CN113522684A - 一种利用激光刻蚀法制备猪笼草仿生超润滑表面的方法 - Google Patents

一种利用激光刻蚀法制备猪笼草仿生超润滑表面的方法 Download PDF

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Abstract

一种利用激光刻蚀法制备猪笼草仿生超润滑表面的方法，包括下列步骤：1)、铝板切割、打磨、抛光成镜面；去离子水中超声波清洗15min；80℃干燥30分钟；2)、铝板放置于纳秒激光器下表面刻蚀；逐行扫描的方式移动的激光束沿两个垂直方向分别照射，形成微米级的正方形柱列；3)、激光刻蚀后进行超声清洗和烘干，浸入体积比1:100的十七氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTES)与无水乙醇的混合溶液中，室温25℃静置12h；蒸馏水冲洗，再80℃干燥30分钟；4)、干燥后的铝板以45°倾角、3mm/s的速度浸入全氟聚醚润滑油中；完全浸入润滑油后，水平静置30min，铝板取出，以与水平面倾角为15°静置30min；再垂直放置，除去过量润滑油，得到疏水性和长效性兼优的超润滑表面。

Description

一种利用激光刻蚀法制备猪笼草仿生超润滑表面的方法
技术领域
该发明涉及疏水超润滑表面的技术领域，具体是一种疏水性好的超润滑表面的制备方法。
背景技术
近些年来，基于“荷叶效应”原理而制备的超疏水表面(SHS)得到了广泛研究和应用，其主要原理是独特的微纳粗糙结构使得液滴接触表面时，同时与固体和粗糙结构间截留的空气接触，显著减小了实际固-液接触面积，降低了粘附力，增大了接触角，再加上表面的低表面能特性，水滴便容易从表面脱落。
但在实际应用中，液滴容易因为毛细作用进入截留空气层，将空气挤出，使液滴在固体表面的润湿状态由Cassie态转变为Wenzel态，从而对疏水性产生影响。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供一种利用激光刻蚀法制备猪笼草仿生超润滑表面的方法，解决现有的问题，制备出的超润滑表面疏水性能极好。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种利用激光刻蚀法制备猪笼草仿生超润滑表面的方法，包括如下步骤：
步骤1)、将铝板切割成待加工尺寸，进行打磨，随后用抛光机进行抛光，制成镜面；将抛光后的铝板放置于去离子水中用超声波清洗仪清洗15分钟；再放于烘干箱中，80℃下干燥30分钟；
步骤2)、将处理好的铝板放置于纳秒激光器下，进行表面刻蚀；
纳秒激光器参数如下：波长为1064nm，平均功率为10w，扫描速度为100mm/s，重复频率为20KHz，脉宽为50ns，光斑直径约为15μm，扫描间距为80μm；
固定的铝板通过逐行扫描的方式被移动的激光束沿两个垂直方向分别照射，形成微米级的正方形柱列；
步骤3)、采用步骤1)相同的方法，对步骤2)激光刻蚀后的铝板进行超声清洗和烘干，以去除激光烧蚀过程中产生的碎片；随后，浸入体积比1:100的比例配置的十七氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTES)与无水乙醇的混合溶液中，在室温25℃条件下静置12小时；
然后取出，用蒸馏水冲洗疏水化后的铝板，然后在80℃烘箱中干燥30分钟；
步骤4)、将步骤3)干燥后的铝板以45°倾角以3mm/s的速度浸入全氟聚醚润滑油中；等铝板完全浸入润滑油后，将铝板水平放置，并静置30min，随后将铝板取出，放置在与水平面之间倾角为15°的平板上再次静置30min；最后将铝板垂直放置，使铝板的超润滑表面与水平方向呈90°，除去过量的润滑油，即得到疏水性和长效性兼优的超润滑表面。
作为本发明的进一步的技术方案：步骤1)中，铝板分别在目数为400#,800#，1000#，1200#，1500#和2000#的砂纸上进行打磨。
进一步的：步骤4)中，从润滑油中取出铝板时，水平取出。
进一步的：步骤4)中，从润滑油中取出铝板时，铝板与水平面的倾斜角度不大于15°。
本发明的有益效果是：将具有低表面能的润滑油渗透到粗糙结构间的空气层中，使超疏水表面原本的固-气复合界面转变为固-油复合界面。其优点在于粗糙结构间的空气层被润滑油占满，可以有效阻止液滴的渗透，同时润滑油的低表面能特性依然能使液滴具有较大的接触角，容易从表面脱落，从而保持表面长效的疏水性。此外，该种方法制备过程中，润滑油渗透彻底，不容易产生气泡，从而影响最终形成的超润滑表面疏水性能更好更稳定。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的解释和说明：
图1为本发明的制备方法中激光刻蚀形成的正方形柱列的示意图；
图2位图1的A-A剖视图；
图3为图2的I处局部放大示意图；
图4为本发明的制备方法中渗透润滑油后的铝板表面剖视放大示意图；
图中：1、铝板，2、正方形柱，3刻蚀处，4润滑油。
具体实施方式
如图1-4所示，该利用激光刻蚀法制备铝基仿猪笼草超润滑表面的方法，包括步骤如下：
步骤1)、将铝板切割成待加工尺寸，进行打磨，该实施例中铝板分别在目数为400#,800#，1000#，1200#，1500#和2000#的砂纸上进行打磨；随后用抛光机进行抛光，制成镜面；将抛光后的铝板放置于去离子水中用超声波清洗仪清洗15分钟；再放于烘干箱中，80℃下干燥30分钟；
步骤2)、将处理好的铝板1放置于纳秒激光器下，进行表面刻蚀；
纳秒激光器参数如下：波长为1064nm，平均功率为10w，扫描速度为100mm/s，重复频率为20KHz，脉宽为50ns，光斑直径约为15μm，扫描间距为80μm；
固定的铝板通过逐行扫描的方式被移动的激光束沿两个垂直方向分别照射，形成微米级的正方形柱列，如图1所示，在铝板1的表面形成正方形柱2构成的阵列，正方形柱2之间的凹处为激光刻蚀形成的，为刻蚀处3；刻蚀处宽度为15微米，正方形尺寸为50微米；刻蚀深度20微米。
步骤3)、采用步骤1)相同的方法，对步骤2)激光刻蚀后的铝板进行超声清洗和烘干，以去除激光烧蚀过程中产生的碎片；随后，浸入以体积比1:100的比例配置的十七氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTES)与无水乙醇的混合溶液中，在室温25℃条件下静置12小时；
然后取出，用蒸馏水冲洗疏水化后的铝板，然后在80℃烘箱中干燥30分钟；
步骤4)、将步骤3)干燥后的铝板以45°倾角以3mm/s的速度浸入全氟聚醚润滑油中，浸入时刻蚀面朝上；以便使润滑油能够充分分布到试样表面的微纳米级结构的空隙中，并避免产生过多气泡或空隙；
等铝板完全浸入润滑油后，将铝板水平放置，并静置30min，随后将铝板取出，取出时，水平取出最佳；如有倾斜，倾斜角度不大于15°，放置在与水平面之间倾角为15°的平板上再次静置30min；最后将铝板垂直放置，使铝板的超润滑表面与水平方向呈90°，除去过量的润滑油，直到表面上没有明显的润滑油宏观移动为止，铝板1上的刻蚀处3内充满了润滑油4，如图4所示，即得到疏水性和长效性兼优的超润滑表面。
高粘度润滑液主要用于航空光滑金属表面的防冰，因为其停留时间比低粘度润滑液要长。这些高粘度、非牛顿、基于流体的超润滑表面，在飞机高速飞行中，与空气摩擦产生极高的剪切力，从而产生了较低的冰粘附力，污染物(例如冰、雪)便不易粘附到飞机表面。然而，对于重力和轻微振动是剪切力唯一来源的许多其他防冰应用，低粘度牛顿流体(Krytox 100在20℃时为7cst)是更好的选择，可以有效地产生具有锁定在纳米结构固体中的光滑且薄的液体界面的SLIPS。
此外，选择低粘度的全氟聚醚润滑油也是因为它与水不混溶，冰点低(<70℃)，对氟硅烷化的固体基质有很强的化学亲和力，这是在低温下形成SLIPS的重要标准。
将具有低表面能的润滑油渗透到粗糙结构间的空气层中，使超疏水表面原本的固-气复合界面转变为固-油复合界面。其优点在于粗糙结构间的空气层被润滑油占满，可以有效阻止液滴的渗透，同时润滑油的低表面能特性依然能使液滴具有较大的接触角，容易从表面脱落，从而保持表面长效的疏水性。此外，该种方法制备过程中，润滑油渗透彻底，不容易产生气泡，从而影响最终形成的超润滑表面疏水性能更好更稳定。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域相关技术人员对本发明的各种变形和改进，均应扩如本发明权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种利用激光刻蚀法制备猪笼草仿生超润滑表面的方法，其特征在于：
步骤1)、将铝板切割成待加工尺寸，进行打磨，随后用抛光机进行抛光，制成镜面；将抛光后的铝板放置于去离子水中用超声波清洗仪清洗15分钟；再放于烘干箱中，80℃下干燥30分钟；
步骤2)、将处理好的铝板放置于纳秒激光器下，进行表面刻蚀；
纳秒激光器参数如下：波长为1064nm，平均功率为10w，扫描速度为100mm/s，重复频率为20KHz，脉宽为50ns，光斑直径约为15μm，扫描间距为80μm；
固定的铝板通过逐行扫描的方式被移动的激光束沿两个垂直方向分别照射，形成微米级的正方形柱列；
步骤3)、采用步骤1)相同的方法，对步骤2)激光刻蚀后的铝板进行超声清洗和烘干，以去除激光烧蚀过程中产生的碎片；随后，浸入以体积比1:100的比例配置的十七氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTES)与无水乙醇的混合溶液中，在室温25℃条件下静置12小时；
然后取出，用蒸馏水冲洗疏水化后的铝板，然后在80℃烘箱中干燥30分钟；
步骤4)、将步骤3)干燥后的铝板以45°倾角以3mm/s的速度浸入入全氟聚醚润滑油中，浸入时刻蚀面朝上；等铝板完全浸入润滑油后，将铝板水平放置，并静置30min，随后将铝板取出，放置在与水平面之间倾角为15°的平板上再次静置30min；最后将铝板垂直放置，使铝板的超润滑表面与水平方向呈90°，除去过量的润滑油，即得到疏水性和长效性兼优的超润滑表面。
2.根据权利要求1所述的一种利用激光刻蚀法制备猪笼草仿生超润滑表面的方法，其特征在于：步骤1)中，铝板分别在目数为400#,800#，1000#，1200#，1500#和2000#的砂纸上进行打磨。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用激光刻蚀法制备猪笼草仿生超润滑表面的方法，其特征在于：步骤4)中，从润滑油中取出铝板时，水平取出。
4.根据权利要求1或2所述的一种利用激光刻蚀法制备猪笼草仿生超润滑表面的方法，其特征在于：步骤4)中，从润滑油中取出铝板时，铝板与水平面的倾斜角度不大于15°。
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