CN108356409A - 一种水中气泡调谐用钛片及其加工方法和使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水中气泡调谐用钛片，包括钛片基材，钛片基材表面有微凸台阵列，每个微凸台都有微米级的微锥，微锥表面及周围有纳米级的粗糙结构。原始的钛基材表面具有亲水特性，经过飞秒激光交叉扫线后使表面产生粗糙结构，表面会变成超亲水。本发明主要利用钛材料在空气中的亲疏水特性和二氧化钛对光的敏感特性来实现水中气泡的亲疏调节，将钛片基材用不透光的金属铝箔包住，加热40分钟后表面变成超疏水的状态，再将钛片基材泡在酒精里用紫外灯照射，又会恢复到一开始的超亲水状态。本发明在基于环境友好的基础上，采用飞秒激光直接进行交叉扫线处理，快速方便，所需过程简化，并且气泡亲疏调谐的过程可以重复。

Description

一种水中气泡调谐用钛片及其加工方法和使用方法
技术领域
本发明涉及钛片领域，具体是一种水中气泡调谐用钛片及其加工方法和使用方法。
背景技术
水下气泡浸润性由于其在工业生产和日常生活中的重要应用而引起了广泛的关注，比如污水处理，回收矿物颗粒和提高海洋传热等。了解气泡在液体介质中的行为是实现气泡可操纵性的关键。西交大的雍佳乐博士利用飞秒激光在PDMS表面诱导出粗糙结构，再利用机械钻孔的方式制作出微孔阵列，最后利用氧等离子体修饰改变PDMS表面的亲疏水特性，从而实现水下气泡的浸润状态转变。但是，样品制作和调谐过程比较复杂，所以，本发明受到二氧化钛光催化特性的启发，将钛基材与飞秒激光相结合，一步诱导出粗糙微纳结构。并且，具有调谐过程可逆，调谐时间短，可重复多次调谐的优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种水中气泡调谐用钛片及其加工方法和使用方法，以达到钛片能够实现水中气泡调谐的目的。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种水中气泡调谐用钛片，其特征在于：包括钛片基材，钛片基材表面加工有整齐的微凸台阵列，微凸台阵列中每个微凸台的四个角都有一个微米级的微锥，并且在微锥表面及微锥周围有纳米级的粗糙结构，由微凸台阵列、微锥和粗糙结构，使钛片基材表面具有经过处理后可在超亲水状态和超疏水状态之间切换的特性。
所述的一种水中气泡调谐用钛片，其特征在于：所述钛片基材选用浓度在99.9％以上的工业纯钛，纯度优选99.95％，厚度为200μm。
一种水中气泡调谐用钛片的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)、清洗钛片基材表面，以去除有机杂质得到干净的钛片基材；
(2)、采用飞秒激光器对步骤(1)清洗后的钛片基材表面进行交叉扫线加工，使钛片基材表面形成微凸台阵列，同时，由于激光的烧蚀作用，沟槽的内部物质飞溅出来并堆积在微凸台周围形成微锥以及微锥表面的粗糙结构。
所述的一种水中气泡调谐用钛片的加工方法，其特征在于：步骤(1)中，首先采用丙酮溶液超声清洗钛片基材表面，去除表面的有机杂质；再用乙醇溶液超声清洗钛片基材表面，去除丙酮溶液；最后用去离子水超声清洗钛片基材表面，去除乙醇溶液，得到干净的钛片基材。
所述的一种水中气泡调谐用钛片的加工方法，其特征在于：步骤(2)中，飞秒激光器中心波长为800nm，脉宽为104fs，重复频率为1KHz，飞秒激光器的加工参数为：扫描速度为1mm/s，线与线的间隔为80μm，激光功率为450mw。
一种水中气泡调谐用钛片的使用方法，其特征在于：将钛片基材的表面在黑暗环境中进行高温加热处理，得到超疏水的低表面能状态的钛片基材表面；
再将低表面能的钛片基材浸泡在酒精中，同时用紫外灯进行照射，又可以将钛片基材表面恢复到之前的超亲水的高表面能状态。
所述的一种水中气泡调谐用钛片的使用方法，其特征在于：用30mm厚的铝箔包住钛片基材，使钛片基材的表面处于黑暗环境中，然后在200℃的环境下加热40分钟，得到超疏水的低表面能状态的钛片基材表面。
所述的一种水中气泡调谐用钛片的使用方法，其特征在于：用波长为365nm的紫外灯对浸泡在酒精中的低表面能的钛片基材照射1小时，又可以将钛片基材表面恢复到超亲水的高表面能状态。
一种水中气泡调谐用钛片的使用方法，其特征在于：钛片基材在空气中表现出疏水特性，则在水中为亲气泡特性；钛片基材在空气中表现出亲水特性，则在水中表现为疏气泡特性。
本发明主要利用钛材料在空气中的亲疏水特性和二氧化钛对光的敏感特性来实现水中气泡的亲疏调节。原始的钛基材表面具有亲水特性，经过飞秒激光交叉扫线后使表面产生粗糙结构，由Wenzel方程可知表面会变成超亲水，这是在水中就是超疏气泡的状态。然后将样品用不透光的金属铝箔包住，放在200℃的加热板上，加热40分钟，粗糙的钛基材表面完全发生氧化，变成超疏水的状态，这时在水中就是超亲气泡的状态。最后再将样品泡在酒精里用紫外灯照射1小时，又会恢复到一开始的超亲水状态，这时在水中又是疏气泡的特性。
本发明在基于环境友好的基础上，采用飞秒激光直接进行交叉扫线处理，快速方便，所需过程简化，并且气泡亲疏调谐的过程可以重复。
本发明首先用丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水依次对钛片基材表面杂质进行清洗，再利用飞秒激光在钛片基材表面直接进行交叉扫线加工，然后进行黑暗高温处理，达到超疏水的表面效果，可以在水中实现亲气泡的状态；然后把样品泡在酒精中，用紫外灯照射，又恢复到之前超亲水的状态，在水中实现疏气泡的状态。故而可以实现水中气泡的调谐。
本发明加工方法直接使用飞秒激光进行交叉扫线加工，是一种高效率、高精度、易操作的加工方式，加工过程中热影响小，这一技术在加工特定的复杂微结构方面具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明中90°方向的钛片结构扫描电镜图。其中，(a)～(d)的放大倍数分别为100x，200x，500x，1000x；比例尺分别为80μm,40μm,20μm,10μm。
图2为本发明中45°方向的钛片结构扫描电镜图。其中，(a)、(b)的放大倍数分别为500x，1240x；比例尺分别为40μm,20μm。
图3为本发明中钛片超疏水的图。
图4为本发明中钛片超亲水的图。
图5为本发明中钛片水中超疏气泡的图。
图6为本发明中钛片水中超亲气泡的图。
具体实施方式
如图1所示，一种水中气泡调谐用钛片，包括钛片基材，钛片基材表面加工有整齐的微凸台阵列，微凸台阵列中每个微凸台的四个角都有一个微米级的微锥，并且在微锥表面及微锥周围有纳米级的粗糙结构(图2为45°方向微结构的扫描电镜图)，由微凸台阵列、微锥和粗糙结构，使钛片基材表面具有经过处理后可在超亲水状态和超疏水状态之间切换的特性。
钛片基材选用浓度在99.9％以上的工业纯钛，纯度优选99.95％，厚度为200μm。
一种水中气泡调谐用钛片的加工方法，包括以下步骤：
(1)、清洗钛片基材表面，以去除有机杂质得到干净的钛片基材；
(2)、采用飞秒激光器对步骤(1)清洗后的钛片基材表面进行交叉扫线加工，使钛片基材表面形成微凸台阵列，同时，由于激光的烧蚀作用，沟槽的内部物质飞溅出来并堆积在微凸台周围形成微锥以及微锥表面的粗糙结构。
步骤(1)中，首先采用丙酮溶液超声清洗钛片基材表面，去除表面的有机杂质；再用乙醇溶液超声清洗钛片基材表面，去除丙酮溶液；最后用去离子水超声清洗钛片基材表面，去除乙醇溶液，得到干净的钛片基材。
步骤(2)中，飞秒激光器中心波长为800nm，脉宽为104fs，重复频率为1KHz，飞秒激光器的加工参数为：扫描速度为1mm/s，线与线的间隔为80μm，激光功率为450mw。
一种水中气泡调谐用钛片的使用方法，将钛片基材的表面在黑暗环境中进行高温加热处理，得到超疏水的低表面能状态的钛片基材表面；
再将低表面能的钛片基材浸泡在酒精中，同时用紫外灯进行照射，又可以将钛片基材表面恢复到之前的超亲水的高表面能状态。
一种水中气泡调谐用钛片的使用方法，用30μm厚的铝箔包住钛片基材，使钛片基材的表面处于黑暗环境中，然后在200℃的环境下加热40分钟，得到超疏水的低表面能状态的钛片基材表面。
一种水中气泡调谐用钛片的使用方法，用波长为365nm的紫外灯对浸泡在酒精中的低表面能的钛片基材照射1小时，又可以将钛片基材表面恢复到超亲水的高表面能状态。
一种水中气泡调谐用钛片的使用方法，钛片基材在空气中表现出疏水特性，则在水中为亲气泡特性；钛片基材在空气中表现出亲水特性，则在水中表现为疏气泡特性。
将本发明加工得到的钛片放在接触角测量仪的平台上，测量水的接触角。经测量，黑暗环境中高温加热后的钛片对水的接触角大约为152°(如图3所示)，表现出超疏水的效果；对水中气泡的接触角大约为为7°(如图6所示)，表现出超亲气泡的效果(同时，在测量水的接触角的过程中，发现水滴不易粘在加工区域，表明表面对水滴的粘附力较低)。用紫外灯照射泡在酒精中的样品一小时后，测量钛片对水滴的接触角为0°(如图4所示)，对水中气泡的接触角大约为153°(如图5所示)。可见，采用本发明方法加工后得到的钛片，对空气中水滴的浸润特性表现出可以调谐的特性，故而可以达到水中气泡亲疏调谐的效果。

Claims (9)

1.一种水中气泡调谐用钛片，其特征在于：包括钛片基材，钛片基材表面加工有整齐的微凸台阵列，微凸台阵列中每个微凸台的四个角都有一个微米级的微锥，并且在微锥表面及微锥周围有纳米级的粗糙结构，由微凸台阵列、微锥和粗糙结构，使钛片基材表面具有经过处理后可在超亲水状态和超疏水状态之间切换的特性。
2.根据权利要求1所述的一种水中气泡调谐用钛片，其特征在于：所述钛片基材选用浓度在99.9％以上的工业纯钛，纯度优选99.95％，厚度为200μm。
3.一种权利要求1所述的水中气泡调谐用钛片的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)、清洗钛片基材表面，以去除有机杂质得到干净的钛片基材；
(2)、采用飞秒激光器对步骤(1)清洗后的钛片基材表面进行交叉扫线加工，使钛片基材表面形成微凸台阵列，同时，由于激光的烧蚀作用，沟槽的内部物质飞溅出来并堆积在微凸台周围形成微锥以及微锥表面的粗糙结构。
4.根据权利要求3所述的一种水中气泡调谐用钛片的加工方法，其特征在于：步骤(1)中，首先采用丙酮溶液超声清洗钛片基材表面，去除表面的有机杂质；再用乙醇溶液超声清洗钛片基材表面，去除丙酮溶液；最后用去离子水超声清洗钛片基材表面，去除乙醇溶液，得到干净的钛片基材。
5.根据权利要求3所述的一种水中气泡调谐用钛片的加工方法，其特征在于：步骤(2)中，飞秒激光器中心波长为800nm，脉宽为104fs，重复频率为1KHz，飞秒激光器的加工参数为：扫描速度为1mm/s，线与线的间隔为80μm，激光功率为450mw。
6.一种权利要求1所述的水中气泡调谐用钛片的使用方法，其特征在于：将钛片基材的表面在黑暗环境中进行高温加热处理，得到超疏水的低表面能状态的钛片基材表面；
再将低表面能的钛片基材浸泡在酒精中，同时用紫外灯进行照射，又可以将钛片基材表面恢复到之前的超亲水的高表面能状态。
7.根据权利要求6所述的一种水中气泡调谐用钛片的使用方法，其特征在于：用30mm厚的铝箔包住钛片基材，使钛片基材的表面处于黑暗环境中，然后在200℃的环境下加热40分钟，得到超疏水的低表面能状态的钛片基材表面。
8.根据权利要6所述的一种水中气泡调谐用钛片的使用方法，其特征在于：用波长为365nm的紫外灯对浸泡在酒精中的低表面能的钛片基材照射1小时，又可以将钛片基材表面恢复到超亲水的高表面能状态。
9.一种权利要求1所述的水中气泡调谐用钛片的使用方法，其特征在于：钛片基材在空气中表现出疏水特性，则在水中为亲气泡特性；钛片基材在空气中表现出亲水特性，则在水中表现为疏气泡特性。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180803

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