CN106112283B - 一种提高激光辅助超临界流体高分子材料加工速率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高激光辅助超临界流体高分子材料加工速率的方法，包括以下步骤：以适当配比的低浓度烧碱水溶液和一种可以与烧碱水溶液混溶的化学溶剂的混合溶液为超临界流体溶剂，其中利用低浓度烧碱水溶液为超临界流体水解的催化剂，而化学试剂用来浸湿高分子材料表面；选择一种可见/红外脉冲激光作为激光源，使得脉冲激光通过物镜聚焦在所述高分子材料和混合溶液的界面上，当超短脉冲激光的能流密度大于等于阈值能流密度时，焦点处的高分子材料发生超临界态化学水解，随着脉冲激光焦点的移动，在高分子材料上进行微加工，在混合溶液的作用下提高激光辅助超临界流体高分子材料加工效率。本发明可提高激光辅助超临界流体高分子材料精密加工效率。

Description

一种提高激光辅助超临界流体高分子材料加工速率的方法
技术领域
本发明涉及高分子材料精密加工技术领域，尤其涉及一种提高激光辅助超临界流体高分子材料加工速率的方法。
背景技术
高分子材料具有良好的透明性和生物相容性，在光机电系统和生物医疗微器件领域有巨大的应用潜力。激光加工是一种无接触加工，而且对加工区周围影响较小，因此，在工业加工领域有广泛应用。但是，激光加工能力有赖于高分子材料对激光的吸收特性。大多数的透明高分子材料都是弱吸收体，吸收波段在193nm以下的真空紫外区。如果入射激光被高分子材料强吸收，化学键能被直接打破，高分子材料离解成单体，产生烧蚀。这个过程不产生液相，是光化学过程，具有最小的热影响。随激光波长的增加，高分子材料吸收迅速下降，需要热激活光化学过程，所以，存在熔化推动的去除过程，在烧蚀坑底和边缘遗留下痕迹，甚至是较大的熔融再凝固组织。真空紫外波段的激光加工效果好，但是这一波段的激光器成本高，而且，大多采用有毒气体作为激光工作物质，对工作人员和环境有影响。而波长较长的可见光/红外波段的激光器商业化程度较高，但是，加工质量存在明显的热影响区。如何消除/降低激光加工过程的热影响是可见/红外波段激光高分子材料加工技术工业应用必须克服的瓶颈。
高分子材料可以在超临界水中降解气体、小分子片段或单体，因此，可以利用这一现象进行高分子材料选区加工，即激光在水和高分子材料界面处被吸收，受水的局域作用产生高温高压的超临界态。只要激光功率达到一定数值，就可以通过激光焦点的扫描，在激光焦点经过的路径上通过超临界流体溶解机制去除高分子材料，实现选区加工。但是，超临界水降解的速率较低，必须提高降解速率。
高分子材料可以在烧碱水溶液的催化作用下提高超临界水降解速率。但是，如果烧碱水溶液浓度较高，化学水解过程难以控制，不能实现精密加工；而烧碱水溶液浓度较低时，由于大多数高分子材料表面是疏水性的，低浓度化学试剂催化剂(例如，NaOH水溶液)不容易打破材料表面化学键，因此，需要利用一种环境友好型的(可以与NaOH水溶液混溶)化学溶剂来浸湿高分子材料表面。
参考文献：
[1]张现刚,潘志彦,金赞芳,方宇媛,林春绵.超亚临界水中聚碳酸酯催化解聚研究.浙江工业大学学报,2010,38(6):597-601.
[2]专利名称：飞秒激光辅助超临界流体进行高分子材料微加工方法，发明人：贾威、于俭、胡明烈、柴路、王清月，专利号：ZL2012100905264；公开日：2012年7月25日。
[3]Jian Yang,Yuqing Wan,Chifeng Tu,Qing Cai,Jianzhong Beiand ShenguoWang,Enhancing the cell affinity of macroporous poly(l-lactide)cell scaffoldby a convenient surface modification method,Polymer International 52(12):1892-1899.
发明内容
本发明提供了一种提高激光辅助超临界流体高分子材料加工速率的方法，本发明提出利用乙醇来浸湿高分子材料表面，辅助氢氧根进行化学水解，以此提高激光辅助超临界流体高分子材料精密加工效率，详见下文描述：
一种提高激光辅助超临界流体高分子材料加工速率的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)以适当配比的低浓度烧碱水溶液和一种可以与烧碱水溶液混溶的化学溶剂的混合溶液为超临界流体溶剂，其中利用低浓度烧碱水溶液为超临界流体水解的催化剂，而化学试剂用来浸湿高分子材料表面；
(2)选择一种可见/红外脉冲激光作为激光源，使得脉冲激光通过物镜聚焦在所述高分子材料和混合溶液的界面上，当超短脉冲激光的能流密度大于等于阈值能流密度时，焦点处的高分子材料发生超临界态化学水解，随着脉冲激光焦点的移动，在高分子材料上进行微加工，在混合溶液的作用下提高激光辅助超临界流体高分子材料加工效率。
本发明提供的技术方案的有益效果是：与激光直接加工方法相比，可提高激光辅助超临界流体高分子材料精密加工效率。
附图说明
图1为一种提高激光辅助超临界流体高分子材料精密加工效率的方法的流程图；
图2为本发明采用的装置示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：激光光束； 2：物镜；
3：石英玻璃窗口； 4：高分子材料样品；
5：NaOH水溶液和乙醇混合溶液； 6：密封门；
7：容器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
本发明实施例提供了一种提高激光辅助超临界流体高分子材料精密加工效率的方法，参见图1和图2，该方法包括以下步骤：
101：制作一个带石英玻璃窗口的可密封容器7；
具体实现时，根据实际应用中的石英玻璃窗口3要求表面光洁、平行度良好；容器7的密封方式可以采用橡胶垫等，以及待处理高分子材料样品的固定方式，本发明实施例对此不做限制。
102：将一块待处理高分子材料样品4固定在石英玻璃窗口3的内表面上，向可密封容器7内注入适量的低浓度NaOH水溶液和乙醇的混合溶液5，密封；选择一种能透过玻璃容器7和高分子材料样品4的激光光束1(例如：采用可见或红外激光器作为激光源)；调节激光光路，使得激光光束1通过物镜2聚焦在待处理高分子样品4的另一个表面、以及混合溶液5的界面上；
103：当激光光束1的强度大于等于高分子材料样品4表面或水的多光子吸收阈值时，高分子材料样品4的表面上激光焦点范围内发生多光子吸收电离，产生自由电子，即种子电子，种子电子吸收激光能量，通过碰撞电离，产生大量的自由电子；
具体实现时，根据实际应用中的高分子材料样品4需要确定激光光束1的功率，激光光束1通常选取脉冲宽度为飞秒或皮秒或纳秒数量级，混合溶液5的深度以及是否流动本发明实施例对此不做限制。
104：当自由电子吸收激光能量，形成高温高压，达到超临界流体阈值时，发生超临界化学水解过程，实现焦点范围内高分子材料样品4表面的选区化学降解，在高分子材料表面实现高分子材料的选区去除；
实际应用时，随着激光光束1沿着预先设计的路线进行扫描，达到精密加工的目的。其中，超临界流体阈值根据实际应用中的高分子材料样品4的特性设定，具体实现时本发明实施例对此不做限制。
105：将高分子材料样品4卸下，利用去离子水进行超声清洗。
综上所述，本发明实施例提出利用乙醇来浸湿高分子材料样品4的表面，辅助氢氧根进行化学水解，以此提高激光辅助超临界流体高分子材料精密加工效率。
实施例2
下面结合图2对实施例1中的方案进行详细的介绍，详见下文描述：
将一块待处理高分子材料样品--聚乳酸片材4固定在石英玻璃窗口3的内表面上，其次，选择一种能透过可密封容器7和高分子材料样品4的激光——可见或红外激光器作为激光源；以0.25M NaOH水溶液和无水乙醇(1:1体积比)的混合溶液5为例。
超短脉冲激光采用脉冲宽度为10～10000飞秒、重复频率为0.5～50MHz、功率为1～20W；使超短脉冲激光通过数值孔径为0.05～1.4物镜2聚焦在的聚乳酸片4、以及0.25MNaOH水溶液和无水乙醇(1:1体积比)混合溶液5的界面上。
当超短脉冲激光强度大于等于聚乳酸多光子吸收电离阈值光强时，聚乳酸片4的表面上激光焦点范围内发生多光子吸收电离，产生自由电子，即种子电子，种子电子吸收激光能量，通过碰撞电离过程，产生大量自由电子；自由电子吸收激光能量后，传递给原子，产生高温高压，直到达到超临界流体阈值时，发生超临界氧化，实现焦点范围内聚乳酸片4的选区去除。随着激光沿着预先设计的路线进行扫描，达到精密加工的目的。卸下高分子材料样品4，进行去离子水超声清洗。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种提高激光辅助超临界流体高分子材料加工速率的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)以适当配比的低浓度烧碱水溶液和一种可以与烧碱水溶液混溶的化学溶剂的混合溶液为超临界流体溶剂，其中利用低浓度烧碱水溶液为超临界流体水解的催化剂，而化学试剂用来浸湿高分子材料表面；
(2)选择一种可见/红外脉冲激光作为激光源，使得脉冲激光通过物镜聚焦在所述高分子材料和混合溶液的界面上，当超短脉冲激光的能流密度大于等于阈值能流密度时，焦点处的高分子材料发生超临界态化学水解，随着脉冲激光焦点的移动，在高分子材料上进行微加工，在混合溶液的作用下提高激光辅助超临界流体高分子材料加工效率；
其中，低浓度烧碱水溶液为0.25M NaOH水溶液，化学溶剂为1:1体积比无水乙醇。
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水解木质素在超临界乙醇溶液中的催化液化(Ⅱ) 反应时间、液固比和反应气氛对反应的影响;徐敏强 等;《太阳能学报》;20070728;第28卷(第7期);正文全文 *
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