一步激光法制备接触角可调的超疏水表面材料的方法技术

本发明专利技术涉及一种一步激光法制备接触角可调的超疏水表面材料的方法，依次包括以下步骤：（1）将聚四氟乙烯基材切割好后依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中，分别超声清洗3-10min后于50-100℃下烘干；（2）设置CO2激光雕刻机的光斑直径为0.1-0.5mm，雕刻速度为20-40mm/s，频率为20-80KHZ，点雕刻时间为0.1ms-1ms，功率为20%-40%，雕刻次数为1-5次；（3）将处理好的聚四氟乙烯基材置于激光雕刻机的样品台，用激光操作软件控制激光器在聚四氟乙烯基材上加工点阵或线条矩阵图形，加工完成后即得具有不同接触角的表面的超疏水表面材料；本发明专利技术制备方法简单快速，成本低、环境友好，所制得的超疏水表面材料结构性能稳定，接触角可随工艺参数的变化而人为调整，适合工业化生产应用。

【技术实现步骤摘要】
一步激光法制备接触角可调的超疏水表面材料的方法
本专利技术属于固体表面超疏水性材料领域，具体涉及一种一步激光法制备接触角可调的超疏水表面材料的方法。
技术介绍
荷叶表面具有保持自身清洁的优异性能，这一自清洁性能被称为“荷叶效应”。这一自清洁效应的发现使其相关的基础研究和自清洁、防污染材料方面的应用成为热点。研究发现，荷叶的这一自清洁效应来源于其表面的超疏水性。超疏水表面材料在自清洁、抗污染、流体减阻等方面展示了优越的性质，其在基础研究和工业应用方面具有重要的研究、应用价值和技术意义，促使人们对超疏水表面材料进行了大量的理论和实验研究。超疏水表面材料的快速制备、降低成本及其材料表面的稳定性是其工业应用的关键。现在超疏水表面主要通过两步法来制备，即首先通过化学刻蚀、阳极氧化、电化学沉积、化学气相沉积、氧化-脱水等方法制备具有一定表面粗糙度的表面微纳结构；然后使用低表面能材料如氟硅烷、脂肪酸等物质进行表面修饰。尽管超疏水表面已经通过以上方法被制备出来，但以上方法也存在诸多局限性，如耗时长、制备程序繁琐、材料昂贵、使用的化学药品有毒等。Kong，Liu等人曾报道在铜和锌表面制得了超疏水表面(KongL.,ChenX.,YangG.,etal.ApplSurfSci,2008,22:7255-7258；LiuH.,SzuneritsS.,XuW.,etal.ACSAppl.Mater.Interfaces,2009,6:1150-1153)，Kong在铜片表面通过氢氧化钠和硝酸铜反应生成碱式硝酸铜晶体，再使用1H,1H,2H,2H-全氟辛基硅烷修饰片状的碱式硝酸铜使表面具有超疏水性，Liu将锌片在室温下浸泡在1H,1H,2H,2H-全氟辛基硅烷的甲醇溶液中，5天之后取出在130℃下进行加热1小时左右，制得了超疏水锌片。以上方法相对简单，但是存在局限性，如使用的1H,1H,2H,2H-全氟辛基硅烷价格昂贵，Liu的方法耗时较长等，还有其他的方法是通过化学反应制备微纳结构，使用氢氟酸、甲醇、有机溶剂、硝酸等进行反应，有一定的毒性、危险性，对环境也有一定程度的污染，均不利于工业生产。这就需要通过制备工艺的简化、优化，甚至制备方法的创新来解决以上问题，以使超疏水表面能快速制备、环境友好并具有优异的性能。超疏水表面的另一个关键问题是表面的稳定性问题。固体表面的粗糙结构对材料的超疏水性能非常重要，但超疏水表面上制得的微纳粗糙结构一般比较脆弱，容易在使用过程中受冲击、摩擦等机械作用或因加工受机械作用而遭到破坏。此外，目前制备超疏水表面材料的方法中还没有使用CO2激光方法实现人为控制接触角的大小，而接触角大小决定了超疏水表面材料的适合的应用领域。因此，寻找一种简单快速、成本低、环境友好且适合工业生产应用的制备超疏水表面材料的方法，来制备具有较好稳定性且能够人为控制接触角大小的微纳粗糙结构的超疏水表面，是实现超疏水表面材料工业生产及广泛应用的关键问题。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对目前超疏水表面材料的制备方法中存在制备程序繁琐，耗时长，材料昂贵，所使用的化学药品大部分具有毒性，且制得的超疏水表面材料稳定性不好，很容易在使用过程中遭到破坏及制备出的材料接触角不受人为因素控制等问题，提供一种一步激光法制备接触角可调的超疏水表面材料的方法。本专利技术的一步激光法制备接触角可调的超疏水表面材料的方法，依次包括如下步骤：(1)基底聚四氟乙烯片预处理将聚四氟乙烯基材按设计要求进行切割，依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中，使用超声波清洗机分别超声清洗3-10min，以除去基材表面的有机物、无机物等杂质，然后放入烘箱中，在50-100℃下烘干，准备进行激光加工；(2)设置CO2激光雕刻机的工艺参数使用波长为10.6μm的二氧化碳气体激光器，打开激光雕刻机，设置光斑直径为0.1-0.5mm，雕刻速度为20-40mm/s，频率为20-80KHZ，点雕刻时间为0.1ms-1ms，功率为20％-40％，雕刻次数为1-5次；(3)使用激光操作软件进行雕刻将步骤(1)中处理好的聚四氟乙烯基材置于激光雕刻机的样品台，设置激光操作软件的绘制图形为点阵或线条矩阵图形，调整基材位于红光激光区域，开启激光进行加工，加工完成后即得具有微纳米粗糙结构的性能良好稳定的超疏水表面材料；所述点阵的相邻两点之间的间距为0.05-0.3mm，所述线条矩阵的相邻两线条之间的间距为0.05-0.3mm。本专利技术方法对所要加工的聚四氟乙烯基材的厚度、尺寸、外形均没有限制，可以对不同厚度、尺寸、外形的聚四氟乙烯材料进行表面加工。本专利技术中CO2激光雕刻机的额定输出功率10W，当然也可使用其他输出功率的激光器进行激光加工，可以对激光器的输出功率百分比进行调节，获得功率优化值。本专利技术在步骤(2)中设置激光雕刻机的光斑直径为0.1mm，雕刻速度为20mm/s，频率为80KHZ，点雕刻时间为1ms，功率为20％，雕刻次数为5次，步骤(3)中设置激光操作软件的绘制图形为线条矩阵图形，相邻两线条之间的间距为0.1mm，可得到接触角为167°的超疏水表面材料。本专利技术在激光雕刻时主要使用了线条矩阵和点阵图形，当然也可使用其他图形矩阵(如三角形矩阵、矩形矩阵、圆柱形矩阵等)对聚四氟乙烯材料表面进行密集加工可以获得相似的结果。本专利技术中可以通过调节所绘制图形的参数来调控接触角的大小。本专利技术中使用了线条矩阵或点阵的相邻两线条之间、相邻两点之间的距离为0.05-0.3mm之间的一系列参数的几何图形，通过减小线条或点与点之间的间距，可以逐步增加表面加工的粗糙度，提高接触角，得到接触角为150°-167°的超疏水表面材料。本专利技术方法是将聚四氟乙烯基材经过简单的化学清洗处理后，利用二氧化碳气体激光雕刻机在合适的参数下进行一步激光加工，快速在聚四氟乙烯基材表面雕刻出一层微纳米粗糙结构，粗糙结构由微米级的突起或线条组成，微米级结构上又有纳米级尺寸的纳米结构，无需进一步进行低表面能修饰，即可得到具有良好的耐酸碱、耐候、耐磨损，稳定性良好的超疏水表面，所制得的超疏水表面的接触角大于150°。本专利技术方法的具有以下优点：(1)本专利技术采用一步激光加工法制备超疏水表面，方法简单，易于操作，加工快速，除清洗外不需用其他化学药品，不需要通常制备方法中的低表面能化学修饰剂的修饰，避免了化学试剂对人体和环境的危害，环境友好。(2)本专利技术基于聚四氟乙烯基材进行一步加工，通过参数调节实现了表面微纳粗糙结构的控制制备，制得的超疏水表面较基体材料有了很大的提高，制得的超疏水表面的接触角均超过150°，其中优化参数下的加工线条间距为0.05mm或0.1mm的线条阵列，制得超疏水表面的接触角可达167°。(3)本专利技术可在聚四氟乙烯基体材料表面使用各种图形进行一步激光加工，对于典型的点阵和线条阵列，可以通过改变点与点或线条之间的距离参数，如0.05mm，0.10mm，0.15mm，0.20mm，0.25mm，0.30mm等不同的参数，获得不同的表面粗糙度，得到不同接触角的超疏水表面材料，从而实现通过参数调整对接触角的调控。附图说明图1是本专利技术实施例1的超疏水表面的超景深显微镜图(放大倍数30倍，线条间距0.1mm)；图2是本专利技术实施例1的超疏水表面的超本文档来自技高网...

【技术保护点】
一步激光法制备接触角可调的超疏水表面材料的方法，其特征在于依次包括如下步骤：（1）基底聚四氟乙烯片预处理将聚四氟乙烯基材按设计要求进行切割，依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中，使用超声波清洗机分别超声清洗3‑10min，以除去基材表面的有机物、无机物等杂质，然后放入烘箱中，在50‑100℃下烘干，准备进行激光加工；（2）设置CO2激光雕刻机的工艺参数使用波长为10.6μm的二氧化碳气体激光器，打开激光雕刻机，设置光斑直径为0.1‑0.5mm，雕刻速度为20‑40mm/s，频率为20‑80KHZ，点雕刻时间为0.1ms‑1ms，功率为20%‑40%，雕刻次数为1‑5次；（3）使用激光操作软件进行雕刻将步骤（1）中处理好的聚四氟乙烯基材置于激光雕刻机的样品台，设置激光操作软件的绘制图形为点阵或线条矩阵图形，调整基材位于红光激光区域，开启激光进行加工，加工完成后即得具有微纳米粗糙结构的性能良好稳定的超疏水表面材料；所述点阵的相邻两点之间的间距为0.05‑0.3mm，所述线条矩阵的相邻两线条之间的间距为0.05‑0.3mm。

【技术特征摘要】
1.一步激光法制备接触角可调的超疏水表面材料的方法，其特征在于依次包括如下步骤：（1）基底聚四氟乙烯片预处理将聚四氟乙烯基材按设计要求进行切割，依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中，使用超声波清洗机分别超声清洗3-10min，以除去基材表面的有机物、无机物杂质，然后放入烘箱中，在50-100℃下烘干，准备进行激光加工；（2）设置CO2激光雕刻机的工艺参数使用波长为10.6μm的二氧化碳气体激光器，打开激光雕刻机，设置光斑直径为0.1-0.5mm，雕刻速度为20-40mm/s，频率为20-80KHZ，点雕刻时间为0.1ms-1ms，功率为20%-40%，雕刻次数为1-5次，所述CO2激光雕刻机的激光器的额定输出功率为10W；（3）使用激光操作软件进行雕刻将步骤（1）中处理好的聚四氟乙烯基材置于激光雕刻机的样品台...

【专利技术属性】
技术研发人员：马福民，李文，卫世超，
申请(专利权)人：湖北理工学院，
类型：发明
国别省市：湖北;42