CN106903436B - 一种脉冲激光制备半透明硅橡胶超疏水自清洁表面的方法 - Google Patents

一种脉冲激光制备半透明硅橡胶超疏水自清洁表面的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种脉冲激光制备半透明硅橡胶超疏水自清洁表面的方法，包括取反光板，并将其上表面进行抛光处理，并清洗吹干；将半透明硅橡胶样品置于所述反光板上，采用脉冲激光对半透明硅橡胶样品的上表面进行扫描处理，所述脉冲激光穿过半透明硅橡胶样品，经过所述反光板反射后照射在半透明硅橡胶样品的下表面，并在半透明硅橡胶样品的下表面形成微纳结构，制备得到超疏水自清洁表面。本发明的制备方法工艺简单，仅改变半透明硅橡胶表层的结构，而不改变其任何组成，激光加工效率高，能耗少，成本低且绿色环保；可在宽的工艺条件范围内获得超疏水的硅橡胶表面，安全可靠，制备得到的超疏水硅橡胶表面性能稳定。

Description

一种脉冲激光制备半透明硅橡胶超疏水自清洁表面的方法
技术领域
本发明涉及硅橡胶材料表面改性技术领域，尤其涉及一种脉冲激光制备半透明硅橡胶超疏水自清洁表面的方法。
背景技术
硅橡胶由于具有较好的疏水性及独特的疏水性恢复能力及其它诸多性能(如电绝热、热稳定、无毒等)，已被广泛地应用于许多工业与技术领域，例如汽车工业、电子电器工业、宇航工业、建筑工业、医疗设备等。有机硅橡胶几乎应用于汽车行业的各个方面，硅橡胶形成的密封防漏、耐用，在极限温度压力下不会出现裂缝或破裂；硅橡胶制成的火花塞能避免水溅、潮湿及灰尘，同时还具有良好的电气绝缘特性及耐热性能；硅橡胶连接器可以保护汽车内的电器连接，避免出现受潮及腐蚀。硅橡胶在电子行业中也具有十分广泛的应用，常用于发动机密封垫、控制装置垫圈、电子封装及退耦降噪的特殊元件的绝缘、密封及保护。然而，硅橡胶的疏水性仍不够高，以致不能完全阻止水分和污染物的吸附,导致硅橡胶制品难以彻底防污、绝缘。因此，进一步提高硅橡胶的表面疏水性对许多技术领域都至关重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种工艺简单，制备效率高、绿色环保的半透明硅橡胶超疏水自清洁表面的制备方法。本发明所采用的方法可以在半透明硅橡胶表面获得长期稳定的超疏水自清洁表面，提高半透明硅橡胶制品的防污、绝缘性能。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种工艺简单，制备效率高、绿色环保的半透明硅橡胶超疏水自清洁表面的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：取反光板，并将其上表面进行抛光处理，并清洗吹干；
步骤2：将半透明硅橡胶样品置于所述反光板上，采用脉冲激光对半透明硅橡胶样品的上表面进行扫描处理，同时，所述脉冲激光穿过半透明硅橡胶样品，经过所述反光板反射后照射在半透明硅橡胶样品的下表面，并在半透明硅橡胶样品的下表面形成微纳结构，制备得到超疏水自清洁表面。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步：所述反光板采用金属材质，且经过抛光处理后的所述反光板表面粗糙度Ra<1μm。
上述进一步方案的有益效果是：采用金属材质主要是利用其反光性较好，通过抛光处理可以确保其表面具有较好的反光度，从而将脉冲激光反射到半透明硅橡胶的下表面，激光能量损失小，利用率较高。
进一步：所述步骤2中，所述脉冲激光的波长范围为800nm-2000nm，所述脉冲激光的脉宽短于600ns。
进一步：所述脉冲激光的波长为1064nm，所述脉冲激光的脉宽范围为100fs-240ns。
进一步：所述步骤2中，采用振镜系统对半透明光橡胶表面进行扫描，扫描速度为0.1mm/s-30m/s，脉冲激光的通断及振镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定。
进一步：所述步骤2中，采用多棱镜系统对半透明光橡胶表面进行扫描，扫描速度为1m/s-800m/s，脉冲激光的通断及多棱镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定。
进一步：所述步骤2中，采用运动平台系统对半透明光橡胶表面进行扫描，扫描速度为0.1mm/s-3m/s，脉冲激光的通断及平台的运动轨迹和速度均由计算机程序控制和设定。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用的激光制备方法工艺简单、技术成熟，仅改变半透明硅橡胶表层的结构，而不改变其任何组成，与使用化学试剂对硅橡胶表面改性相比，激光加工效率高，能耗少，成本低且绿色环保；
(2)采用本发明方法，可在宽的工艺条件范围内获得超疏水(水的接触角大于150°)的硅橡胶表面，对于实际的应用有很重要的作用；
(3)本发明工艺简单且安全可靠，适用于加工各种形状及规格的半透明硅橡胶制品或覆盖有半透明硅橡胶的制品，制备得到的超疏水硅橡胶表面性能稳定。
本发明还提供了一种采用上述方法制备得到的半透明硅橡胶超疏水自清洁表面，所述表面具有微米级颗粒状结构。
附图说明
图1中(1a)、(1b)分别为本发明实施案例1利用脉冲激光制备得到的半透明硅橡胶超疏水自清洁表面的接触角示意图、表面形貌示意图；
图2中(2a)、(2b)分别为本发明实施案例2利用脉冲激光制备得到的半透明硅橡胶超疏水自清洁表面的接触角示意图、表面形貌示意图；
图3中(3a)、(3b)分别为本发明实施案例3利用脉冲激光制备得到的半透明硅橡胶超疏水自清洁表面的接触角示意图、表面形貌示意图；
图4为本发明实施例1利用脉冲激光制备得到的半透明硅橡胶超疏水自清洁表面的扫描电镜图；
图5为本发明实施例2利用脉冲激光制备得到的半透明硅橡胶超疏水自清洁表面的扫描电镜图；
图6为本发明实施例3利用脉冲激光制备得到的半透明硅橡胶超疏水自清洁表面的扫描电镜图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种脉冲激光制备半透明硅橡胶超疏水自清洁表面的方法，包括如下步骤：
步骤1：取反光板，并将其上表面进行抛光处理，并清洗吹干；
步骤2：将半透明硅橡胶样品置于所述反光板上，采用脉冲激光对半透明硅橡胶样品的上表面进行扫描处理，同时，所述脉冲激光穿过半透明硅橡胶样品，经过所述反光板反射后照射在半透明硅橡胶样品的下表面，并在半透明硅橡胶样品的下表面形成微纳结构，制备得到超疏水自清洁表面。
本发明中，所述反光板采用金属材质，且经过抛光处理后的所述反光板表面粗糙度Ra<1μm。采用金属材质主要是利用其反光性较好，通过抛光处理可以确保其表面具有较好的反光度，从而将脉冲激光反射到半透明硅橡胶的下表面，激光能量损失小，利用率较高。
本发明中，所述步骤2中，所述脉冲激光的波长范围为800nm-2000nm，所述脉冲激光的脉宽短于600ns。
优选地，所述脉冲激光的波长为1064nm，所述脉冲激光的脉宽范围为100fs-240ns。
优选地，所述步骤2中，采用振镜系统对半透明光橡胶表面进行扫描，扫描速度为0.1mm/s-30m/s，脉冲激光的通断及振镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定。
优选地，所述步骤2中，采用多棱镜系统对半透明光橡胶表面进行扫描，扫描速度为1m/s-800m/s，脉冲激光的通断及多棱镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定。
优选地，所述步骤2中，采用运动平台系统对半透明光橡胶表面进行扫描，扫描速度为0.1mm/s-3m/s，脉冲激光的通断及平台的运动轨迹和速度均由计算机程序控制和设定。
实施例1
步骤1、对304不锈钢反光板表面进行抛光，得到粗糙度Ra＝0.0046μm的表面，将抛光后的不锈钢反光板表面清洗干净并吹干；
步骤2、采用脉冲激光器，激光器波长为1064nm，对半透明硅橡胶样品表面进行激光扫描处理。处理时，将半透明硅橡胶样品放置于不锈钢反光板表面，脉冲激光照射在样品上表面时，脉冲激光会透过样品，经不锈钢表面反射后照射在样品的下表面。所述激光器脉宽为240ns，单脉冲能量为0.25mJ，重复频率为160kHz，采用利用振镜系统，使脉冲激光束以2242mm/s的速度逐行逐列照射半透明硅橡胶样品表面，半透明硅橡胶样品加工范围为100mm x 100mm。所述振镜系统由高速旋转的X-Y光学扫描头、电子驱动放大器、光学反射镜片和场镜组成，振镜系统的扫描速度、扫描范围及扫描路径均由电脑控制器进行控制和设定。
利用光学接触角表面界面张力测量仪测试所述得到的硅橡胶超疏水自清洁表面的接触角：采用接取法测量，在加液针头下形成所需体积的悬挂液滴，调节样品平台的Z轴使样品表面上升，当样品表面与加液针头下悬挂的液滴底部接触时，液滴就从加液针头转移到样品表面，然后再通过调节样品台Y轴使样品表面下降到原来的位置进行测量，由于制备得到的硅橡胶表面超疏水性能优异，3-8微升的水滴无法附着，所以水滴体积为9微升，测试温度为20℃，湿度为48％RH。
本实施例制备得到的半透明硅橡胶超疏水自清洁表面，其扫描电镜照片如图4所示，其表面呈现微米级的颗粒状结构。
本实施例制备得到的半透明硅橡胶超疏水自清洁表面与水的接触角示意图如图1(1a)所示，表面形貌示意图如图1(1b)所示。
本实施例制备得到的半透明硅橡胶超疏水自清洁表面与水的接触角为157.9°，表面粗糙度Ra＝1.202μm，测试结果见表1。
实施例2
步骤1、对铝质反光板表面进行抛光，得到粗糙度Ra＝0.584μm的表面，将抛光后的铝表面清洗干净并吹干；
步骤2、采用脉冲激光器，激光器波长为1064nm，对半透明硅橡胶样品上表面进行激光扫描处理。处理时，将半透明硅橡胶样品放置在铝质反光板表面，脉冲激光照射在半透明硅橡胶样品上表面时，脉冲激光会透过半透明硅橡胶样品，经铝质反光板表面反射后照射在半透明硅橡胶样品的下表面。所述激光器脉宽为80ns，单脉冲能量为0.46mJ，重复频率为87kHz，采用振镜系统，使脉冲激光束以1219mm/s的速度逐行逐列照射半透明硅橡胶样品表面，半透明硅橡胶样品加工范围为100mm x 100mm。所述振镜系统由高速旋转的X-Y光学扫描头、电子驱动放大器、光学反射镜片和场镜组成，振镜系统的扫描速度、扫描范围及扫描路径均由电脑控制器进行控制和设定。
利用光学接触角表面界面张力测量仪测试所述得到的硅橡胶超疏水自清洁表面的接触角：采用接取法测量，在加液针头下形成所需体积的悬挂液滴，调节样品平台的Z轴使样品表面上升，当样品表面与加液针头下悬挂的液滴底部接触时，液滴就从加液针头转移到样品表面，然后再通过调节样品台Y轴使样品表面下降到原来的位置进行测量，由于制备得到的硅橡胶表面超疏水性能优异，3-8微升的水滴无法附着，所以水滴体积为9微升，测试温度为20℃，湿度为48％RH。
本实施例制备得到的半透明硅橡胶超疏水自清洁表面，其扫描电镜照片如图5所示，其表面呈现微米级的颗粒状结构。
本实施例制备得到的半透明硅橡胶超疏水自清洁表面与水的接触角示意图如图2(2a)所示，表面形貌示意图如图2(2b)所示。
本实施例制备得到的半透明硅橡胶超疏水自清洁表面与水的接触角为163.7°，表面粗糙度Ra＝0.562μm，测试结果见表1。
实施例3
步骤1、对不锈钢反光板表面进行抛光，得到粗糙度Ra＝0.0046μm的表面，将抛光后的不锈钢反光板表面清洗干净并吹干；
步骤2、采用脉冲激光器，激光器波长为1064nm，对半透明硅橡胶样品表面进行激光扫描处理。处理时，将半透明硅橡胶样品放置于不锈钢表面，脉冲激光照射在半透明硅橡胶样品上表面时，脉冲激光会透过半透明硅橡胶样品，经不锈钢反光板表面反射后照射在半透明硅橡胶样品的下表面。所述激光器脉宽为13ns，单脉冲能量为0.1mJ，重复频率为400kHz，利用振镜系统，使脉冲激光束以4500mm/s的速度逐行逐列照射半透明硅橡胶样品表面，半透明硅橡胶样品加工范围为100mm x 100mm。所述振镜系统由高速旋转的X-Y光学扫描头、电子驱动放大器、光学反射镜片和场镜组成，振镜系统的扫描速度、扫描范围及扫描路径均由电脑控制器进行控制和设定。
利用光学接触角表面界面张力测量仪测试所述得到的硅橡胶超疏水自清洁表面的接触角：采用接取法测量，在加液针头下形成所需体积的悬挂液滴，调节样品平台的Z轴使样品表面上升，当样品表面与加液针头下悬挂的液滴底部接触时，液滴就从加液针头转移到样品表面，然后再通过调节样品台Y轴使样品表面下降到原来的位置进行测量，由于制备得到的硅橡胶表面超疏水性能优异，3-8微升的水滴无法附着，所以水滴体积为9微升，测试温度为20℃，湿度为48％RH。
本实施例制备得到的半透明硅橡胶超疏水自清洁表面，其扫描电镜照片如图6所示，其表面呈现微米级的颗粒状结构。
本实施例制备得到的半透明硅橡胶超疏水自清洁表面与水的接触角示意图如图3(3a)所示，表面形貌示意图如图3(3b)所示。
本实施例制备得到的半透明硅橡胶超疏水自清洁表面与水的接触角为151.2°，表面粗糙度Ra＝0.497μm，测试结果见表1。
表1为本发明各实施案例制备得到的半透明硅橡胶超疏水自清洁表面接触角、粗糙度的测试结果。其中，接触角测量所用水滴为9微升。
表1
实施案例 接触角/° 表面粗糙度/μm
实施案例1 159.7 1.202
实施案例2 163.7 0.562
实施案例3 151.2 0.497
本发明的半透明硅橡胶超疏水自清洁表面制备方法具有如下优点：
(1)本发明采用的激光制备方法工艺简单、技术成熟，仅借助反光板即可改变半透明硅橡胶的下表面的表层结构，而不改变其任何组成，与使用化学试剂对硅橡胶表面改性相比，激光加工效率高，能耗少，成本低且绿色环保；
(2)采用本发明方法，可在宽的工艺条件范围内获得超疏水(水的接触角大于150°)的硅橡胶表面，对于实际的应用有很重要的作用；
(3)本发明工艺简单且安全可靠，适用于加工各种形状及规格的半透明硅橡胶制品或覆盖有半透明硅橡胶的制品，制备得到的超疏水硅橡胶表面性能稳定。
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 (8)

1.一种脉冲激光制备半透明硅橡胶超疏水自清洁表面的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：取反光板，并将其上表面进行抛光处理，并清洗吹干；
步骤2：将半透明硅橡胶样品置于所述反光板上，采用脉冲激光对半透明硅橡胶样品的上表面进行扫描处理，同时，所述脉冲激光穿过半透明硅橡胶样品，经过所述反光板反射后照射在半透明硅橡胶样品的下表面，并在半透明硅橡胶样品的下表面形成微纳结构的超疏水自清洁表面。
2.根据权利要求1所述脉冲激光制备半透明硅橡胶超疏水自清洁表面的方法，其特征在于：所述反光板采用金属材质，且经过抛光处理后的所述反光板表面粗糙度Ra<1μm。
3.根据权利要求1所述脉冲激光制备半透明硅橡胶超疏水自清洁表面的方法，其特征在于：所述步骤2中，所述脉冲激光的波长范围为800nm-2000nm，所述脉冲激光的脉宽短于600ns。
4.根据权利要求3所述脉冲激光制备半透明硅橡胶超疏水自清洁表面的方法，其特征在于：所述脉冲激光的波长为1064nm，所述脉冲激光的脉宽范围为100fs-240ns。
5.根据权利要求1至4任一项所述脉冲激光制备半透明硅橡胶超疏水自清洁表面的方法，其特征在于：所述步骤2中，采用振镜系统对半透明光橡胶表面进行扫描，扫描速度为0.1mm/s-30m/s，脉冲激光的通断及振镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定。
6.根据权利要求1至4任一项所述脉冲激光制备半透明硅橡胶超疏水自清洁表面的方法，其特征在于：所述步骤2中，采用多棱镜系统对半透明光橡胶表面进行扫描，扫描速度为1m/s-800m/s，脉冲激光的通断及多棱镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定。
7.根据权利要求1至4任一项所述脉冲激光制备半透明硅橡胶超疏水自清洁表面的方法，其特征在于：所述步骤2中，采用运动平台系统对半透明光橡胶表面进行扫描，扫描速度为0.1mm/s-3m/s，脉冲激光的通断及平台的运动轨迹和速度均由计算机程序控制和设定。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的方法制备得到的半透明硅橡胶超疏水自清洁表面，所述表面具有微米级颗粒状结构。
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