂、抑制剂、磨料及表面活性剂利用化学和机械两种方法的协同作用，对peek表面进行抛光，使得peek的表面粗糙度较低，抛光后表面粗糙度小于10nm，进而达到达到航空航天、人体骨骼缺损修复等高端领域的要求。
具体实施方式
17.下面结合实施例进一步解释本发明，但并不以此作为对本技术保护范围的限定。
18.下述实施例中对应的实验抛光条件为：上下抛头转速：97/101rpm；抛光组合物流速：150ml/min；抛光压力：3.5psi。
19.本发明一种peek材料用化学机械抛光液，其特征在于：所述抛光液的各组分的重量百分比是：二氧化硅磨料5-15％；2-10％缓冲剂；0.01-0.1％表面活性剂；0.01-0.1％抑制剂；余量水；
20.所述缓冲剂为有机酸和相应的有机酸盐；体系ph值为2-5；
21.所述抑制剂为分子量在100-700之间亚胺类长链有机化合物。
22.上述抛光液的制备过程是：
23.首先将缓冲剂加水溶解为20wt％的溶液，表面活性剂、抑制剂分别加水溶解为1wt％的溶液。溶解的整个制备过程持续搅拌，搅拌转速不低于300r/min。
24.向容器内加入按照配比剩余的余量的水，再加入二氧化硅磨料，搅拌5min；之后迅速向容器内加入配制的含缓冲剂的溶液，相同转速下搅拌10min，使缓冲剂与体系充分混合；将配制好的含表面活性剂的溶液以不低于2min的速率缓慢加入到容器中，搅拌5min；将配制好的含抑制剂的溶液以不低于2min的速率缓慢加入到容器中，搅拌10min，使得体系ph值在2-5范围内，保证体系稳定。
25.将以上配制好的液体经过3um滤芯；0.5um滤芯；0.5um滤芯三重过滤后即可获得peek材料用化学机械抛光液。
26.聚醚醚酮的分子式为
[0027][0028]
，聚乙烯亚胺分子式为：
[0029][0030]
实施例1
[0031]
本实施例peek材料用化学机械抛光液的成分及重量百分比如下：
[0032]
二氧化硅磨料:10％；缓冲剂：2％；表面活性剂：0.01％；聚乙烯亚胺(分子量：600)：0.01％；余量为水。
[0033]
所述缓冲剂为苯甲酸和苯甲酸钠，体系ph值为2-5；
[0034]
所述表面活性剂为四丁基铵、四丁基膦、三丁基甲基磷、三丁基膦中的任意一种；
[0035]
peek材料去除速率：2.66μm/min；表面粗糙度：8.43nm。
[0036]
实施例2
[0037]
本实施例peek材料用化学机械抛光液的成分及重量百分比如下：
[0038]
二氧化硅磨料:15％；缓冲剂：5％；表面活性剂：0.01％；聚酰亚胺(分子量：100)：0.05％；余量为水。
[0039]
所述缓冲剂为苯磺酸和苯磺酸钠，体系ph值为2-5；
[0040]
所述表面活性剂为四丁基铵、四丁基膦、三丁基甲基磷、三丁基膦中的任意一种；；
[0041]
peek材料去除速率：2.73μm/min；表面粗糙度：7.94nm。
[0042]
实施例3
[0043]
本实施例peek材料用化学机械抛光液的成分及重量百分比如下：
[0044]
二氧化硅磨料:5％；缓冲剂：10％；表面活性剂：0.1％；聚丙烯亚胺 聚酰亚胺(分子量：300)：0.1％；余量为水。
[0045]
所述缓冲剂和表面活性剂与实施例2相同。
[0046]
peek材料去除速率：2.47μm/min；表面粗糙度：5.49nm。
[0047]
实施例4
[0048]
本实施例peek材料用化学机械抛光液的成分及重量百分比如下：
[0049]
二氧化硅磨料:8％；缓冲剂：5％；表面活性剂：0.05％；聚乙烯亚胺(分子量：350)：0.05％；余量为水。
[0050]
所述缓冲剂为苯基膦酸和苯基膦酸钠，体系ph值为2-5；
[0051]
所述表面活性剂为四丁基铵、四丁基膦的混合物。
[0052]
peek材料去除速率：2.61μm/min；表面粗糙度：6.27nm。
[0053]
实施例5
[0054]
本实施例peek材料用化学机械抛光液的成分及重量百分比如下：
[0055]
二氧化硅磨料:10％；缓冲剂：5％；表面活性剂：0.03％；聚乙烯亚胺(分子量：500)：0.02％；余量为水。
[0056]
peek材料去除速率：2.75μm/min；表面粗糙度：7.64nm。
[0057]
上述实施例中聚丙烯亚胺、聚酰亚胺、聚乙烯亚胺的分子量在100-600范围内，均具有较好的抛光效果。
[0058]
实施例6
[0059]
本peek材料用化学机械抛光液的成分及重量百分比如下：
[0060]
二氧化硅磨料:10％；缓冲剂：5％；表面活性剂：0.03％；聚乙烯亚胺(分子量800)：0.02％；余量为水。
[0061]
peek材料去除速率：2.82μm/min；表面粗糙度：19.3nm。
[0062]
本发明未述及之处适用于现有技术。