CN107039131A - 一种脉冲激光制备硅橡胶超疏水自清洁表面的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种脉冲激光制备硅橡胶超疏水自清洁表面的方法，采用脉冲激光对硅橡胶样品表面进行激光扫描处理，在硅橡胶样品表面形成微纳结构，制备得到超疏水自清洁表面。本发明采用的激光制备方法工艺简单、技术成熟，仅改变硅橡胶表层的结构，而不改变其任何体组成、结构与特性。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；采用本发明方法，可在宽的工艺条件范围内获得超疏水的硅橡胶表面，对于实际的应用有很重要的作用；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硅橡胶制品或覆盖有硅橡胶的制品，制备得到的超疏水硅橡胶表面性能稳定，特别适用于大规模的工业生产。

Description

一种脉冲激光制备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，尤其涉及脉冲激光器制备有色绝缘硅橡胶超疏水、防污闪的表面的制备方法。
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，尤其是在电力工业。硅橡胶绝缘子与陶瓷绝缘子相比具有更多的优势。一方面它重量轻，容易操作且安全；另一方面陶瓷绝缘子经常受到破裂的困扰，而硅橡胶绝缘子则能抗击车辆碰撞电线杆之类的机械冲击。硅橡胶绝缘子因具有防水性能，不会发生因水滴落下而发生漏电和表面电弧现象，常被应用于高压输电线路。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，导致硅橡胶绝缘子在高电压下的污闪仍会发生，尤其是在高温和重污染的地区。另外，硅橡胶的疏水性的疏水恢复能力会因体内低分子量液体在使用过程中的减少或耗尽而降低或丧失。因此，进一步提高硅橡胶的表面疏水性不仅对电力工业，对其它工业和技术领域也至关重要。申请号为201410553731.9的专利公开提高硅橡胶表面疏水性的方法，首先在密闭的反应室中对硅橡胶制品或覆盖有硅橡胶的物品进行氟化处理；然后再温控炉中对氟化处理的硅橡胶制品或覆盖有硅橡胶的物品进行热交联处理，该方法需多次在密闭高温环境中对物品进行处理且需要多种气体，工艺复杂、成本较高。申请号为200810232743.6的专利公开了一种硅橡胶表面疏水性涂层的制备方法，该方法以正硅酸乙脂为前躯体，无水乙醇为熔剂，在碱性催化的条件下，制备出二氧化硅溶胶，并加入硅烷偶联剂，对其进行改性处理；硅橡胶绝缘子表面清洁处理后，浸入改性的二氧化硅溶胶中进行提拉法镀膜，形成一次涂层，得到具有类似于芋头叶子的微纳米级粗糙结构；干燥后再浸入自制的氟硅烷溶胶中提拉法二次镀膜，然后放入烘箱中100-120摄氏度热处理。一次涂层微纳米级粗糙结构经过具有低表面氟硅烷溶胶二次镀膜修饰，得到能耐酸碱的透明的的疏水性涂层，该方法不仅工艺复杂，成本高且使用了大量的化学试剂，对环境污染较大。申请号为200910021660.7的专利公开了一种硅橡胶绝缘子超疏水性表面的制备方法，其特征在于，包括下述步骤:(1)用分样筛，将磨料筛分出240目至2000目不同目数的砂粒，放置备用；(2)在硅橡胶绝缘子模具的内表面用硅烷偶联剂处理，然后在模具内表面均匀喷涂一层粘接剂；(3)在喷涂完粘接剂的模具内表面，再均匀喷撒一层筛分好的砂粒，晾干；(4)将绝缘子用液体硅橡胶按照硅橡胶常规成型工艺浇注在模具内，使其固化；(5)待硅橡胶固化完毕后，脱去模具，得到的硅橡胶绝缘子即具有超疏水性表面。该方法虽然工艺简单，适合大规模生产，但对于已生产或已使用的硅橡胶绝缘子，无法改变其表面结构，有一定的应用局限性。
综上所述，开发出一种工艺简单，制备效率高，适用于产业化应用，且不产生任何环境污染，能实现硅橡胶表面超疏水自清洁性能的方法，是目前科研工作者亟待解决的技术问题。
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、绿色环保的硅橡胶自清洁表面的制备方法。本发明所采用的方法可以在各种规格的硅橡胶表面获得长期稳定的超疏水表面，提高硅橡胶制品或盖有硅橡胶层的物品(如绝缘子)的户外抗污性能。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种脉冲激光制备硅橡胶超疏水自清洁表面的方法，采用脉冲激光对硅橡胶样品表面进行激光扫描处理，在硅橡胶样品表面形成微纳结构，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：所述脉冲激光的波长小于3000nm，所述脉冲激光的脉宽短于600ns，所述脉冲激光的重复频率范围为50Hz-1MHz。
进一步：所述脉冲激光的波长范围为800-2000nm；所述脉冲激光的脉宽范围为100-240ns。
进一步：采用振镜扫描系统对硅橡胶样品表面进行激光扫描处理，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：采用多棱镜扫描系统对硅橡胶样品表面进行扫描处理，扫描速度为1m/s-80m/s，脉冲激光的通断及多棱镜扫描系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定。
进一步：采用运动平台系统对硅橡胶样品表面进行扫描处理，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，仅改变硅橡胶表层的结构，而不改变其任何体组成、结构与特性。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硅橡胶制品或覆盖有硅橡胶的制品，制备得到的超疏水硅橡胶表面性能稳定，特别适用于大规模的工业生产(如硅橡胶绝缘子的自清洁表面制备)。
附图说明
图1中(1a)、(1b)分别为本发明实施例1脉冲激光制备得到的硅橡胶超疏水自清洁表面的接触角示意图、滚动角示意图；
图2中(2a)、(2b)分别为本发明实施例2脉冲激光制备得到的硅橡胶超疏水自清洁表面的接触角示意图、滚动角示意图；
图3中(3a)、(3b)分别为本发明实施例3脉冲激光制备得到的硅橡胶超疏水自清洁表面的接触角示意图、滚动角示意图；
图4中(4a)、(4b)分别为本发明实施例4脉冲激光制备得到的硅橡胶超疏水自清洁表面的接触角示意图、滚动角示意图；
图5为本发明实施例1脉冲激光制备得到的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2脉冲激光制备得到的硅橡胶超疏水自清洁表面的扫描电镜图；
图7为本发明实施例3脉冲激光制备得到的硅橡胶超疏水自清洁表面的扫描电镜图；
图8为本发明实施例4脉冲激光制备得到的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。
一种脉冲激光制备硅橡胶超疏水自清洁表面的方法，采用脉冲激光对硅橡胶样品表面进行激光扫描处理，在硅橡胶样品表面形成微纳结构，制备得到超疏水自清洁表面。
本发明中，所述脉冲激光的波长范围为800-2000nm，所述脉冲激光的脉宽短于600ns，所述脉冲激光的重复频率范围为50Hz-1MHz。
优选地，所述脉冲激光的波长范围为1064nm；所述脉冲激光的脉宽范围为100fs-240ns。
优选地，采用振镜扫描系统对硅橡胶样品表面进行激光扫描处理，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，采用多棱镜扫描系统对硅橡胶样品表面进行扫描处理，扫描速度为1m/s-80m/s，脉冲激光的通断及多棱镜扫描系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定。
优选地，采用运动平台系统对硅橡胶样品表面进行扫描处理，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
实验步骤：采用脉冲激光器，激光器波长为1064nm，硅橡胶样品表面进行激光扫描加工；所述激光器脉宽为240ns，单脉冲能量为0.5mJ，重复频率为80kHz，所述激光扫描利用振镜系统，使激光束以1121mm/s的速度逐行逐列照射硅橡胶样品表面，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计算机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、滚动角：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，滚动角示意图如图1(1b)所示。
本实施例制备得到的硅橡胶超疏水自清洁表面与水的接触角为161.2°，滚动角为2.3°，测试结果见表1。
实施案例2
实验步骤：采用脉冲激光器，激光器波长为1064nm，硅橡胶样品表面进行激光扫描加工；所述激光器脉宽为10ns，单脉冲能量为0.07mJ，重复频率为571kHz，所述激光扫描利用振镜系统，使激光束以4000mm/s的速度逐行逐列照射硅橡胶样品表面，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计算机控制器进行控制和设定。
采用上述实施案例1相同的测试方法测试所述得到的硅橡胶超疏水自清洁表面的接触角、滚动角。
本实施例制备得到的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絮状结构。
本实施例制备得到的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，滚动角示意图如图2(2b)所示。
本实施例制备得到的硅橡胶超疏水自清洁表面与水的接触角为157.0°，滚动角为2.1°，测试结果见表1。
实施案例3
实验步骤：采用脉冲激光器，激光器波长为1064nm，硅橡胶样品表面进行激光扫描加工；所述激光器脉宽为15ps，单脉冲能量为0.0085mJ，重复频率为1MHz，所述激光扫描利用振镜系统，使激光束以1500mm/s的速度逐行逐列照射硅橡胶样品表面，样品加工范围为70mm x 70mm。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计算机控制器进行控制和设定。
采用上述实施案例1相同的测试方法测试所述得到的硅橡胶超疏水自清洁表面的接触角、滚动角。
本实施例制备得到的硅橡胶超疏水自清洁表面，其扫描电镜照片如图7所示，其表面呈现微米级的絮状结构。
本实施例制备得到的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，滚动角示意图如图3(3b)所示。
本实施例制备得到的硅橡胶超疏水自清洁表面与水的接触角为160.5°，滚动角为3.1°，测试结果见表1。
实施案例4
实验步骤：采用脉冲激光器，激光器波长为800nm，硅橡胶样品表面进行激光扫描加工；所述激光器脉宽为100fs，单脉冲能量为0.046mJ，重复频率为10KHz，所述激光扫描利用振镜系统，使激光束以60mm/s的速度逐行逐列照射硅橡胶样品表面，样品加工范围为50mm x 50mm。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计算机控制器进行控制和设定。
采用上述实施案例1相同的测试方法测试所述得到的硅橡胶超疏水自清洁表面的接触角、滚动角。
本实施例制备得到的硅橡胶超疏水自清洁表面，其扫描电镜照片如图8所示，其表面呈现微米级的絮状结构。
本实施例制备得到的硅橡胶超疏水自清洁表面与水的接触角示意图如图4(4a)所示，滚动角示意图如图4(4b)所示。
本实施例制备得到的硅橡胶超疏水自清洁表面与水的接触角为158.2°，滚动角为2.3°，测试结果见表1。
表1为本发明各实施案例制备得到的硅橡胶超疏水自清洁表面接触角、滚动角的测试结果。其中，接触角测量所用水滴为9微升。
表1
实施案例 接触角/° 滚动角/°
实施案例1 161.2 2.3
实施案例2 157.0 2.1
实施案例3 160.5 3.1
实施案例4 158.2 2.3
本发明的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，仅改变硅橡胶表层的化学组成与结构，而不改变其任何体组成、结构与特性。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硅橡胶制品或覆盖有硅橡胶的制品，制备得到的超疏水硅橡胶表面性能稳定，特别适用于大规模的工业生产(如硅橡胶绝缘子的自清洁表面制备)。
另外，本发明还提供了一种上述方法制备得到的硅橡胶超叔叔自清洁表面，所述表面具有微米级颗粒状结构或微米级絮状结构。
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 (7)

1.一种脉冲激光制备硅橡胶超疏水自清洁表面的方法，其特征在于：采用脉冲激光对硅橡胶样品表面进行激光扫描处理，在硅橡胶样品表面形成微纳结构，制备得到超疏水自清洁表面。
2.根据权利要求1所述的脉冲激光制备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范围为800-2000nm，所述脉冲激光的脉宽短于600ns，所述脉冲激光的重复频率范围为50Hz-1MHz。
3.根据权利要求2所述的脉冲激光制备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范围为1064nm；所述脉冲激光的脉宽范围为100fs-240ns。
4.根据权利要求1至3任一项所述的脉冲激光制备硅橡胶超疏水自清洁表面的方法，其特征在于：采用振镜扫描系统对硅橡胶样品表面进行激光扫描处理，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。
5.根据权利要求1至3任一项所述的脉冲激光制备硅橡胶超疏水自清洁表面的方法，其特征在于：采用多棱镜扫描系统对硅橡胶样品表面进行扫描处理，扫描速度为1m/s-80m/s，脉冲激光的通断及多棱镜扫描系统的扫描范围、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3任一项所述的脉冲激光制备硅橡胶超疏水自清洁表面的方法，其特征在于：采用运动平台系统对硅橡胶样品表面进行扫描处理，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。
7.一种如权利要求1至6任一项所述的方法制备得到的硅橡胶超疏水自清洁表面，其特征在于：所述表面具有微米级颗粒状结构或微米级絮状结构。
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