皮秒激光制备超疏水聚合物微纳结构
发布时间：2020-12-11 23:34
为提高海洋设施聚合物涂层表面的抗生物污损性能,以聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物为研究对象,采用皮秒激光直接刻蚀方法,在PDMS聚合物膜表面制备了单向微沟槽、网格微沟槽、微凹坑等不同微纳结构。利用激光共聚焦显微镜观察了试样表面粗糙度和微纳结构特征,利用接触角测量仪测量了去离子水在不同试样表面的静态接触角和动态接触角。研究分析了皮秒激光加工参数对三类微纳结构PDMS膜表面粗糙度、静态接触角和动态接触角的影响,获得了具有超疏水性和强脱附性的微纳结构PDMS膜表面的皮秒激光加工方法,即:在PDMS膜表面制备网格微沟槽或微凹坑类微纳结构,微单元间距为50μm,皮秒激光加工工艺参数为激光能量密度1.536×1014 W/m~2,激光扫描速率200mm/s,激光重复加工5次。研究表明,利用皮秒激光刻蚀技术在PDMS膜表面加工制备优化设计的微纳结构,可以改善表面的超疏水性和脱附性能。聚合物膜层表面微纳结构的皮秒激光刻蚀技术在预防海洋生物污损方面具有发展潜力。
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020年11期 第137-143页 北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
皮秒激光加工PDMS膜表面的形貌
由图3(a）可知，单向微沟槽试样表面的静态接触角并不完全与粗糙度的变化趋势一致，大部分试样的静态接触角大小与粗糙度呈正比，但也有一些具有较好疏水性（甚至是超疏水性）的表面的粗糙度比较小。这也验证了表面粗糙度是影响疏水性能的重要因素但不是绝对决定性因素。在24组单向微沟槽试样中，No.6试样（重复加工2次，单元间距为100μm）和No.23试样（重复加工10次，单元间距为150μm）的表面静态接触角分别达到了152°和150°，实现了超疏水特性；其他试样的静态接触角为138°～149°，与无表面微纳结构PDMS膜的静态接触角109°相比，提升幅度高达26.6%～36.7%，这说明虽然未能实现表面超疏水性，但相比于未加工微纳结构的原始试样，表面静态接触角均显著增大。图4给出了No.6试样、No.23试样和原始未加工PDMS膜表面的去离子水液滴接触状态，接触角依次为152°、150°、109°。由图4可知，未加工表面上的液滴呈Wenzel状态；No.6试样表面为部分润湿，液滴呈Wenzel-Cassie状态；No.23试样表面几乎为完全不润湿，液滴基本呈Cassie状态。可见，利用皮秒激光在PDMS膜表面加工制备出单向微沟槽可以明显提高表面疏水性。由图3(b）可知，对于具有表面网格微沟槽结构的试样（No.25～No.48），在激光加工次数相同的情况下，试样的表面静态接触角与表面粗糙度的变化趋势基本一致。其中，试样No.36（静态接触角为150.6°）、No.37（静态接触角为154.3°）、No.38（静态接触角为150.1°）、No.39（静态接触角为152.1°）、No.46（静态接触角为151.7°）和No.48（静态接触角为151.6°）的表面静态接触角均大于150°，具备了超疏水特性。其他试样的表面静态接触角为132°～149°，与未加工PDMS膜表面静态接触角109°相比，提升幅度高达21.1%～36.7%。测试结果表明，利用皮秒激光在PDMS表面加工制备网格微沟槽结构，有利于获得超疏水表面。同时，对比分析图3(a）和图3(b）可以发现，与单向微沟槽结构试样相比，网格微沟槽试样的表面静态接触角在144°以上，网格微沟槽在制备超疏水表面方面具备一定优势。
由图3(b）可知，对于具有表面网格微沟槽结构的试样（No.25～No.48），在激光加工次数相同的情况下，试样的表面静态接触角与表面粗糙度的变化趋势基本一致。其中，试样No.36（静态接触角为150.6°）、No.37（静态接触角为154.3°）、No.38（静态接触角为150.1°）、No.39（静态接触角为152.1°）、No.46（静态接触角为151.7°）和No.48（静态接触角为151.6°）的表面静态接触角均大于150°，具备了超疏水特性。其他试样的表面静态接触角为132°～149°，与未加工PDMS膜表面静态接触角109°相比，提升幅度高达21.1%～36.7%。测试结果表明，利用皮秒激光在PDMS表面加工制备网格微沟槽结构，有利于获得超疏水表面。同时，对比分析图3(a）和图3(b）可以发现，与单向微沟槽结构试样相比，网格微沟槽试样的表面静态接触角在144°以上，网格微沟槽在制备超疏水表面方面具备一定优势。由图3(c）可知，对于微凹坑结构试样（No.49～No.72），在激光加工次数相同的情况下，试样的表面静态接触角与表面粗糙度的变化趋势完全一致，粗糙度增加则接触角增大，反之亦然。其中，能够达到超疏水标准的比较少，只有No.61（静态接触角为153.7°）和No.62（静态接触角为152.9°）试样表面达到了超疏水状态。其他试样的表面静态接触角一般为110°～149°。对比分析可以发现，与上述两类微纳结构试样相比，微凹坑试样的表面静态接触角的范围更大，微凹坑试样表面没有网格微沟槽试样表面的疏水效果好。
本文编号：2911425
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020年11期 第137-143页 北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
皮秒激光加工PDMS膜表面的形貌
由图3(a）可知，单向微沟槽试样表面的静态接触角并不完全与粗糙度的变化趋势一致，大部分试样的静态接触角大小与粗糙度呈正比，但也有一些具有较好疏水性（甚至是超疏水性）的表面的粗糙度比较小。这也验证了表面粗糙度是影响疏水性能的重要因素但不是绝对决定性因素。在24组单向微沟槽试样中，No.6试样（重复加工2次，单元间距为100μm）和No.23试样（重复加工10次，单元间距为150μm）的表面静态接触角分别达到了152°和150°，实现了超疏水特性；其他试样的静态接触角为138°～149°，与无表面微纳结构PDMS膜的静态接触角109°相比，提升幅度高达26.6%～36.7%，这说明虽然未能实现表面超疏水性，但相比于未加工微纳结构的原始试样，表面静态接触角均显著增大。图4给出了No.6试样、No.23试样和原始未加工PDMS膜表面的去离子水液滴接触状态，接触角依次为152°、150°、109°。由图4可知，未加工表面上的液滴呈Wenzel状态；No.6试样表面为部分润湿，液滴呈Wenzel-Cassie状态；No.23试样表面几乎为完全不润湿，液滴基本呈Cassie状态。可见，利用皮秒激光在PDMS膜表面加工制备出单向微沟槽可以明显提高表面疏水性。由图3(b）可知，对于具有表面网格微沟槽结构的试样（No.25～No.48），在激光加工次数相同的情况下，试样的表面静态接触角与表面粗糙度的变化趋势基本一致。其中，试样No.36（静态接触角为150.6°）、No.37（静态接触角为154.3°）、No.38（静态接触角为150.1°）、No.39（静态接触角为152.1°）、No.46（静态接触角为151.7°）和No.48（静态接触角为151.6°）的表面静态接触角均大于150°，具备了超疏水特性。其他试样的表面静态接触角为132°～149°，与未加工PDMS膜表面静态接触角109°相比，提升幅度高达21.1%～36.7%。测试结果表明，利用皮秒激光在PDMS表面加工制备网格微沟槽结构，有利于获得超疏水表面。同时，对比分析图3(a）和图3(b）可以发现，与单向微沟槽结构试样相比，网格微沟槽试样的表面静态接触角在144°以上，网格微沟槽在制备超疏水表面方面具备一定优势。
由图3(b）可知，对于具有表面网格微沟槽结构的试样（No.25～No.48），在激光加工次数相同的情况下，试样的表面静态接触角与表面粗糙度的变化趋势基本一致。其中，试样No.36（静态接触角为150.6°）、No.37（静态接触角为154.3°）、No.38（静态接触角为150.1°）、No.39（静态接触角为152.1°）、No.46（静态接触角为151.7°）和No.48（静态接触角为151.6°）的表面静态接触角均大于150°，具备了超疏水特性。其他试样的表面静态接触角为132°～149°，与未加工PDMS膜表面静态接触角109°相比，提升幅度高达21.1%～36.7%。测试结果表明，利用皮秒激光在PDMS表面加工制备网格微沟槽结构，有利于获得超疏水表面。同时，对比分析图3(a）和图3(b）可以发现，与单向微沟槽结构试样相比，网格微沟槽试样的表面静态接触角在144°以上，网格微沟槽在制备超疏水表面方面具备一定优势。由图3(c）可知，对于微凹坑结构试样（No.49～No.72），在激光加工次数相同的情况下，试样的表面静态接触角与表面粗糙度的变化趋势完全一致，粗糙度增加则接触角增大，反之亦然。其中，能够达到超疏水标准的比较少，只有No.61（静态接触角为153.7°）和No.62（静态接触角为152.9°）试样表面达到了超疏水状态。其他试样的表面静态接触角一般为110°～149°。对比分析可以发现，与上述两类微纳结构试样相比，微凹坑试样的表面静态接触角的范围更大，微凹坑试样表面没有网格微沟槽试样表面的疏水效果好。
本文编号：2911425
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2911425.html
