一種使ptfe或fep表面同時(shí)具備超疏水及水下高反光性質(zhì)的方法
【專利摘要】一種使PTFE或FEP表面同時(shí)具備超疏水及水下高反光性質(zhì)的方法屬于激光加工領(lǐng)域。本方法利用1064nm皮秒激光微加工系統(tǒng)在PTFE、FEP表面加工出25μm縫寬的一維或二維溝槽陣列，使得其表面產(chǎn)生超疏水性，若將制備后的超疏水樣品完全浸入水中，超疏水表面會(huì)呈現(xiàn)金屬光澤高反光表面。本發(fā)明操作步驟如下：調(diào)節(jié)皮秒激光光路；利用專業(yè)軟件繪制出加工路徑；根據(jù)加工要求調(diào)整皮秒激光輸出功率；當(dāng)激光功率滿足要求后，輸出皮秒脈沖激光進(jìn)行加工；加工完成后，無(wú)需后續(xù)清洗即可達(dá)到超疏水要求，制成品浸入水中可直接出現(xiàn)類金屬高反光表面。
【專利說(shuō)明】—種使PTFE或FEP表面同時(shí)具備超疏水及水下高反光性質(zhì)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用1064nm皮秒激光加工系統(tǒng)通過(guò)對(duì)PTFE、FEP材料表面進(jìn)行微加工，得到超疏水性及水下高反光表面的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超疏水材料具有的自清潔、抗結(jié)冰、抗凝血等特性，使得其在國(guó)防、工業(yè)、醫(yī)藥及日常生活中都有著重要作用。根據(jù)浸潤(rùn)性模型可知，獲得超疏水表面的前提是降低固體表面自由能和增加固體表面粗糙度。而聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯樹脂本身氟-碳鏈分子間作用力極低，具有極低的表面自由能，且其表面自由能遠(yuǎn)小于水。因而若能在PTFE、FEP表面加工出符合浸潤(rùn)模型的微觀形貌便可以令其具備超疏水性質(zhì)。但PTFE、FEP本身具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性，這使得如何在該兩種材料表面制造微結(jié)構(gòu)成為亟待解決的難題。近期也出現(xiàn)了許多關(guān)于解決這方面難題的研究，Jilin Zhang等在《Macromo1.RapidCommun.))2004, 25，1105 - 1108上發(fā)表了對(duì)結(jié)晶度在95%左右的PTFE膠帶進(jìn)行拉伸，隨著拉伸強(qiáng)度的增加，PTFE表面逐漸由于晶區(qū)分離而產(chǎn)生膨松微結(jié)構(gòu)，接觸角最高可達(dá)165°，實(shí)現(xiàn)超疏水改性。該方法雖然比較簡(jiǎn)單，但在加工過(guò)程中需對(duì)整體材料進(jìn)行拉伸，對(duì)整體性能及外形有一定影響。H.Y.Kwong 等人在《Applied Surface Science》2007, 253,8841 - 8845上報(bào)道利用準(zhǔn)分子激光PLD技術(shù)在248nm波長(zhǎng)，lj/cm2激光能量下，制備出了擁有納米級(jí)粗糙度的PTFE膜，接觸角高達(dá)170°，滑動(dòng)角小于2°，具有優(yōu)良的超疏水性能。利用PLD獲得的超疏水PTFE薄膜雖然性能優(yōu)異，但PLD制備薄膜需要高真空實(shí)驗(yàn)條件，而且制備周期較長(zhǎng)，薄膜面積較小，不利于工業(yè)生產(chǎn)。黃宗明等人在《功能材料》2010，12 (41) =2163-2165上報(bào)道利用飛秒激光刻蝕PTFE表面，并使其表面產(chǎn)生非常明顯的膨化結(jié)構(gòu)，使得其具備了超疏水性能。但通過(guò)該方法制備出的超疏水表面經(jīng)過(guò)激光刻蝕后，表面功能的穩(wěn)定性有所下降。綜上所述，通過(guò)在PTFE、FEP表面制造微觀形貌獲得超疏水表面特氟龍的方法還有許多不足，因而找到一種操作簡(jiǎn)單，適于生產(chǎn)而且超疏水穩(wěn)定性較高的加工方法勢(shì)在必行。
[0003]水下高反光材料是指，經(jīng)過(guò)超疏水微結(jié)構(gòu)加工后的PTFE、FEP材料在空氣中對(duì)可見光只有漫反射，而將其浸入水中后材料表面呈現(xiàn)出類似金屬光澤的鏡面反射現(xiàn)象。產(chǎn)生這種水下高反光現(xiàn)象的原因主要是由于超疏水表面在完全浸入水下后，水與固體界面間還混有一層空氣介質(zhì)，使得可見光從光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)傳導(dǎo)滿足全反射條件，從而出現(xiàn)由超疏水引起的水下高反光現(xiàn)象。而對(duì)于水下高反光材料的研究還未見有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種高效制備超疏水及水下高反光表面PTFE、FEP的方法。本方法利用先進(jìn)的1064nm皮秒激光加工系統(tǒng)，在聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯樹脂表面快速加工出一維、二維微溝槽陣列，通過(guò)增加表面粗糙度實(shí)現(xiàn)超疏水性。并且制備出的超疏水表面在水下呈現(xiàn)出高反光金屬光澤，具備水下高反光性。
[0005]本發(fā)明制備超疏水及水下高反光表面PTFE、FEP的裝置包括計(jì)算機(jī)、皮秒激光器、激光振鏡、工作臺(tái)，材料為聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯樹脂。
[0006]具體操作步驟如下:
[0007]1.一種使PTFE或FEP表面同時(shí)具備超疏水及水下高反光性質(zhì)的方法，其特征在于:
[0008](I)選用厚度0.5 -1OOmm的聚四氟乙烯PTFE或氟化乙烯丙烯FEP樹脂片材，固定于工作臺(tái)上；調(diào)節(jié)工作臺(tái)高度，使得樣品表面處于皮秒激光焦點(diǎn)位置；
[0009](2)利用AUTO CAD及激光振鏡運(yùn)行軟件確定激光掃描路徑，設(shè)定加工區(qū)域大小、微溝槽長(zhǎng)度、兩縫中心的間隔寬度、掃描速度與單溝槽掃描次數(shù)；微溝槽長(zhǎng)度I?2cm，兩縫中心間隔寬度25?50微米，掃描速度100?200mm/s，單溝槽掃描次數(shù)為10次；
[0010](3)調(diào)節(jié)皮秒激光器參數(shù)，令其輸出波長(zhǎng)為1064nm、輸出平均功率為10?12W ;單脈沖能量100 μ J，重復(fù)頻率IOOKHz。
[0011]皮秒激光器輸出光能夠到達(dá)所設(shè)輸出功率后，開始輸出激光加工。
[0012]幾分鐘后便可得到數(shù)平方厘米的超疏水表面PTFE、FEP，將其直接浸入水中可觀察到明顯金屬光澤高反光表面。
[0013]本發(fā)明的特點(diǎn)是:
[0014](I)利用本發(fā)明方法對(duì)PTFE、FEP表面進(jìn)行加工，不會(huì)對(duì)加工對(duì)象本身內(nèi)部性質(zhì)造成影響。而且超疏水區(qū)域大小、形狀可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求隨意變化。
[0015](2)皮秒激光加工系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、加工速度快、且在空氣條件下即可以完成加工。加工后不用清洗就具備超疏水性
[0016](3)本發(fā)明制備出的超疏水表面PTFE、FEP最大靜態(tài)接觸角達(dá)167°，且表面性質(zhì)穩(wěn)定性較好。
[0017](4)皮秒加工后的超疏水PTFE、FEP表面，在水中具有高反光特性，這種具備雙表面特性的材料具有更多應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1本發(fā)明皮秒激光加工系統(tǒng)示意圖
[0019]圖中:1，振鏡系統(tǒng)，2，激光光束，3，工作臺(tái)，4，反射鏡，5，皮秒激光器，6，計(jì)算機(jī)
[0020]圖2皮秒激光加工PTFE表面二維微溝槽激光共聚焦顯微鏡圖
[0021]圖3皮秒激光加工FEP表面一維微溝槽激光共聚焦顯微鏡圖
【具體實(shí)施方式】
[0022]實(shí)例I
[0023]本實(shí)例采用Edgewave?三波段皮秒激光器(1.064μ m/532nm/355nm)作為加工光源。其主要技術(shù)參數(shù)如下:波長(zhǎng)輸出:1.064ym/532nm/355nm;紅光輸出時(shí):最大脈沖重復(fù)頻率:2MHz ;最大脈沖能量:80μ J ;脈寬IOps ;光束質(zhì)量M2=L 3 ;脈沖能量穩(wěn)定性2%rms。皮秒激光加工系統(tǒng)如圖1所示。加工后的材料表面微結(jié)構(gòu)通過(guò)激光共聚焦顯微鏡(OlympusLEXT 0LS3000 )表征、加工后樣品的表面超疏水性由接觸角測(cè)量?jī)x(0CA20 )進(jìn)行測(cè)定。使用的材料是英國(guó)goodfellow?公司生產(chǎn)的0.5mm厚聚四氟乙烯(PTFE)片材。
[0024]具體操作步驟如下:調(diào)整光路，使得指示光通過(guò)振鏡后經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡，投射到工作臺(tái)上。將聚四氟乙烯片材固定于工作臺(tái)上，調(diào)節(jié)工作臺(tái)高度使得待加工表面處于激光焦點(diǎn)。通過(guò)控制振鏡軟件，設(shè)定掃描直線長(zhǎng)度1cm、直線間間隔50 μ m、掃描速度100mm/s、每條直線掃描10次，并在掃描完成后從原點(diǎn)與原方向旋轉(zhuǎn)90°再進(jìn)行一次掃描。調(diào)節(jié)激光器參數(shù)，令輸出功率為10W、輸出波長(zhǎng)為1064nm，單脈沖能量100μ J，重復(fù)頻率ΙΟΟΚΗζ，等待激光能量符合要求后，輸出激光加工。加工后的聚四氟乙烯表面出現(xiàn)IX Icm2超疏水表面，通過(guò)激光共聚焦顯微鏡如圖2所示，可以觀察到2維微溝槽網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，縫寬25 μ m、兩縫中心間隔50 μ m、縫深75微米。將其浸入水中可以觀察到超疏水區(qū)域呈現(xiàn)出金屬光澤，具備水下高反射性。通過(guò)本實(shí)例可以快速制備出超疏水及水下高反射表面聚四氟乙烯。
[0025]實(shí)例2
[0026]本實(shí)例采用Edgewave?皮秒激光器作為加工光源。1064nm波長(zhǎng)輸出時(shí):最大脈沖重復(fù)頻率:2MHz ;最大脈沖能量:80μ J ;脈寬IOps ;光束質(zhì)量M2=L 3 ;脈沖能量穩(wěn)定性2%rmSo皮秒激光加工系統(tǒng)如圖1所示。加工后的材料表面微結(jié)構(gòu)通過(guò)激光共聚焦顯微鏡(Olympus LEXT 0LS3000)表征、加工后樣品的表面超疏水性由接觸角測(cè)量?jī)x(0CA20)進(jìn)行測(cè)定。使用的材料是英國(guó)goodfellow?公司生產(chǎn)的0.5mm厚氟化乙烯丙烯樹脂(FEP)片材。
[0027]具體操作步驟如下:調(diào)整光路，使得指示光通過(guò)振鏡后經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡，投射到工作臺(tái)上。將氟化乙烯丙烯樹脂片材固定于工作臺(tái)上，調(diào)節(jié)工作臺(tái)高度使得待加工表面處于激光焦點(diǎn)。通過(guò)控制振鏡軟件，設(shè)定掃描直線長(zhǎng)度1cm、直線間間隔50μπι、掃描速度200mm/s、每條直線掃描10次。調(diào)節(jié)激光器參數(shù)，令輸出功率為10W、輸出波長(zhǎng)為1064nm，單脈沖能量100 μ J，重復(fù)頻率ΙΟΟΚΗζ，等待激光能量符合要求后，輸出激光加工。加工后的FEP表面出現(xiàn)IXlcm2超疏水表面，通過(guò)激光共聚焦顯微鏡如圖3所示，可以觀察到I維微溝槽結(jié)構(gòu)，縫寬25 μ m、兩縫中心間隔50 μ m、縫深75微米。將其浸入水中可以觀察到超疏水區(qū)域呈現(xiàn)出金屬光澤，具備水下高反射性。通過(guò)本實(shí)例可以快速制備出超疏水及水下高反射表面氟化乙烯丙烯樹脂。
【權(quán)利要求】
1.一種使PTFE或FEP表面同時(shí)具備超疏水及水下高反光性質(zhì)的方法，其特征在于: (1)選用厚度0.5 -1OOmm的聚四氟乙烯PTFE或氟化乙烯丙烯FEP樹脂片材，固定于工作臺(tái)上；調(diào)節(jié)工作臺(tái)高度，使得樣品表面處于皮秒激光焦點(diǎn)位置； (2)利用AUTOCAD及激光振鏡運(yùn)行軟件確定激光掃描路徑，設(shè)定加工區(qū)域大小、微溝槽長(zhǎng)度、兩縫中心的間隔寬度、掃描速度與單溝槽掃描次數(shù)；微溝槽長(zhǎng)度I?2cm，兩縫中心間隔寬度25?50微米，掃描速度100?200mm/s，單溝槽掃描次數(shù)為10次； (3)調(diào)節(jié)皮秒激光器參數(shù)，令其輸出波長(zhǎng)為1064nm、輸出平均功率為10?12W;單脈沖能量100 μ J，重復(fù)頻率IOOKHz。
【文檔編號(hào)】B23K26/36GK103551734SQ201310518304
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月28日
【發(fā)明者】蔣毅堅(jiān), 曹文深, 趙艷, 吳燕 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)