[发明专利]一种飞秒激光制备结构及浸润性可调控防冰聚四氟乙烯超疏水表面的方法

说明书

本发明涉及一种飞秒激光制备结构及浸润性可调控防冰聚四氟乙烯超疏水表面的方法，将试样清洗干净，调整激光参数，设置不同所需的加工结构；操作激光控制系统进行加工；即可得到不同结构及浸润性的接触角大于150°、滚动角小于10°的防冰超疏水聚四氟乙烯表面。本发明制备方法可精密调控表面微纳结构及浸润性，过程简单，效率、精度高，可大面积制备，克服了因低表面能修饰存在的污染环境及稳定性差的问题，继承了聚四氟乙烯优良的理化性能，可用于对结构和浸润性有精密要求的高精端领域，如微流控、人造器官等；具有优异的低温防冰性能，‑25℃表面仍没有覆冰发生，可应用于航空、高速列车、电力系统等防止冰雪灾害，在工业和日常生产中具有应用潜力。

技术领域

本发明属于激光改性表面及微纳加工领域，涉及一种表面微纳结构及浸润性可控防冰超疏水表面的制备方法，尤其涉及飞秒激光制备结构及浸润性可精准调控的防冰聚四氟乙烯超疏水表面的方法。

背景技术

接触角大于150°、滚动角小于10°的仿生荷叶效应超疏水材料具有独特的界面浸润性特征，其在生物药学、化学、物理学、材料学、界面设计以及其它相关学科中有重要的科研及应用价值，具有防污染、防腐蚀、减阻、防覆冰、抗菌/抗生物粘附等特性，可广泛应用于水处理、金属防护、流体减阻、航空航海、电力电子、芯片系统、生物医学、微流体器件、特种液芯光纤、人造器官等众多领域。

制备超疏水表面主要有两种途径，一是在表面构造合适的粗糙结构然后进行低表面能化学修饰，二是在具有低表面能物质的表面构造合适的粗糙结构。目前广泛使用的化学刻蚀法、电/化学沉积法、水浴/水热法、阳极氧化法、模板法等都是基于第一种途径，这些方法制备大多过程繁琐，使用的含氟、硅烷长碳链等低表面能化学修饰剂不仅价格昂贵，而且还有一定的毒性，大量使用会造成环境污染，化学修饰的表面稳定性、耐候性、耐刮擦性都比较差，也不能对表面微纳结构和浸润性进行准确的控制，不适合大规模生产应用，因此急需研究开发新的制备方法。

近年来，采用激光在聚四氟乙烯表面加工制备超疏水表面的方法受到研究者的关注。申请号为CN201410787518.4的专利公开了一种在聚四氟乙烯表面一步激光法制备接触角可调的超疏水表面材料的方法，该方法使用的二氧化碳激光器功率较高，能耗高，而且加工为基于烧蚀的“热加工”机理，加工过程中聚四氟乙烯分解会产生氟化氢、一氧化碳等有毒有害物质，有一定的危险性。申请号为CN201811353052.1的专利公开了一种聚四氟乙烯表面水粘附力的精确连续调控方法，该方法在聚四氟乙烯表面加工由热影响作用形成波纹式的凸起结构，虽然可制备出超疏水表面，但同样存在热烧蚀作用，而且在表面形成的凸起结构不稳定，易被磨损掉。申请号为CN201811135304.3的专利公开了一种红外激光制备超疏水锌合金表面的方法，该方法使用红外激光打标机刻蚀铝合金表面后经硬脂酸乙醇溶液修饰得到超疏水表面，涉及到化学药品的使用，需要额外进行修饰，不环保，而且化学修饰的表面性质不稳定，不耐用。申请号为201410788485.5的专利公开了一种飞秒激光制备仿生超疏水微纳表面的方法及装置，该方法使用飞秒激光在钛合金表面加工制备超疏水表面，需要消耗较多的能量，成本高。

聚四氟乙烯材料具有一系列优良的理化性能，抗酸碱，耐腐蚀，耐高低温，耐候稳定性好，具有较好的生物相容性，被广泛应用于航空航天、电子电气、机械仪器、生物医疗、人造器官等许多领域。飞秒激光对材料不产生“热损伤”副作用，耗能低，基于“冷加工”机制，广泛应用于工业制造、微纳加工、生物医学等领域。

本发明结合聚四氟乙烯优异的耐候性和飞秒激光友好精密的加工性能提出一种飞秒激光制备结构及浸润性可调控防冰聚四氟乙烯超疏水表面的方法。首先设计所需加工的表面结构，和合适的激光加工工艺参数，经飞秒激光加工后就可以得到特殊结构和浸润性的超疏水表面。该方法工艺流程简单，结构可设计，浸润性可精准调控，表面形成的具有一定深度的微纳米双重微结构的沟槽结构使得超疏水性能稳定，疏水-超疏水相交织的双重浸润性复合型结构表面增加了热阻，结合聚四氟乙烯本身的隔热性能，可显著提高其防冰性能，继承了聚四氟乙烯优良的耐候性等物理化学性能，适合工业化生产应用。

发明内容