皮秒激光制備超疏水聚合物微納結(jié)構(gòu)
發(fā)布時間：2020-12-11 23:34
為提高海洋設(shè)施聚合物涂層表面的抗生物污損性能,以聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物為研究對象,采用皮秒激光直接刻蝕方法,在PDMS聚合物膜表面制備了單向微溝槽、網(wǎng)格微溝槽、微凹坑等不同微納結(jié)構(gòu)。利用激光共聚焦顯微鏡觀察了試樣表面粗糙度和微納結(jié)構(gòu)特征,利用接觸角測量儀測量了去離子水在不同試樣表面的靜態(tài)接觸角和動態(tài)接觸角。研究分析了皮秒激光加工參數(shù)對三類微納結(jié)構(gòu)PDMS膜表面粗糙度、靜態(tài)接觸角和動態(tài)接觸角的影響,獲得了具有超疏水性和強脫附性的微納結(jié)構(gòu)PDMS膜表面的皮秒激光加工方法,即:在PDMS膜表面制備網(wǎng)格微溝槽或微凹坑類微納結(jié)構(gòu),微單元間距為50μm,皮秒激光加工工藝參數(shù)為激光能量密度1.536×1014 W/m~2,激光掃描速率200mm/s,激光重復加工5次。研究表明,利用皮秒激光刻蝕技術(shù)在PDMS膜表面加工制備優(yōu)化設(shè)計的微納結(jié)構(gòu),可以改善表面的超疏水性和脫附性能。聚合物膜層表面微納結(jié)構(gòu)的皮秒激光刻蝕技術(shù)在預防海洋生物污損方面具有發(fā)展?jié)摿Α?nbsp;
【文章來源】：激光與光電子學進展. 2020年11期 第137-143頁 北大核心
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
皮秒激光加工PDMS膜表面的形貌
由圖3(a）可知，單向微溝槽試樣表面的靜態(tài)接觸角并不完全與粗糙度的變化趨勢一致，大部分試樣的靜態(tài)接觸角大小與粗糙度呈正比，但也有一些具有較好疏水性（甚至是超疏水性）的表面的粗糙度比較小。這也驗證了表面粗糙度是影響疏水性能的重要因素但不是絕對決定性因素。在24組單向微溝槽試樣中，No.6試樣（重復加工2次，單元間距為100μm）和No.23試樣（重復加工10次，單元間距為150μm）的表面靜態(tài)接觸角分別達到了152°和150°，實現(xiàn)了超疏水特性；其他試樣的靜態(tài)接觸角為138°～149°，與無表面微納結(jié)構(gòu)PDMS膜的靜態(tài)接觸角109°相比，提升幅度高達26.6%～36.7%，這說明雖然未能實現(xiàn)表面超疏水性，但相比于未加工微納結(jié)構(gòu)的原始試樣，表面靜態(tài)接觸角均顯著增大。圖4給出了No.6試樣、No.23試樣和原始未加工PDMS膜表面的去離子水液滴接觸狀態(tài)，接觸角依次為152°、150°、109°。由圖4可知，未加工表面上的液滴呈Wenzel狀態(tài)；No.6試樣表面為部分潤濕，液滴呈Wenzel-Cassie狀態(tài)；No.23試樣表面幾乎為完全不潤濕，液滴基本呈Cassie狀態(tài)�？梢�，利用皮秒激光在PDMS膜表面加工制備出單向微溝槽可以明顯提高表面疏水性。由圖3(b）可知，對于具有表面網(wǎng)格微溝槽結(jié)構(gòu)的試樣（No.25～No.48），在激光加工次數(shù)相同的情況下，試樣的表面靜態(tài)接觸角與表面粗糙度的變化趨勢基本一致。其中，試樣No.36（靜態(tài)接觸角為150.6°）、No.37（靜態(tài)接觸角為154.3°）、No.38（靜態(tài)接觸角為150.1°）、No.39（靜態(tài)接觸角為152.1°）、No.46（靜態(tài)接觸角為151.7°）和No.48（靜態(tài)接觸角為151.6°）的表面靜態(tài)接觸角均大于150°，具備了超疏水特性。其他試樣的表面靜態(tài)接觸角為132°～149°，與未加工PDMS膜表面靜態(tài)接觸角109°相比，提升幅度高達21.1%～36.7%。測試結(jié)果表明，利用皮秒激光在PDMS表面加工制備網(wǎng)格微溝槽結(jié)構(gòu)，有利于獲得超疏水表面。同時，對比分析圖3(a）和圖3(b）可以發(fā)現(xiàn)，與單向微溝槽結(jié)構(gòu)試樣相比，網(wǎng)格微溝槽試樣的表面靜態(tài)接觸角在144°以上，網(wǎng)格微溝槽在制備超疏水表面方面具備一定優(yōu)勢。
由圖3(b）可知，對于具有表面網(wǎng)格微溝槽結(jié)構(gòu)的試樣（No.25～No.48），在激光加工次數(shù)相同的情況下，試樣的表面靜態(tài)接觸角與表面粗糙度的變化趨勢基本一致。其中，試樣No.36（靜態(tài)接觸角為150.6°）、No.37（靜態(tài)接觸角為154.3°）、No.38（靜態(tài)接觸角為150.1°）、No.39（靜態(tài)接觸角為152.1°）、No.46（靜態(tài)接觸角為151.7°）和No.48（靜態(tài)接觸角為151.6°）的表面靜態(tài)接觸角均大于150°，具備了超疏水特性。其他試樣的表面靜態(tài)接觸角為132°～149°，與未加工PDMS膜表面靜態(tài)接觸角109°相比，提升幅度高達21.1%～36.7%。測試結(jié)果表明，利用皮秒激光在PDMS表面加工制備網(wǎng)格微溝槽結(jié)構(gòu)，有利于獲得超疏水表面。同時，對比分析圖3(a）和圖3(b）可以發(fā)現(xiàn)，與單向微溝槽結(jié)構(gòu)試樣相比，網(wǎng)格微溝槽試樣的表面靜態(tài)接觸角在144°以上，網(wǎng)格微溝槽在制備超疏水表面方面具備一定優(yōu)勢。由圖3(c）可知，對于微凹坑結(jié)構(gòu)試樣（No.49～No.72），在激光加工次數(shù)相同的情況下，試樣的表面靜態(tài)接觸角與表面粗糙度的變化趨勢完全一致，粗糙度增加則接觸角增大，反之亦然。其中，能夠達到超疏水標準的比較少，只有No.61（靜態(tài)接觸角為153.7°）和No.62（靜態(tài)接觸角為152.9°）試樣表面達到了超疏水狀態(tài)。其他試樣的表面靜態(tài)接觸角一般為110°～149°。對比分析可以發(fā)現(xiàn)，與上述兩類微納結(jié)構(gòu)試樣相比，微凹坑試樣的表面靜態(tài)接觸角的范圍更大，微凹坑試樣表面沒有網(wǎng)格微溝槽試樣表面的疏水效果好。
本文編號：2911425
【文章來源】：激光與光電子學進展. 2020年11期 第137-143頁 北大核心
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
皮秒激光加工PDMS膜表面的形貌
由圖3(a）可知，單向微溝槽試樣表面的靜態(tài)接觸角并不完全與粗糙度的變化趨勢一致，大部分試樣的靜態(tài)接觸角大小與粗糙度呈正比，但也有一些具有較好疏水性（甚至是超疏水性）的表面的粗糙度比較小。這也驗證了表面粗糙度是影響疏水性能的重要因素但不是絕對決定性因素。在24組單向微溝槽試樣中，No.6試樣（重復加工2次，單元間距為100μm）和No.23試樣（重復加工10次，單元間距為150μm）的表面靜態(tài)接觸角分別達到了152°和150°，實現(xiàn)了超疏水特性；其他試樣的靜態(tài)接觸角為138°～149°，與無表面微納結(jié)構(gòu)PDMS膜的靜態(tài)接觸角109°相比，提升幅度高達26.6%～36.7%，這說明雖然未能實現(xiàn)表面超疏水性，但相比于未加工微納結(jié)構(gòu)的原始試樣，表面靜態(tài)接觸角均顯著增大。圖4給出了No.6試樣、No.23試樣和原始未加工PDMS膜表面的去離子水液滴接觸狀態(tài)，接觸角依次為152°、150°、109°。由圖4可知，未加工表面上的液滴呈Wenzel狀態(tài)；No.6試樣表面為部分潤濕，液滴呈Wenzel-Cassie狀態(tài)；No.23試樣表面幾乎為完全不潤濕，液滴基本呈Cassie狀態(tài)�？梢�，利用皮秒激光在PDMS膜表面加工制備出單向微溝槽可以明顯提高表面疏水性。由圖3(b）可知，對于具有表面網(wǎng)格微溝槽結(jié)構(gòu)的試樣（No.25～No.48），在激光加工次數(shù)相同的情況下，試樣的表面靜態(tài)接觸角與表面粗糙度的變化趨勢基本一致。其中，試樣No.36（靜態(tài)接觸角為150.6°）、No.37（靜態(tài)接觸角為154.3°）、No.38（靜態(tài)接觸角為150.1°）、No.39（靜態(tài)接觸角為152.1°）、No.46（靜態(tài)接觸角為151.7°）和No.48（靜態(tài)接觸角為151.6°）的表面靜態(tài)接觸角均大于150°，具備了超疏水特性。其他試樣的表面靜態(tài)接觸角為132°～149°，與未加工PDMS膜表面靜態(tài)接觸角109°相比，提升幅度高達21.1%～36.7%。測試結(jié)果表明，利用皮秒激光在PDMS表面加工制備網(wǎng)格微溝槽結(jié)構(gòu)，有利于獲得超疏水表面。同時，對比分析圖3(a）和圖3(b）可以發(fā)現(xiàn)，與單向微溝槽結(jié)構(gòu)試樣相比，網(wǎng)格微溝槽試樣的表面靜態(tài)接觸角在144°以上，網(wǎng)格微溝槽在制備超疏水表面方面具備一定優(yōu)勢。
由圖3(b）可知，對于具有表面網(wǎng)格微溝槽結(jié)構(gòu)的試樣（No.25～No.48），在激光加工次數(shù)相同的情況下，試樣的表面靜態(tài)接觸角與表面粗糙度的變化趨勢基本一致。其中，試樣No.36（靜態(tài)接觸角為150.6°）、No.37（靜態(tài)接觸角為154.3°）、No.38（靜態(tài)接觸角為150.1°）、No.39（靜態(tài)接觸角為152.1°）、No.46（靜態(tài)接觸角為151.7°）和No.48（靜態(tài)接觸角為151.6°）的表面靜態(tài)接觸角均大于150°，具備了超疏水特性。其他試樣的表面靜態(tài)接觸角為132°～149°，與未加工PDMS膜表面靜態(tài)接觸角109°相比，提升幅度高達21.1%～36.7%。測試結(jié)果表明，利用皮秒激光在PDMS表面加工制備網(wǎng)格微溝槽結(jié)構(gòu)，有利于獲得超疏水表面。同時，對比分析圖3(a）和圖3(b）可以發(fā)現(xiàn)，與單向微溝槽結(jié)構(gòu)試樣相比，網(wǎng)格微溝槽試樣的表面靜態(tài)接觸角在144°以上，網(wǎng)格微溝槽在制備超疏水表面方面具備一定優(yōu)勢。由圖3(c）可知，對于微凹坑結(jié)構(gòu)試樣（No.49～No.72），在激光加工次數(shù)相同的情況下，試樣的表面靜態(tài)接觸角與表面粗糙度的變化趨勢完全一致，粗糙度增加則接觸角增大，反之亦然。其中，能夠達到超疏水標準的比較少，只有No.61（靜態(tài)接觸角為153.7°）和No.62（靜態(tài)接觸角為152.9°）試樣表面達到了超疏水狀態(tài)。其他試樣的表面靜態(tài)接觸角一般為110°～149°。對比分析可以發(fā)現(xiàn)，與上述兩類微納結(jié)構(gòu)試樣相比，微凹坑試樣的表面靜態(tài)接觸角的范圍更大，微凹坑試樣表面沒有網(wǎng)格微溝槽試樣表面的疏水效果好。
本文編號：2911425
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