一种洁具陶瓷仿生超疏水/超低粘附表面的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种利用飞秒激光快速直接制备洁具陶瓷仿生超疏水/超低粘附表面的方法，属于材料加工技术领域。包括以下步骤：(1)对洁具陶瓷表面进行磨抛预处理，对预处理后的洁具陶瓷表面进行清洗，晾干；(2)利用飞秒激光表面加工技术，使用设定好的激光扫描工艺路径和激光加工参数对洁具陶瓷表面进行加工，在洁具陶瓷表面形成仿生双尺度微纳结构；(3)对洁具陶瓷再清洗，晾干。用这种方法制备的仿生双尺度微纳结构表面均匀性好，疏水功能强，可对马桶、便池等洁具陶瓷表面进行超疏水/超低粘附改性，抵抗尿液、粪便的粘附。此外，本发明专利技术工艺简单，效率高，具有很好的可重复性，易于实现工业化生产，具有很高的实用价值和应用前景。具有很高的实用价值和应用前景。具有很高的实用价值和应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种洁具陶瓷仿生超疏水/超低粘附表面的制备方法
所属

[0001]本专利技术涉及一种利用飞秒激光技术快速直接制备洁具陶瓷仿生超疏水/超低粘附表面的方法，属于材料加工


技术介绍

[0002]自然界当中有很多生物表面具有特殊浸润性，例如荷叶，水稻等植物的叶片表面就具有良好的超疏水性和低粘附性。当材料表面静态接触角大于150
°
且滚动角小于10
°
则称为超疏水/超低粘附表面。超疏水/超低粘附表面在材料自清洁、超疏水、抗腐蚀、抗结冰、控制细胞生长、流体减阻、油水分离、防雾、自驱水、抗生物附着等方面具有特殊的应用。在日常的生活中，仿生超疏水/超低粘附表面的洁具陶瓷可以提高厕所卫生质量，加强厕所粪污无害化处理与资源化利用，还可以明显降低厕用冲水的使用量，减少陶瓷表面的细菌黏附，避免马桶清洁剂及活性剂对环境的危害，也通过免除后期的清洁维护的方式，明显降低劳动强度和使用成本。利用飞秒激光技术快速直接制备洁具陶瓷仿生超疏水/超低粘附表面，使洁具陶瓷表面形成自清洁的超疏水/超低粘附表面，非常具有实用价值。
[0003]超疏水/超低粘附表面表面通常需要满足两个条件：一是材料表面具有很低的表面自由能；二是在表面上构建具有一定粗糙度的微观结构。针对这两个要求，其制备过程一般通过两种途径来开展，即：对粗糙结构表面进行改性处理，降低其表面自由能；或者，粗糙化处理具有疏水特性的材料表面。其中，第一种处理手段则对基体材料属性无太高要求，适用性较强，但制备工艺步骤繁琐，加工表面耐久性较差，需要定期维护。第二种方法对基体材料自身浸润性有要求，即具有疏水性能。洁具陶瓷具有良好的疏水性，可使用第二种方法制备出表面微纳粗糙结构，有效避免第一种方法的各种不足。
[0004]目前报道的表面微纳粗糙结构的制备方法非常多，如化学刻蚀法、溶胶凝胶法等，其中，化学刻蚀法工艺复杂，不适用于大规模制备。有机物聚合与溶胶凝胶法可在不同基材上构建，制备工艺简单，不受涂覆方法、基材等方面的限制，但是对施工温度与表面修饰有要求。喷涂法涂层与基底的粘附力往往不足。除此之外，其他制备方法，如3D打印、蒸汽诱导相分离电化学沉积法、溶液浸泡法、模板法、等离子气相沉积法以及等离子刻蚀法等，这些方法大多存在不稳定、成本高、需要采用低表面能物质进行修饰或者需要特定的大型加工设备耗时且再现性不一致等问题。
[0005]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快速直接制备洁具陶瓷仿生超疏水/超低粘附表面的方法就很有意义。飞秒激光加工技术具有精度容易控制、操作界面简单，生产周期短，成本低廉等优点，因此常被用于加工制备领域。用飞秒激光刻蚀制备仿生双尺度微纳结构，不需要二次造型以及低表面能化学物质修饰，微纳结构稳定，均匀性好，疏水功能强。在日常的生活中，可以对马桶、便池等洁具陶瓷表面进行超疏水/超低粘附改性，抵抗尿液、粪便的粘附，明显降低厕用冲水的使用量，减少陶瓷表层的细菌黏附，避免马桶清洁剂及活性剂对环境的危害，也通过免除后期的清洁维护的方式，明显降低劳动强度和使用成本。此外，本专利技术工艺简单，效率高，具有很好的可重复性，易于实现
工业化生产，具有很高的实用价值和应用前景。

技术实现思路

[0006]鉴于上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的是提出一种利用飞秒激光快速直接制备洁具陶瓷仿生超疏水/超低粘附表面的方法，能够克服了目前国内外超疏水性表面仿生双尺度微纳结构的制备方法中存在的加工范围小，效率低，对制备的材料具有较强的选择性，需要二次造型，需要进行化学物质修饰，制备的薄膜/涂层结合力差，不耐冲击，环境适应性差以及耐久性差，疏水功能下降等问题。本专利技术的方法可在各种尺寸和不同形状的洁具陶瓷表面获得长期稳定的，静态接触角大于150
°
、滚动角小于10
°
的超疏水/超低粘附表面，同时制得的表面还具有出色的自清洁性能。
[0007]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：一种利用飞秒激光快速直接制备洁具陶瓷仿生超疏水/超低粘附表面的方法，所述方法包括如下步骤：
[0008](1)洁具陶瓷表面的预处理
[0009]将洁具陶瓷加工成片状或按设计的要求加工成所需大小，然后使用金相试样磨抛机进行机械研磨及抛光，再将表面抛光后的洁具陶瓷样品放在盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗，超声清洗除去材料表面杂质，然后放入恒温鼓风烘箱中于40
‑
90℃下烘干，再使用无水乙醇清洗，清洗干净后，将所述洁具陶瓷表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的洁具陶瓷样品，准备进行表面仿生双尺度微纳结构制备；
[0010](2)使用飞秒激光表面加工技术制备仿生双尺度微纳结构
[0011]采用飞秒激光在预处理后的洁具陶瓷表面进行激光刻蚀，在洁具陶瓷表面形成仿生双尺度微纳结构，即在洁具陶瓷表面形成排列有序的周期性微米级类乳突状结构，类乳突状结构上密集分布有纳米级颗粒棒状结构；
[0012]所述飞秒激光刻蚀的具体参数为：激光脉宽为260
‑
290fs，单脉冲能量为2.7
‑
3.8μJ，频率为50
‑
1000kHz，扫描速度为30
‑
900mm/s，扫描间距为10
‑
240μm，扫描次数为5
‑
40次，扫描路径为网格状。
[0013](3)对洁具陶瓷的再清洗
[0014]将激光加工后的洁具陶瓷表面进行超声波清洗，去除刻蚀后洁具陶瓷表面烧蚀的熔融粒子或杂质粒，然后将洁具陶瓷表面用冷风吹干或室温自然晾干。
[0015]本专利技术在激光设备图形设计时主要使用了具有超疏水/超低粘附特性的生物表面微纳结构的形貌参数，通过控制飞秒激光加工参数来对双尺度微纳结构点阵之间的间距以及双尺度微纳结构的形状进行调节。本专利技术中可通过调节双尺度微纳结构的相关参数来调节表面超疏水/超低粘附特性。最终得到的洁具陶瓷表面的液滴静态接触角大于150
°
，滚动角小于10
°
，呈现超疏水/超低粘附特性，其特性类似于表面为周期性微米级类乳突状结构，类乳突状结构上密集分布有纳米级颗粒棒状结构的荷叶模板；顶部光滑，底部粗糙且具备各向异性的稻叶模板；周期性阵列的六方微坑结构昆虫复眼的多种具有特殊浸润性的生物表面。
[0016]本专利技术的原理是：
[0017]本专利技术采用飞秒激光加工技术，通过控制激光加工参数，在洁具陶瓷表面形成双尺度微纳结构的原理是：首先，本专利技术中飞秒激光脉宽为260
‑
290fs，单脉冲能量范围达到
2.7
‑
3.8μJ，其峰值功率可达1000000w，使加工材料发生完全电离。在2.7
‑
3.8μJ的单脉冲能量下，结合50
‑
1000kHz的频率范围和30
‑
900mm/s的扫描速度，扫描过程中，激光能量在洁具陶瓷表面持续沉积，当能量沉积达到洁具陶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种洁具陶瓷仿生超疏水/超低粘附表面的制备方法，其特征在于依次包括如下步骤：(1)洁具陶瓷表面的预处理将洁具陶瓷加工成片状或按设计的要求加工成所需大小，然后使用金相试样磨抛机进行机械研磨及抛光，再将表面抛光后的洁具陶瓷样品放在盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗，超声清洗除去材料表面杂质，然后放入恒温鼓风烘箱中于40
‑
90℃下烘干，再使用无水乙醇清洗，清洗干净后，将所述洁具陶瓷表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的洁具陶瓷样品，准备进行表面仿生双尺度微纳结构制备；(2)使用飞秒激光表面加工技术制备仿生双尺度微纳结构采用飞秒激光在预处理后的洁具陶瓷表面进行激光刻蚀，在洁具陶瓷表面形成仿生双尺度微纳结构，即在洁具陶瓷表面形成排列有序的周期性微米级类乳突状结构，类乳突状结构上密集分布有纳米级颗粒棒状结构；所述飞秒激光刻蚀的具体参数为：激光脉宽为260
‑
290fs，单脉冲能量为2.7
‑
3.8μJ，频率为50
‑
1000kHz，扫描速度为30
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900mm/s，扫描间距为10
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240μm，扫描次数为5
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40次，扫描路径为网格状；(3)对洁具陶瓷的再清洗将激光加工后的洁具陶瓷表面进行超声波清洗，去除刻蚀后洁具陶瓷表面烧蚀的熔融粒子或杂质粒，然后将洁具陶瓷表面用冷风吹干或室温自然晾干。2.根据权利要求1所述的一种洁具陶瓷仿生超疏水/超低粘附表面的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中对洁具陶瓷表面进行预处理包括对洁具陶瓷表面进行粗磨，精磨，抛光和清洗；机械研磨所用碳化硅砂纸目数为80#至3000#，机械抛光所用抛光布为尼龙抛光布，抛光膏为W0.5的金刚石抛光膏。3.根据权利要求1所述的一种洁具陶瓷仿生超疏水/超低粘附表面的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中对试样进行超声清洗的所用液体依次为去离子水和无水乙醇，清洗时间为8<...

【专利技术属性】
技术研发人员：才胜，邓芝超，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：