CN114289875A - 一种润湿梯度结构激光表面微纳加工装置及加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种润湿梯度结构激光表面微纳加工装置及加工工艺，包括反应容器、PDMS溶液输送系统、超亲水试剂输送系统和激光加工系统；所述反应容器内安装加热系统，所述反应容器内安装温度传感器；所述反应容器底部分别设有第一搅拌系统和干燥系统；所述反应容器内设有夹具；所述夹具位于第一搅拌系统上方；第一进水口与超亲水试剂输送系统连通，第二进水口与PDMS溶液输送系统连通，第二进水口上安装旋转喷头，用于对基板旋涂PDMS溶液；所述激光加工系统用于激光刻蚀基板，所述激光加工系统用于将PDMS膜的一个表面亲水性转变为疏水性。本发明利用激光加工后的基板上的微纳粗糙结构，结合PDMS的自身材料性能制备超疏水双面膜。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料表面改性技术领域，特别涉及一种润湿梯度结构激光表面微纳加工装置及加工工艺。
背景技术
随着社会的发展与人口增长，淡水资源的短缺问题变得日益严峻，如今，海水淡化、废水处理被视为回收淡水的有效办法，但存在能耗大、效率低、工艺复杂等问题。雾水收集是指将空气中含有的隐性水资源转化为显性可利用水资源，是一种环保、低成本及可持续的缓解淡水稀缺的方法。在自然界，浓雾中蕴含着丰富的淡水资源，此外，人类生产活动带来的水分蒸发问题同样产生了大量的水雾。在海洋，沙漠等恶劣环境中，雾滴沉积在网状结构上，当增长到临界尺寸时，自身重力大于粘附力，就会从网状物上脱落从而实现收集。如今，已有大量网状结构投入到雾水收集中捕获雾滴，但网状结构孔太大不能有效捕获悬浮的微米级雾滴，网状结构孔太小会导致结构堵塞，影响收集效率。因此，通过有效的结构捕集空气中的水雾，更好实现淡水资源的有效利用。
皮秒激光可以有效地用于微/纳米制造，且制造过程简单、价格低廉、方便快捷，制备出的微纳结构灵活可调。
现有技术公开了一种基于双梯度锥形孔阵列的复合结构膜及其制备方法，在铝箔上采用激光打孔，然后用氟化处理最后再用激光扫描完全去除下表面氟化区域制备超疏水膜(Janus膜)。该方案在超疏水面雾气冷凝效果较差，并且超亲水面对水的粘附力较大，水滴不容易滴落。
现有技术公开了一种基于喷涂的用于高效收集水雾的混合亲疏水材料表面的制备方法，利用不锈钢网结合多种化学试剂进行制备超疏水表面，该方案采用氟化硅等化学试剂进行修饰产生污染，且步骤繁多，操作不易。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种润湿梯度结构激光表面微纳加工装置及加工工艺，利用激光加工后的基板上的微纳粗糙结构，结合PDMS的自身材料性能制备超疏水双面膜，与使用化学方法和激光辅助加工方法相比，本发明方法工艺简单、技术成熟、加工效率高且绿色环保。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种润湿梯度结构激光表面微纳加工装置，包括反应容器、PDMS溶液输送系统、超亲水试剂输送系统和激光加工系统；
所述反应容器内安装加热系统，用于加热反应容器，所述反应容器内安装温度传感器；所述反应容器底部分别设有第一搅拌系统和干燥系统；所述反应容器内设有夹具，用于装夹基板或PDMS膜；所述夹具位于第一搅拌系统上方；所述反应容器上设有第一进水口、第二进水口和出水口，所述第一进水口与超亲水试剂输送系统连通，所述第二进水口与PDMS溶液输送系统连通，所述第二进水口上安装旋转喷头，用于对基板旋涂PDMS溶液；所述出水口与排污系统连通；所述激光加工系统用于激光刻蚀基板，所述激光加工系统用于将PDMS膜的一个表面亲水性转变为疏水性。
进一步，所述反应容器内的第一搅拌系统上方设有隔层，所述隔层表面开设有若干个通孔；所述基板或PDMS膜可通过夹具放置在隔层上。
进一步，所述反应容器内设有机械手，用于剥离基板上的PDMS膜。
进一步，所述PDMS溶液输送系统包括第三容器、第三电泵和第二搅拌系统；所述第三容器内设有第二搅拌系统，用于制备PDMS溶液，所述第三容器出口通过第三电泵与旋转喷头连通。
一种润湿梯度结构激光表面微纳加工装置的加工工艺，包括如下步骤：
对基板的表面进行激光刻蚀；
将PDMS溶液旋涂在基板的表面，对基板加热处理；
基板冷却后获得PDMS膜；
将PDMS膜浸没在超亲水试剂中，对PDMS膜进行修饰，得到双面超亲水性的PDMS膜；
通过激光加工双面超亲水性的PDMS膜的任意一面，使双面超亲水性的PDMS膜的任意一面改性为疏水性，得到上下表面呈不同亲疏水状态的PDMS膜。
进一步，将预处理后的基板固定在激光加工平台上，采用皮激光加工系统对基板表面进行扫描刻蚀，得到方形网格状微纳复合结构模板；刻蚀后的基板通过夹具放置在隔层上，对刻蚀后的基板进行清洗和干燥。
进一步，通过加热系统加热反应容器内的温度，旋涂PDMS溶液的基板在100℃下加热不少于2h。
进一步，双面超亲水性的PDMS膜将需要加工的面定义为上表面，则另一面为下表面；激光以网格扫描在上表面扫除亲水剂，光斑焦点放置在膜上表面的下方，使上表面呈疏水性。
进一步，所述旋转喷头附近安装图像传感器用于获取旋涂表面的图片，所述图像传感器将图片信号传输给计算机控制系统，通过调节旋转喷头上的温度控制装置控制旋转喷头内的PDMS溶液的温度，用于控制PDMS溶液固化的速度。
一种PDMS双面膜，利用润湿梯度结构激光表面微纳加工装置的加工工艺生产PDMS双面膜，所述PDMS双面膜上表面为疏水面，所述PDMS双面膜下表面为亲水面；水滴从疏水面可以自运输渗透到亲水面，且水滴不能从亲水面渗透到疏水面。
进一步，所述PDMS双面膜上表面为接触角大于150°的超疏水表面，所述PDMS双面膜下表面为接触角小于10°的超亲水表面。
将所述的PDMS双面膜用于雾水收集装置中。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的润湿梯度结构激光表面微纳加工装置及加工工艺，利用激光加工后的基板上的微纳粗糙结构，结合PDMS的自身材料性能制备超疏水双面膜。双面超亲水性的PDMS膜将需要加工的面定义为上表面，激光以网格扫描在上表面扫除亲水剂，防止单一的逐行或者逐列扫描时出现的X和Y方向上的各向异性。
2.本发明所述的润湿梯度结构激光表面微纳加工装置及加工工艺，光斑焦点放置在膜上表面的下方，甚至可略微扫掉表层PDMS材料，彻底扫除表面的亲水试剂以保证上表面的疏水性。
3.本发明所述的润湿梯度结构激光表面微纳加工装置及加工工艺，安全可靠，具有高灵活性、高可控性以及很好的可重复性，可用于大面积和重复性加工，易于实现工业化应用。
附图说明
图1为本发明所述的润湿梯度结构激光表面微纳加工装置示意图。
图2为本发明所述的隔层结构示意图。
图3为本发明皮秒激光加工系统示意图。
图4为本发明的润湿梯度结构激光表面微纳加工工艺流程图。
图5为本发明的PDMS双面膜原理图。
图6为本发明基板示意图。
图7为本发明PDMS双面膜疏水面的模型图。
图8为本发明PDMS双面膜亲水面的模型图。
图中：
1-去离子水溶液；2-超亲水试剂；3-计算机控制系统；4-PDMS溶液；5-第一容器；6-第二容器；7-第三容器；8-第一电泵；9-第二电泵；10-第三电泵；11-加热系统；12-机械手；13-温度传感器；14-反应容器；15-第二搅拌系统；16-夹具；17-基板；18-旋转喷头；19-第二进水口；20-流量控制器；21-第一进水口；22-干燥系统；23-第一搅拌系统；24-出水口；25-第四电泵。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明所述的润湿梯度结构激光表面微纳加工装置，包括反应容器14、PDMS溶液输送系统、超亲水试剂输送系统和激光加工系统；
所述反应容器14内安装加热系统11，用于加热反应容器14，所述反应容器14内安装温度传感器13；所述反应容器14底部分别设有第一搅拌系统23和干燥系统22；所述反应容器14内设有夹具，用于装夹基板17或PDMS膜；所述夹具位于第一搅拌系统23上方；所述反应容器14上设有第一进水口21、第二进水口19和出水口24，所述第一进水口21与超亲水试剂输送系统连通，所述第二进水口19与PDMS溶液输送系统连通，所述第二进水口19上安装旋转喷头18，用于对基板旋涂PDMS溶液；所述出水口24与排污系统连通；所述激光加工系统用于激光刻蚀基板17，所述激光加工系统用于将PDMS膜的一个表面亲水性转变为疏水性。所述反应容器14内的第一搅拌系统23上方设有隔层，所述隔层表面开设有若干个通孔；所述基板17或PDMS膜可通过夹具放置在隔层上，隔板上的通孔可以使基板17充分被溶液修饰。
去离子水输送系统包括第一容器5和第一电泵8，所述第一容器5内放置去离子水溶液1，通过第一电泵8将去离子水溶液1输送至第一进水口21。所述第一进水口21处安装有流量控制器20，超亲水试剂输送系统包括第二容器6和第二电泵9，第二容器6通过第二电泵9与第一进水口21连接。所述出水口24的出水管上安装有第四电泵25，用于排污。
所述反应容器14内设有机械手12，用于剥离基板17上的PDMS膜。所述PDMS溶液输送系统包括第三容器7、第三电泵10和第二搅拌系统15；所述第三容器7内设有第二搅拌系统15，用于制备PDMS溶液4，所述第三容器7出口通过第三电泵10与旋转喷头18连通。
所述旋转喷头18上设有温度控制装置，当温度控制装置为制冷装置，用于降低喷头的温度，从而增加PDMS溶液的固化时间；当温度控制装置为制热装置，用于提高喷头的温度，从而缩短PDMS溶液的固化时间。所述加热系统11、温度传感器13、干燥系统22、第一搅拌系统23、流量控制器20、第一电泵8、第二电泵9、第三电泵10、第二搅拌系统15、第四电泵25均与计算机控制系统3电连接。
如图4所示，本发明所述的润湿梯度结构激光表面微纳加工的方法，基板17材料选用5083铝合金为例，具体包括如下步骤：
S1：将待处理的30mm*30mm*3mm基板17表面用250#，400#，800#，1000#和1500#的砂纸打磨，得到表面抛光的基板17；
S2：将抛光后的基板17放入去无水乙醇中进行超声清洗，再用去去离子水进行清洗，并用冷风吹干，得到表面洁净的基板17；
S3：如图3所示，将洁净的基板17固定在激光加工平台上，设定激光扫描工艺路径和激光器加工参数，采用皮秒激光加工系统对铝板表面进行扫描加工，得到方形网格状微纳复合结构的基板17；制备皮秒激光加工方形网格状微纳复合结构基板17时，先在水平方向(X方向)逐行激光扫描，然后在垂直方向(Y方向)逐行激光扫描。然后在X轴和Y轴分别往返，进行重复扫描，扫描速度固定在250mm/s，相邻激光扫描线间距保持在100um。激光加工均在室温空气中进行，重复次数为10次。所述激光器加工参数具体为：激光波长为1064nm，激光脉冲宽度为10ps，激光输出功率15w，激光重复频率为1MHz，光束扫描速度为250mm/s。加工后的基板17如图6所示，使用夹具16将加工后的基板17固定在反应容器的隔层上。
S4：通过计算机控制系统3控制第一电泵使去离子水溶液1从第一进水口21进入反应容器14内，使用流量控制器20控制流入反应容器14的溶液总量，打开第一搅拌系统23，使得反应容器14内的去离子水溶液1处于搅动状态，对加工后的基板17进行清洗并去除加工杂质，水洗结束之后关闭第一电泵8和第一搅拌系统23，打开第四电泵25放出废液，废液放出后，关闭第四电泵25，打开干燥系统22，对基板17进行吹干；这里可以多次重复水洗干燥。
S5：将预聚物PDMS(聚二甲基硅氧烷)、固化剂和纳米二氧化硅粉末，按照重量比10：1：1混合而成，倒入第三容器7，对反应容器14抽真空，打开第二搅拌系统15，使得反应容器14内的PDMS溶液4在真空下搅动状态。打开第三电泵10，使得PDMS溶液4通过第二进水口19进入反应容器14内，计算机控制系统3调节旋转喷头18旋涂速率使PDMS溶液4均匀旋涂在基板17上，旋涂时，高性能CCD图像传感器监控旋涂表面的图片，并将图片信号传输给计算机控制系统3，通过调节喷头上的温度控制装置控制旋转喷头18的温度从而控制固化的速度和旋涂速度。旋涂完成后设置加热系统11将反应容器14加热到100℃，旋涂后的基板17在加热的反应容器14内放置2h，冷却后，计算机控制系统3控制机械手12剥离PDMS膜；关闭第二搅拌系统15；
S6：采用计算机控制系统3打开第一电泵8，使得去离子水溶液1从第一进水口21进入反应容器14内，使用流量控制器20控制流入反应容器14的溶液总量，打开第一搅拌系统23，使得反应容器14内的去离子水溶液1处于搅动状态，对PDMS膜进行清洗，水洗结束之后关闭第一电泵8和第一搅拌系统23，打开第四电泵25放出废液，废液放出后，关闭第四电泵25，打开干燥系统22，对PDMS膜进行吹干；这里可以多次重复水洗干燥。
S7：将PDMS膜夹紧在反应容器14的隔层上，打开第二电泵9，使得超亲水试剂2从第一进水口21进入反应容器14内，使用流量控制器20控制流入反应容器14的溶液总量，打开第一搅拌系统23，使得反应容器14内的超亲水试剂处于搅动状态，PDMS膜位于超亲水试剂的液面下方。对PDMS膜的两面进行修饰，修饰5min后得到双面超亲水性的PDMS膜。关闭第二电泵9和第一搅拌系统23，打开第四电泵25放出废液，废液放出后，关闭第四电泵25，打开干燥系统22，对试样进行吹干；
S8：重复步骤S4进行水洗干燥；
S9：取出双面超亲水性的PDMS膜，对两面超亲水膜进行皮秒加工，双面超亲水性的PDMS膜将需要加工的面定义为上表面，则另一面为下表面。激光以网格扫描在上表面扫除亲水剂，光斑焦点放置在膜上表面的下方，甚至略微扫掉表层PDMS材料，彻底扫除表面的亲水试剂以保证上表面的疏水性。脉冲能量不能过高，防止PDMS膜被烧蚀穿透而破坏下表面的超亲水性，使上下表面呈不同亲疏水状态。皮秒激光以网格扫描在上表面扫除亲水剂，防止单一的逐行或者逐列扫描时出现的X和Y方向上的各向异性。
如图5、图7和图8所示，本发明所述的PDMS双面膜，利用本发明所述的润湿梯度结构激光表面微纳加工装置的加工工艺生产PDMS双面膜，所述PDMS双面膜上表面为疏水面，所述PDMS双面膜下表面为亲水面；水滴从疏水面可以自运输渗透到亲水面，且水滴不能从亲水面渗透到疏水面。所述PDMS双面膜上表面为接触角大于150°的超疏水表面，所述PDMS双面膜下表面为接触角小于10°的超亲水表面。将所述的PDMS双面膜用于雾水收集装置中。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种润湿梯度结构激光表面微纳加工装置，其特征在于，包括反应容器(14)、PDMS溶液输送系统、超亲水试剂输送系统和激光加工系统；
所述反应容器(14)内安装加热系统(11)，用于加热反应容器(14)，所述反应容器(14)内安装温度传感器(13)；所述反应容器(14)底部分别设有第一搅拌系统(23)和干燥系统(22)；所述反应容器(14)内设有夹具，用于装夹基板(17)或PDMS膜；所述夹具位于第一搅拌系统(23)上方；所述反应容器(14)上设有第一进水口(21)、第二进水口(19)和出水口(24)，所述第一进水口(21)与超亲水试剂输送系统连通，所述第二进水口(19)与PDMS溶液输送系统连通，所述第二进水口(19)上安装旋转喷头(18)，用于对基板旋涂PDMS溶液；所述出水口(24)与排污系统连通；所述激光加工系统用于激光刻蚀基板(17)，所述激光加工系统用于将PDMS膜的一个表面亲水性转变为疏水性。
2.根据权利要求1所述的润湿梯度结构激光表面微纳加工装置，其特征在于，所述反应容器(14)内的第一搅拌系统(23)上方设有隔层，所述隔层表面开设有若干个通孔；所述基板(17)或PDMS膜可通过夹具放置在隔层上。
3.根据权利要求1所述的润湿梯度结构激光表面微纳加工装置，其特征在于，所述反应容器(14)内设有机械手(12)，用于剥离基板(17)上的PDMS膜。
4.根据权利要求1所述的润湿梯度结构激光表面微纳加工装置，其特征在于，所述PDMS溶液输送系统包括第三容器(7)、第三电泵(10)和第二搅拌系统(15)；所述第三容器(7)内设有第二搅拌系统(15)，用于制备PDMS溶液，所述第三容器(7)出口通过第三电泵(10)与旋转喷头(18)连通。
5.一种根据权利要求1所述的润湿梯度结构激光表面微纳加工装置的加工工艺，其特征在于，包括如下步骤：
对基板(17)的表面进行激光刻蚀；
将PDMS溶液旋涂在基板(17)的表面，对基板(17)加热处理；
基板(17)冷却后获得PDMS膜；
将PDMS膜浸没在超亲水试剂中，对PDMS膜进行修饰，得到双面超亲水性的PDMS膜；
通过激光加工双面超亲水性的PDMS膜的任意一面，使双面超亲水性的PDMS膜的任意一面改性为疏水性，得到上下表面呈不同亲疏水状态的PDMS膜。
6.根据权利要求5所述的润湿梯度结构激光表面微纳加工装置的加工工艺，其特征在于，将预处理后的基板(17)固定在激光加工平台上，采用皮激光加工系统对基板(17)表面进行扫描刻蚀，得到方形网格状微纳复合结构模板；刻蚀后的基板(17)通过夹具放置在隔层上，对刻蚀后的基板(17)进行清洗和干燥。
7.根据权利要求5所述的润湿梯度结构激光表面微纳加工装置的加工工艺，其特征在于，通过加热系统(11)加热反应容器(14)内的温度，旋涂PDMS溶液的基板(17)在100℃下加热不少于2h。
8.根据权利要求5所述的润湿梯度结构激光表面微纳加工装置的加工工艺，其特征在于，双面超亲水性的PDMS膜将需要加工的面定义为上表面，则另一面为下表面；激光以网格扫描在上表面扫除亲水剂，光斑焦点放置在膜上表面的下方，使上表面呈疏水性。
9.根据权利要求5所述的润湿梯度结构激光表面微纳加工装置的加工工艺，其特征在于，所述旋转喷头(18)附近安装图像传感器用于获取旋涂表面的图片，所述图像传感器将图片信号传输给计算机控制系统，通过调节旋转喷头(18)上的温度控制装置控制旋转喷头(18)内的PDMS溶液的温度，用于控制PDMS溶液固化的速度。
10.一种PDMS双面膜，其特征在于，利用权利要求5所述的润湿梯度结构激光表面微纳加工装置的加工工艺生产PDMS双面膜，所述PDMS双面膜上表面为疏水面，所述PDMS双面膜下表面为亲水面；水滴从疏水面可以自运输渗透到亲水面，且水滴不能从亲水面渗透到疏水面。
11.根据权要求10所述的PDMS双面膜，其特征在于，所述PDMS双面膜上表面为接触角大于150°的超疏水表面，所述PDMS双面膜下表面为接触角小于10°的超亲水表面。
12.将权利要求10所述的PDMS双面膜用于雾水收集装置中。
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