CN114105677A - 蓝宝石表面持久超亲水的实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种蓝宝石表面持久超亲水的实现方法，包括如下步骤：S1、采用飞秒激光对蓝宝石表面进行烧蚀，在蓝宝石表面形成周期性的微米级刻槽结构并同时生成具有亲水性的γ相氧化铝；S2、在形成的微米级刻槽结构与γ相氧化铝的蓝宝石表面旋涂二氧化钛前驱体溶液；S3、待二氧化钛前驱体溶液干燥后，将蓝宝石放入马弗炉中进行高温退火，实现蓝宝石表面持久的超亲水性。本发明利用飞秒激光与锐钛矿型二氧化钛晶体涂层相结合，能够实现蓝宝石表面与水的接触角为0°，并且在此超亲水状态下能够保持180天以上。

Description

蓝宝石表面持久超亲水的实现方法
技术领域
本发明涉及激光加工制备超亲水材料的技术领域，特别涉及一种蓝宝石表面持久超亲水的实现方法。
背景技术
具有超亲水特性的蓝宝石材料表面存在自清洁、防雾等功能，在潜水艇、航空航天等领域具有非常重要的应用价值，并且超亲水的接触角越小，越有利于材料自清洁及防雾功能的提升。目前，虽然利用激光在蓝宝石材料表面制备的仿生微纳米结构能够形成接触角为0°的超亲水表面，并且该方法操作灵活，但其超亲水性能通常仅能在短时间范围内显现，难以获得长时间的保持和延续。因此，如何实现激光加工超亲水表面的长久保持是该领域需要解决的关键问题。
为了提升激光处理后材料表面超亲水的持久性，一种做法是在纳秒激光加工过程中通过沉积SiO2，使材料表面与水的接触角为2°，且超亲水状态能够持续180天；另一种做法是利用飞秒激光在饱和氨气环境下对钢材料表面制备微纳结构，实现较为稳定的超亲水性能，其实验测得的接触角在24±3°状态下可保持101天左右。然而目前尚无研究发现如何能够进一步降低材料表面的接触角，并保持长时间的超亲水性能。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种蓝宝石表面持久超亲水的实现方法，利用飞秒激光与锐钛矿型二氧化钛晶体涂层相结合实现蓝宝石表面持久的超亲水性能。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供的蓝宝石表面持久超亲水的实现方法，包括如下步骤：
S1、采用飞秒激光对蓝宝石表面进行烧蚀，在蓝宝石表面形成周期性的微米级刻槽结构并同时生成具有亲水性的γ相氧化铝；
S2、在形成的微米级刻槽结构与γ相氧化铝的蓝宝石表面旋涂二氧化钛前驱体溶液；
S3、待二氧化钛前驱体溶液干燥后，将蓝宝石放入马弗炉中进行高温退火，实现蓝宝石表面持久的超亲水性。
优选地，在高温退火后的蓝宝石表面形成有锐钛矿型二氧化钛晶体涂层，锐钛矿型二氧化钛晶体涂层用于阻隔空气中疏水基团在蓝宝石表面上的吸附沉积。
优选地，退火温度为500℃，退火时间为2小时。
优选地，微米级刻槽结构的周期为10～200μm，深度为10～100μm。
优选地，二氧化钛前驱体溶液的旋涂转速为500转/分钟，旋涂时间为30秒。
优选地，飞秒激光的激光功率为200mW，扫描速度为0.1～0.5mm/s。
优选地，二氧化钛前驱体溶液的制备方法为：
将369μL的钛酸异丙酯加入2.53ml的乙醇溶液中搅拌；
将35μL的2mol盐酸加入2.53ml的乙醇溶液中搅拌；
将配置的含有乙醇的盐酸溶液与含有乙醇的钛酸异丙酯溶液混合，在室温下搅拌12小时。
与现有技术相比，本发明能够取得如下技术效果：
1、利用飞秒激光与锐钛矿型二氧化钛晶体涂层相结合，能够实现蓝宝石表面与水的接触角为0°，并且在此超亲水状态下能够保持180天以上。
2、本发明具有环保、简便、适用范围广的特点。除上述蓝宝石材料，还能够在金属、半导体材料等表面实现持久的超亲水性能。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的蓝宝石表面持久超亲水的实现方法的流程示意图；
图2是根据本发明实施例1-3提供的不同激光参数对蓝宝石表面处理形成的周期性刻槽结构的扫描电镜示意图；
图3是根据本发明实施例1-3提供的高温退火后蓝宝石表面的结构区域的横截面形貌以及元素分布示意图；
图4是根据本发明实施例1-3提供的高温退火后测得的蓝宝石表面与水的接触角随时间变化的曲线示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的图标记表示。在相同的图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1示出了根据本发明实施例提供的蓝宝石表面持久超亲水的实现方法的流程。
如图1所示，本发明实施例提供的蓝宝石表面持久超亲水的实现方法，包括如下步骤：
S1、采用飞秒激光对蓝宝石表面进行烧蚀，在蓝宝石表面形成周期性的微米级刻槽结构并同时生成具有亲水性的γ相氧化铝。
在步骤S1之前还包括如下步骤：
S0、将蓝宝石放入乙醇溶液中进行超声波清洗。
步骤S0为可选步骤，其目的在于清洁蓝宝石。本步骤为后续进行蓝宝石表面加工的前处理步骤，如蓝宝石表面清洁度已经达到后续加工要求，本步骤可以省略。
微米级刻槽结构是指微米量级的刻槽结构，其周期为10～200μm，深度为10～100μm。
飞秒激光的激光功率为200mW，扫描速度为0.1～0.5mm/s。
γ相氧化铝能够实现蓝宝石表面的亲水性。
S2、在形成的微米级刻槽结构与γ相氧化铝的蓝宝石表面旋涂二氧化钛前驱体溶液。
将二氧化钛前驱体溶液通过匀胶机旋涂到飞秒激光加工后的蓝宝石表面。
二氧化钛前驱体溶液的旋涂参数如下：旋涂转速为500转/分钟，旋涂时间为30秒。
S3、待二氧化钛前驱体溶液干燥后，将蓝宝石放入马弗炉中进行高温退火，实现蓝宝石表面持久的超亲水性。
高温退火的工艺参数如下：退火温度为500℃，退火时间为2小时。
待高温退火后，在蓝宝石表面形成有锐钛矿型二氧化钛晶体涂层，锐钛矿型二氧化钛晶体涂层能够阻隔空气中疏水基团在蓝宝石表面上的吸附沉积，从而实现蓝宝石表面的超亲水性能的持久保持。
锐钛矿型二氧化钛晶体涂层能够阻隔空气中疏水基团在蓝宝石表面吸附沉积的原理如下：
由于激光加工后的蓝宝石表面具有很多未配位的Al3+，极易与空气中的COO-发生化学吸附，从而导致疏水基团不断以物理吸附的方式吸附在表面。而锐钛矿型二氧化钛晶体涂层是一种稳定的金属氧化物，并且具有良好的亲水性能，通过旋涂和退火的方式覆盖在激光加工后的蓝宝石表面，可以有效阻碍未配位的Al3+与空气中的COO-发生化学吸附，从而阻碍后续一系列的疏水基团的物理吸附过程，最终获得接触角为0°的持久超亲水性能。
下面结合具体实施例对本发明的具体方案作进一步详细的说明。
实施例1
本发明实施例1提供的蓝宝石表面持久超亲水的实现方法，包括如下步骤：
S0、将蓝宝石放入乙醇溶液中进行超声波清洗。
S1、采用飞秒激光对蓝宝石表面进行烧蚀，在蓝宝石表面形成周期性的微米级刻槽结构并同时生成具有亲水性的γ相氧化铝。
对蓝宝石清洗后，采用焦距为100mm的光学透镜将飞秒激光聚焦照射在蓝宝石表面，并以空间周期为35μm等间距烧蚀形成微米级刻槽结构。
当飞秒激光的激光功率为200mW，扫描速度为0.1mm/s时，微米级刻槽结构的深度为92.31μm，开口宽度为32.44μm，其表面形貌如图2中的(a)所示。
S2、在形成的微米级刻槽结构与γ相氧化铝的蓝宝石表面旋涂二氧化钛前驱体溶液。
二氧化钛前驱体溶液的制备方法为：
将369μL的钛酸异丙酯加入2.53ml的乙醇溶液中搅拌；
将35μL的2mol盐酸加入2.53ml的乙醇溶液中搅拌；
将配置的含有乙醇的盐酸溶液与含有乙醇的钛酸异丙酯溶液混合，在室温下搅拌12小时，存放至4℃的冰箱中。
将二氧化钛前驱体溶液通过匀胶机以500转/分钟的转速旋涂到形成微米级刻槽结构的蓝宝石表面，共旋涂30秒。
S3、待二氧化钛前驱体溶液干燥后，将蓝宝石放入马弗炉中以500℃高温加热2小时，在蓝宝石表面获得锐钛矿型二氧化钛晶体涂层，蓝宝石表面的结构区域横截面形貌以及元素分布如图3中的(a)所示，从中可见锐钛矿型二氧化钛晶体涂层均匀附着在微米级刻槽结构的表面。
通过接触角测量仪对形成锐钛矿型二氧化钛晶体涂层的蓝宝石的液体接触角进行表征，发现在180天的时间范围内均能够表现出接触角为0°的超亲水性能，如图4中的(a)所示。
实施例2
实施例2与实施例1的不同之处在于：飞秒激光的扫描速度为0.3mm/s，所形成的微米级刻槽结构的深度为30.77μm，开口宽度为34.15μm，如图2中的(b)所示，其他的步骤与实施例1相同。
在高温退火后，锐钛矿型二氧化钛晶体涂层部分地填充到微米级刻槽结构内，如图3中的(b)所示，与实施例1形成的锐钛矿型二氧化钛晶体涂层的表面形貌不同。
此时测得蓝宝石表面的接触角为0°，超亲水状态能够保持60天，60天后接触角开始逐渐增加，其结果如图4中的(b)所示。
实施例3
实施例3与实施例2的不同之处在于：飞秒激光的扫描速度为0.5mm/s，所形成的微米级刻槽结构的深度为28.26μm，开口宽度为34.49μm，如图2中的(c)所示，其他的步骤与实施例2相同。
在高温退火后，锐钛矿型二氧化钛晶体涂层基本填充到微米级刻槽结构内，如图3中的(c)所示，实施例2所形成的锐钛矿型二氧化钛晶体涂层部分填充到微米级刻槽结构内，由此可见，实施例3与实施例2形成的锐钛矿型二氧化钛晶体涂层的表面形貌不同。
此时测得蓝宝石表面的接触角为0°，超亲水状态能够保持27天，27天后接触角开始逐渐增加，其结果如图4中的(c)所示。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“另一个示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种蓝宝石表面持久超亲水的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、采用飞秒激光对蓝宝石表面进行烧蚀，在蓝宝石表面形成周期性性的微米级刻槽结构并同时生成具有亲水性的γ相氧化铝；
S2、在形成的微米级刻槽结构与γ相氧化铝的蓝宝石表面旋涂二氧化钛前驱体溶液；
S3、待所述二氧化钛前驱体溶液干燥后，将蓝宝石放入马弗炉中进行高温退火，实现蓝宝石表面持久的超亲水性。
2.如权利要求1所述的蓝宝石表面持久超亲水的实现方法，其特征在于，在高温退火后的蓝宝石表面形成有锐钛矿型二氧化钛晶体涂层，所述锐钛矿型二氧化钛晶体涂层用于阻隔空气中疏水基团在蓝宝石表面上的吸附沉积。
3.如权利要求1或2所述的蓝宝石表面持久超亲水的实现方法，其特征在于，所述退火温度为500℃，退火时间为2小时。
4.如权利要求1或2所述的蓝宝石表面持久超亲水的实现方法，其特征在于，所述微米级刻槽结构的周期为10～200μm，深度为10～100μm。
5.如权利要求1或2所述的蓝宝石表面持久超亲水的实现方法，其特征在于，所述二氧化钛前驱体溶液的旋涂转速为500转/分钟，旋涂时间为30秒。
6.如权利要求1或2所述的蓝宝石表面持久超亲水的实现方法，其特征在于，所述飞秒激光的激光功率为200mW，扫描速度为0.1～0.5mm/s。
7.如权利要求1所述的蓝宝石表面持久超亲水的实现方法，其特征在于，二氧化钛前驱体溶液的制备方法为：
将369μL的钛酸异丙酯加入2.53ml的乙醇溶液中搅拌；
将35μL的2mol盐酸加入2.53ml的乙醇溶液中搅拌；
将配置的含有乙醇的盐酸溶液与含有乙醇的钛酸异丙酯溶液混合，在室温下搅拌12小时。
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