一种仿生水稻叶面点阵各向异性超疏水表面材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种仿生水稻叶面点阵各向异性超疏水表面材料的制备方法，依次包括如下步骤：（1）将聚四氟乙烯高分子材料切片，依次放入甲苯、无水乙醇、去离子水中，分别超声清洗5‑15min后于40‑90℃下烘干；（2）使用Marking Mate软件绘制仿生水稻叶面点阵各向异性结构图形；（3）设置激光设备的工艺参数，设置光斑直径为0.1‑0.5mm，雕刻速度为10‑100mm/s，雕刻方式为水平双向，功率为1%‑10%，雕刻次数为1‑10次，将处理好的基材置于激光设备样品台，完成仿生水稻叶面点阵各向异性结构图形的激光雕刻，即得；本发明专利技术设计绘制方法简单，结构制备方法快速，无环境污染，制备的各向异性超疏水表面呈现类似水稻叶面的分级结构，表现出各向异性润湿性能，适合工业化批量生产。

A preparation method of biomimetic rice leaf lattice anisotropic superhydrophobic surface material

【技术实现步骤摘要】
一种仿生水稻叶面点阵各向异性超疏水表面材料的制备方法
本专利技术属于材料表面制备领域，具体涉及一种仿生水稻叶面点阵各向异性超疏水表面材料的制备方法。
技术介绍
润湿性能是材料表面的重要性能之一，这一性能一般通过表面的水滴的接触角的大小来衡量。如果接触角的大小大于150°，这类表面具有类似荷叶、水稻叶面等仿生结构，表现出不沾水、自清洁等性能，具有广泛的应用，比如在防冰、防污染、抗腐蚀、油水分离、流体减阻等方面都有潜在的应用。这些特性和应用引起了众多科学家和工程师的研究兴趣，因而研究开发此类表面在自清洁涂层，不可渗透的纺织品，微流体，实验室芯片设备、流体减阻设备、油水分离装置、防覆冰材料等方面的产品，在日常的生活、工业领域、军事国防领域都有着广泛的应用前景。表面的各向异性微结构指的是在在材料表面不同方向上的结构方向分布不同、物理化学性质各异，及性能方面如润湿性能不同（JohnsonRE,DettreRH,ContactAngleHysteresis.III.StudyofanIdealizedHeterogeneousSurface[J].PhysicalChemistry,1964,68(7):1744）。自然界广泛存在各向异性结构，并具有很好的实用性，受到自然界各向异性的启发，世界上众多的科研工作者、工程师等运用仿生科学技术的一些思路，一方面探究自然界中存在的各向异性微结构及其性能，另一方面把这些自然界存在的各向异性微结构表面用到到实际生产生活中去，制备出有实用价值的产品。目前有很多方法来制备超疏水表面，如模板法、化学刻蚀法、溶胶凝胶法、化学气相沉积、物理气相沉积等等（P.Peng,Q.Ke,G.Zhou,T.Tang,J.ColloidInterfaceSci.395(2013)326.M.H.Han,S.C.Go,Bull.KoreanChem.Soc.33(2012)1363.）。这些方法中，多用来制备各向同性的超疏水表面，也有的可以单一或结合来制备各向异性超疏水表面，在制备各向异性超疏水表面上，有时也用光刻法、飞秒激光法、干涉光刻法、等离子刻蚀、纳米压印等方法（XiaD,JohnsonLM,LópezGP..AdvancedMaterials,2012,24:1287）。然而，这些制备方法中，大多花费较高，难以用作批量的生产，在实际的工业生产中实用的价值就较低。随着激光技术的发展，其已经可用广泛地应用在各个领域。激光技术具有快速制造、图形设计、参数可调、成本较低等优势，从而引起了材料领域专家的重视与应用。近年来，也有用激光技术来制备超疏水材料的报道，飞秒激光、干涉光刻、紫外光刻、皮秒激光等各种技术开始被广泛使用。如Xia等人用干涉光刻技术制备了具有一维纳米结构的各向异性表面。飞秒激光也是一个快速高效的方法，峰值功率高、分辨率精度等也高，可以达到纳米精度，并且在加工过程中热影响小，适合用于微纳结构的制备。Zhang等使用飞秒激光作为手段，加工制备出了包含微纳分级结构的硅表面，并表现出良好的疏水性能。飞秒激光在硅表面光刻得到的槽状结构槽纹间距可达到8μm表现出较好的结构控制。Chen等人也使用飞秒激光光刻的方法在硅材料表面制备获得了各向异性微结构，通过分析表征观察，使用此技术照射在硅材料表面可以获得平行的微带状结构，带的宽度可从500μm到1500μm，带宽是200μm。具有较好的可调节性。（ZhangD,ChenF,FangG,YangQ,XieD,QiaoG,LiW,ShiJ,HouX.Micromech.Microeng,2010,20,075029。ChenF,ZhangD,YangQ,WangW,DaiB,LiX,HaoX,DingY,ShiJ,HouX.Langmuir,2011,27,359）。总结各种技术和文献报道来看，目前已经报道的制备超疏水材料表面的方法，很多都是使用低表面能物质如三氟丙基三甲氧基硅烷，全氟癸基硅烷，全氟辛基硅烷等氟硅烷类含氟材料，往往价格昂贵，还有一定的环境污染性，还有的通过化学反应等方法制备表面的仿生粗糙解耦股，使用氢氟酸、硝酸、有害的有机溶剂等进行结构制备，有一定的环境污染性，不利于现在的绿色生产的可持续发展。另一个问题是稳定性问题。化学法制备的表面往往微纳结构较为脆弱，机械性能差，受到摩擦、机械撞击等就会被损坏，导致表面各向异性超疏水性能的损失。因此，开发一种成本低，制备快速，并且对环境污染小或没污染的制备仿生水稻叶面点阵各向异性超疏水表面的制备方法就很有意义。因此本方法使用大功率CO2激光设备来制备各向异性仿生表面，以进一步实现各向异性超疏水材料的快速制备及推进其工业批量生产。
技术实现思路
本专利技术针对仿生水稻叶面点阵各向异性微结构的制备特点，克服了现有的一些制备技术的部分不足，如使用化学法制备微纳结构存在制备过程步骤较多，耗费时间，精度控制不够等，所用的化学试剂也往往有一些毒性。以及一些精度高的技术如飞秒激光、皮秒激光等价格昂贵成本高，不易推广。本专利技术针对以上出现的问题，提供一种使用常用的激光设备技术制备仿生水稻叶面点阵各向异性超疏水表面的制备方法。本专利技术的一种仿生水稻叶面点阵各向异性超疏水表面材料的制备方法，依次包括如下步骤：（1）基体材料表面预处理将聚四氟乙烯高分子材料按照设计要求切成所需大小，依次放入盛有甲苯、无水乙醇、去离子水的容器中，分别用超声清洗机清洗5-15min，除去材料表面的各种有机、无机污染杂质，然后放入恒温鼓风烘箱中于40-90℃下烘干，备用；（2）使用激光设备软件绘制点阵各向异性微结构使用高速激光打标机的MarkingMate绘图软件绘制点阵各向异性图形，设置点阵水平方向间距a为0.2mm，垂直方向间距b为0.1-0.5mm，且|a-b|≥0.01mm，绘制出适合加工基材表面的仿生水稻叶各向异性点阵结构；（3）各向异性微结构表面的加工使用功率130W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10-100mm/s，雕刻方式为水平双向，功率为1%-10%，雕刻次数为1-10次；然后将步骤（1）处理好的聚四氟乙烯高分子材料基材置于激光设备的样品台，用MarkingMate绘图软件控制激光器在聚四氟乙烯基材上雕刻各向异性仿生水稻叶面点阵结构图形，雕刻完成后即得具有各向异性表面的定向润湿超疏水表面材料，该材料水平方向接触角为α为150-165°，垂直方向接触角β为130-160°，|α-β|≥1°。优选地，上述步骤（2）中设计绘制的各向异性结构，平行方向间距在0.2mm，垂直方向间距在0.27mm，设置激光设备的雕刻速度为20mm/s，雕刻方式为水平双向，功率为9%，雕刻次数为1次，制得的各向异性超疏水表面材料，水平方向接触角为158°，垂直方向接触角为156°。本专利技术方法对所要加工的聚四氟乙烯高分子材料的厚度、尺寸、外形等均没有严格限制，可以对不同厚度、尺寸、外形的聚四氟乙烯高分子材料进行表面改性处理和加工。本专利技术中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿生水稻叶面点阵各向异性超疏水表面材料的制备方法，其特征在于依次包括如下步骤：/n（1）基体材料表面预处理/n将聚四氟乙烯高分子材料按照设计要求切成所需大小，依次放入盛有甲苯、无水乙醇、去离子水的容器中，分别用超声清洗机清洗5-15min，除去材料表面的各种有机、无机污染杂质，然后放入恒温鼓风烘箱中于40-90℃下烘干，备用；/n（2）使用激光设备软件绘制点阵各向异性微结构/n使用高速激光打标机的Marking Mate绘图软件绘制点阵各向异性图形，设置点阵水平方向间距a为0.2mm，垂直方向间距b为0.1-0.5mm ，且|a-b|≥0.01 mm，绘制出适合加工基材表面的仿生水稻叶各向异性点阵结构；/n（3）各向异性微结构表面的加工/n使用功率130W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10-100mm/s，雕刻方式为水平双向，功率为1%-10%，雕刻次数为1-10次；然后将步骤（1）处理好的聚四氟乙烯高分子材料基材置于激光设备的样品台，用Marking Mate绘图软件控制激光器在聚四氟乙烯基材上雕刻各向异性仿生水稻叶面点阵结构图形，雕刻完成后即得具有各向异性表面的定向润湿超疏水表面材料，该材料水平方向接触角为α为150-165°，垂直方向接触角β为130-160°，|α-β|≥1°。/n...

【技术特征摘要】
1.一种仿生水稻叶面点阵各向异性超疏水表面材料的制备方法，其特征在于依次包括如下步骤：
（1）基体材料表面预处理
将聚四氟乙烯高分子材料按照设计要求切成所需大小，依次放入盛有甲苯、无水乙醇、去离子水的容器中，分别用超声清洗机清洗5-15min，除去材料表面的各种有机、无机污染杂质，然后放入恒温鼓风烘箱中于40-90℃下烘干，备用；
（2）使用激光设备软件绘制点阵各向异性微结构
使用高速激光打标机的MarkingMate绘图软件绘制点阵各向异性图形，设置点阵水平方向间距a为0.2mm，垂直方向间距b为0.1-0.5mm，且|a-b|≥0.01mm，绘制出适合加工基材表面的仿生水稻叶各向异性点阵结构；
（3）各向异性微结构表面的加工
使用功率130W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1...

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