專利名稱：：制備具有超疏水性表面聚偏氟乙烯的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明是一種制備具有超疏水性表面聚偏氟乙烯的裝置及方法，本方法通過KrF準(zhǔn)分子激光輻照聚偏氟乙烯(PVDF)材料，使其表面具有超疏水性。
背景技術(shù)：
：自從自然界中的荷葉效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，材料的疏水性研究一直是各個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其中以表面的超疏水性最為關(guān)注。超疏水表面由于具有自清潔、防水、防霧、抗氧化及無(wú)污染等特性在國(guó)防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和人類日常生活中有著廣泛的應(yīng)用背景。大量研究成果表明，提高材料表面粗糙度和減低表面能是制備超疏水性表面的兩個(gè)主要途徑。目前，用于制備超疏水性表面的高分子材料的方法有很多，如H.Y.Kwong等在《AppliedSurfaceScience》2007，253，8841-8845上報(bào)道了利用脈沖激光輻照沉積(PLD)的方法在聚四氟乙烯(PTFE)上制備了超疏水性表面，與水的最大靜態(tài)接觸角為170°;HarryR.Allcock在《CurrentOpinioninSolidState&MaterialsScience》2006，10，231-240上報(bào)道了利用CH4，CF4，02，N2的等離子體技術(shù)制備超疏水性聚合物薄膜，其接觸角達(dá)155°;JianLi等人在《AppliedSurfaceScience》2006，252，2229-2234上報(bào)道利用膠體組裝的方法制備疏水性聚偏氟乙烯(PVDF)，其疏水能力在106°153°之間；MeihuaJin等在《MacromolecularRapidCo腦unications》2005,26，1805-1809上報(bào)道了利用Nd:YAG激光刻蝕聚二甲硅氧烷(PDMS)在其表面構(gòu)造超疏水性表面，其接觸角達(dá)160。；LuXY，ZhangCC等人在《Macromo1.Rapid.Co腿un.〉〉2004，25，1606上報(bào)道通過控制聚乙稀(PE)的結(jié)晶化行為使其表面疏水性達(dá)173°。除了以上提到方法，還包括機(jī)械拉伸、溶液鑄造、電鍍、物理沉積和物理吸附等等方法制備超疏水性功能材料。但是，這些方法普遍存在制備工藝過程復(fù)雜，制備時(shí)間長(zhǎng)，超疏水穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種制備具有超疏水性表面聚偏氟乙烯的裝置及方法，針對(duì)高分子材料，本發(fā)明采用先進(jìn)的KrF準(zhǔn)分子激光輻照技術(shù)，以氟塑料中的"貴金屬"-聚偏氟乙烯為基體，在其表面直接構(gòu)造具有低表面能的粗糙微細(xì)結(jié)構(gòu)，迅速達(dá)到超疏水性。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案。制備具有超疏水性表面聚偏氟乙烯的裝置包括沿光的傳播方向依次設(shè)置的激光器、透鏡陣列、第一會(huì)聚透鏡、第二會(huì)聚透鏡、反射鏡和用于放置樣品的工作臺(tái)。使用上述裝置制備具有超疏水性表面的聚偏氟乙烯的方法如下1)將熱敏紙置于工作臺(tái)上，調(diào)節(jié)激光器的激光脈沖重復(fù)頻率和工作臺(tái)的位置，使在熱敏紙上獲得光斑，并記錄此時(shí)工作臺(tái)所在的位置O;2)取下熱敏紙，計(jì)算光斑的大?。蝗缓笸ㄟ^功率計(jì)測(cè)得工作臺(tái)所在位置O處的激光平均輸出能量，用激光平均輸出能量除以熱敏紙上的光斑大小，得到工作臺(tái)所在位置0處的激光能量密度，使其能量密度在300mj/cm2到900mj/cm、3)選取厚度大于或等于0.5mm的聚偏氟乙烯(PVDF)材料薄膜為樣品材料，并進(jìn)行清洗；4)將清洗后的PVDF薄膜放置于工作臺(tái)上熱敏紙所在的位置，使PVDF薄膜表面與激光傳播方向垂直，對(duì)其表面進(jìn)行激光輻照。激光能量密度越大，達(dá)到超疏水表面所需要的激光脈沖個(gè)數(shù)越少，激光脈沖個(gè)數(shù)至少為5個(gè)。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1)操作過程簡(jiǎn)單、制備速度快采用KrF準(zhǔn)分子激光輻照方法直接一次性完成超疏水性聚偏氟乙烯的制備；2)使用本發(fā)明中的方法制備出的具有超疏水性表面的聚偏氟乙烯，性能穩(wěn)定，與水的靜態(tài)接觸角最高達(dá)160.6。；3)可控性強(qiáng)激光能量、脈沖個(gè)數(shù)、光斑直徑、掃描速度等工藝參數(shù)均獨(dú)立控制，因而控制了超疏水性材料的制備速度；4)該方法可以對(duì)大多數(shù)氟塑料的超疏水性起到指導(dǎo)作用。圖1本發(fā)明準(zhǔn)分子激光輻照裝置示意圖圖中1、KrF準(zhǔn)分子激光器，2、透鏡陣列，3、第一會(huì)聚物鏡，4、第二會(huì)聚透鏡，5、反射鏡，6、工作臺(tái)，7、激光光束，8、光斑，9、樣品。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明如圖1所示，本實(shí)施例中的制備具有超疏水性表面聚偏氟乙烯的裝置主要包括沿光的傳播方向依次放置的激光器l、透鏡陣列2、第一會(huì)聚透鏡3、第二會(huì)聚透鏡4、反射鏡5和工作臺(tái)6。激光束7依次通過上述光路系統(tǒng)裝置后，會(huì)聚到樣品9表面上。本實(shí)施例采用的是德國(guó)LambdaPhysik公司制造的LPX305iF型準(zhǔn)分子激光器。主要性能指標(biāo)如下激發(fā)光波長(zhǎng)為248nm，脈寬為20ns,最大脈沖能量為1.2J/Pluse，平均輸出功率為60W，重復(fù)頻率為150Hz，輸出能量為200600mJ。材料表面的能量密度主要通過激光輸出能量和光斑大小進(jìn)行控制。本發(fā)明中激光輻照方法制備超疏水性表面的聚偏氟乙烯(PVDF)具體按以下步驟進(jìn)行1)將熱敏紙置于工作臺(tái)上，調(diào)節(jié)激光器的激光參數(shù)為lHz,脈沖個(gè)數(shù)為1個(gè)，在熱敏紙上獲得光斑并記錄此時(shí)工作臺(tái)4所在位置坐標(biāo)0(x，y及z);2)取下熱敏紙，計(jì)算光斑的大?。煌ㄟ^功率計(jì)獲得工作臺(tái)4所在位置0處的激光平均輸出能量，用激光平均輸出能量除以熱敏紙上的光斑大小，即為材料表面處所獲得的激光能量密度；激光能量密度的取值范圍一般為300mj/cm2900mJ/W;3)重復(fù)步驟l)和步驟2)，協(xié)調(diào)光斑大小及材料表面激光能量，以獲得最佳材料表面的激光能量密度；確定激光束光斑大小及激光器輸出能量，完成材料表面能量密度的計(jì)算；4)選取厚度為0.5mm的PVDF薄膜為樣品材料，隨后，采用超聲波對(duì)其進(jìn)行清洗；5)將超聲波清洗后的PVDF薄膜置于工作臺(tái)6上熱敏紙所在的位置，并將工作臺(tái)6置于位置0處，使PVDF薄膜的表面與激光傳播方向垂直，進(jìn)行樣品輻照操作。當(dāng)樣品9的面積小于等于光斑8時(shí)，用一次輻照即可以完成；當(dāng)樣品9的面積大于光斑8時(shí)，可以通過移動(dòng)工作臺(tái)的位置，進(jìn)行多次輻照，達(dá)到對(duì)樣品9的整個(gè)表面的改性。下面結(jié)合具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)本實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明本實(shí)施例所處的工作氣氛屬于空氣環(huán)境，選取的PVDF薄膜樣品厚度為0.5mm;輻照后的材料表面的疏水性通過OCA視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x(德國(guó))進(jìn)行測(cè)定；材料表面微觀形貌通過掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀察；表面粗糙度由三維表面結(jié)構(gòu)測(cè)量?jī)x測(cè)定。首先，通過He-Ne激光進(jìn)行準(zhǔn)直，調(diào)整光路，使其具有完整光斑形狀；然后，通過調(diào)節(jié)激光光斑大小、輸出能量及激光重復(fù)頻率，控制材料表面能量流密度；最后，將PVDF薄膜樣品固定在工作臺(tái)上。以上步驟完成后，開啟激光，對(duì)材料進(jìn)行輻照，完成設(shè)置的總脈沖個(gè)數(shù)后，激光器自動(dòng)停止輻照，試驗(yàn)完成。下面以具體實(shí)例l、2進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明實(shí)施例1氦氖激光準(zhǔn)直后，將熱敏紙置于工作臺(tái)上，調(diào)節(jié)工作臺(tái)、會(huì)聚透鏡位置后，測(cè)量光斑的面積為0.6X0.6=0.36cm2，并記錄此時(shí)工作臺(tái)位置坐標(biāo)0。設(shè)置激光輸出能量為200mJ，通過功率計(jì)測(cè)量位置O處能量，獲得能量平均值為125mJ，則激光能量密度為347mj/cm2。將略小于光斑面積的PVDF薄膜樣品置于位置坐標(biāo)O處。設(shè)置激光脈沖頻率為lHz。設(shè)置不同脈沖個(gè)數(shù)下開啟激光進(jìn)行輻照，脈沖個(gè)數(shù)分別是l、2、3、4、5、10、15、20、30、40，分別對(duì)應(yīng)211號(hào)樣品。對(duì)改性后的10個(gè)樣品通過0CA視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x(德國(guó))進(jìn)行測(cè)定。激光脈沖個(gè)數(shù)的增多，材料表面粗糙度明顯增大；當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)為30個(gè)時(shí)，材料表面與水的靜態(tài)接觸角為153.2°，材料表面達(dá)超疏水性；該制備條件下，材料表面的獲得的最大靜態(tài)接觸角為157.8°，此時(shí)激光脈沖個(gè)數(shù)為40個(gè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表l，從表l可以看出，當(dāng)能量密度為347mj/cm2時(shí)，僅需要30秒就可以完成超疏水性表面的制備。實(shí)施例2氦氖激光準(zhǔn)直后，將熱敏紙置于工作臺(tái)上，調(diào)節(jié)工作臺(tái)、會(huì)聚透鏡位置后，測(cè)量光斑的面積為0.6X0.6=0.36cm2，并記錄此時(shí)工作臺(tái)位置坐標(biāo)0，與實(shí)例1中采用相同的光斑面積。設(shè)置激光輸出能量為300mJ，通過功率計(jì)測(cè)量位置O處能量，獲得能量平均值為165mJ，則激光能量密度為458mJ/cm2。將略小于光斑面積的PVDF薄膜樣品置于位置坐標(biāo)O處。設(shè)置激光脈沖頻率為lHz。設(shè)置不同脈沖個(gè)數(shù)下開啟激光進(jìn)行輻照，脈沖個(gè)數(shù)分別是l、2、3、4、5、7、9、10，分別對(duì)應(yīng)29號(hào)樣品。對(duì)改性后的10個(gè)樣品通過0CA視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x(德國(guó))進(jìn)行測(cè)定。當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)僅為9個(gè)時(shí)，材料表面與水的靜態(tài)接觸角達(dá)155.2°，材料表面達(dá)超疏水性；該制備條件下，材料表面的獲得的最大靜態(tài)接觸角為160.6°，此時(shí)激光脈沖個(gè)數(shù)為10個(gè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2，從表2可以看出，當(dāng)能量密度為458mj/cm2時(shí)，僅需要9秒就可以完成超疏水性表面的制備。對(duì)于其它制備速度，可根據(jù)實(shí)施例1和2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行激光能量密度的調(diào)節(jié)，包括激光的光斑面積和激光器輸出能量，然后采用同樣的方式進(jìn)行實(shí)施。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光能量密度為300mJ/cni2時(shí)，最少需要35個(gè)脈沖個(gè)數(shù)可以完成超疏水性表面的制備，當(dāng)激光能量密度為900mJ/cn/時(shí)，最少需要5個(gè)脈沖個(gè)數(shù)可以完成超疏水性表面的制備。綜上所述，準(zhǔn)分子激光輻照方法一種快速、高效、全自動(dòng)制備超疏水性聚偏氟乙烯的有效途徑，制備的全過程在幾秒鐘到幾十秒之內(nèi)即可完成。同時(shí)，應(yīng)用本方法，可進(jìn)行大面積制備超疏水性聚偏氟乙烯功能材料，為其實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權(quán)利要求1、制備具有超疏水性表面聚偏氟乙烯的裝置，其特征在于包括沿光的傳播方向依次設(shè)置激光器(1)、透鏡陣列(2)、第一會(huì)聚透鏡(3)、第二會(huì)聚透鏡(4)、反射鏡(5)和用于放置樣品的工作臺(tái)(6)。2、使用權(quán)利要求1所述的裝置制備具有超疏水性表面聚偏氟乙烯的的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟1)將熱敏紙置于工作臺(tái)(6)上，調(diào)節(jié)激光器(1)的激光脈沖重復(fù)頻率和工作臺(tái)(6)的位置，使在熱敏紙上獲得光斑，并記錄此時(shí)工作臺(tái)所在的位置0;2)取下熱敏紙，計(jì)算光斑的大??；然后通過功率計(jì)測(cè)得工作臺(tái)所在位置0處的激光平均輸出能量，用激光平均輸出能量除以熱敏紙上的光斑大小，得到工作臺(tái)所在位置0處的激光能量密度；3)選取厚度大于或等于0.5mm的聚偏氟乙烯材料薄膜為樣品材料，并進(jìn)行清洗；4)設(shè)置激光脈沖個(gè)數(shù)，將清洗后的聚偏氟乙烯材料薄膜放置于工作臺(tái)(6)上熱敏紙所在的位置，使聚偏氟乙烯材料薄膜表面與激光束垂直，對(duì)其表面進(jìn)行激光輻照。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備具有超疏水性表面聚偏氟乙烯的的方法，其特征在于步驟2)所述的激光能量密度的取值范圍為300mJ/cm2900mJ/cm2。4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備具有超疏水性表面聚偏氟乙烯的的方法，其特征在于步驟4)所述的激光脈沖個(gè)數(shù)至少為5個(gè)。全文摘要本發(fā)明是一種制備具有超疏水性表面聚偏氟乙烯的裝置及方法，本方法通過KrF準(zhǔn)分子激光輻照聚偏氟乙烯(PVDF)材料，使其表面具有超疏水性。本發(fā)明的裝置包括沿光的傳播方向依次設(shè)置激光器、透鏡陣列、第一會(huì)聚透鏡、第二會(huì)聚透鏡、反射鏡和用于放置樣品的工作臺(tái)。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)光斑大小和激光器輸出能量，控制材料表面的能量密度，一站式完成材料表面的改性，最短幾秒內(nèi)使材料達(dá)超疏水性，并且性能比較穩(wěn)定，與水的靜態(tài)接觸角最高可以達(dá)到160.6°。文檔編號(hào)B23K26/00GK101502919SQ20091007949公開日2009年8月12日申請(qǐng)日期2009年3月13日優(yōu)先權(quán)日2009年3月13日發(fā)明者瑩劉,蔣毅堅(jiān)申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)