一种使PTFE或FEP表面同时具备超疏水及水下高反光性质的方法

一种使PTFE或FEP表面同时具备超疏水及水下高反光性质的方法属于激光加工领域。本方法利用1064nm皮秒激光微加工系统在PTFE、FEP表面加工出25μm缝宽的一维或二维沟槽阵列，使得其表面产生超疏水性，若将制备后的超疏水样品完全浸入水中，超疏水表面会呈现金属光泽高反光表面。本发明操作步骤如下：调节皮秒激光光路；利用专业软件绘制出加工路径；根据加工要求调整皮秒激光输出功率；当激光功率满足要求后，输出皮秒脉冲激光进行加工；加工完成后，无需后续清洗即可达到超疏水要求，制成品浸入水中可直接出现类金属高反光表面。

技术领域
本发明涉及一种利用1064nm皮秒激光加工系统通过对PTFE、FEP材料表面进行微加工，得到超疏水性及水下高反光表面的方法。
背景技术
超疏水材料具有的自清洁、抗结冰、抗凝血等特性，使得其在国防、工业、医药及日常生活中都有着重要作用。根据浸润性模型可知，获得超疏水表面的前提是降低固体表面自由能和增加固体表面粗糙度。而聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯树脂本身氟-碳链分子间作用力极低，具有极低的表面自由能，且其表面自由能远小于水。因而若能在PTFE、FEP表面加工出符合浸润模型的微观形貌便可以令其具备超疏水性质。但PTFE、FEP本身具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，这使得如何在该两种材料表面制造微结构成为亟待解决的难题。近期也出现了许多关于解决这方面难题的研究，Jilin Zhang等在《Macromol.Rapid Commun.》2004,25,1105–1108上发表了对结晶度在95%左右的PTFE胶带进行拉伸，随着拉伸强度的增加，PTFE表面逐渐由于晶区分离而产生膨松微结构，接触角最高可达165°，实现超疏水改性。该方法虽然比较简单，但在加工过程中需对整体材料进行拉伸，对整体性能及外形有一定影响。H.Y.Kwong等人在《Applied Surface Science》2007，253，8841–8845上报道利用准分子激光PLD技术在248nm波长，1J/cm2激光能量下，制备出了拥有纳米级粗糙度的PTFE膜，接触角高达170°，滑动角小于2°，具有优良的超疏水性能。利用PLD获得的超疏水PTFE薄膜虽然性能优异，但PLD制备薄膜需要高真空实验条件，而且制备周期较长，薄膜面积较小，不利于工业生产。黄宗明等人在《功能材料》2010，12(41)：2163-2165上报道利用飞秒激光刻蚀PTFE表面，并使其表面产生非常明显的膨化结构，使得其具备了超疏水性能。但通过该方法制备出的超疏水表面经过激光刻蚀后，表面功能的稳定性有所下降。综上所述，通过在PTFE、FEP表面制造微观形貌获得超疏水表面特氟龙的方法还有许多不足，因而找到一种操作简单，适于生产而且超疏水稳定性较高的加工方法势在必行。水下高反光材料是指，经过超疏水微结构加工后的PTFE、FEP材料在空气中对可见光只有漫反射，而将其浸入水中后材料表面呈现出类似金属光泽的镜面反射现象。产生这种水下高反光现象的原因主要是由于超疏水表面在完全浸入水下后，水与固体界面间还混有一层空气介质，使得可见光从光密介质向光疏介质传导满足全反射条件，从而出现由超疏水引起的水下高反光现象。而对于水下高反光材料的研究还未见有相关文献进行报道。
发明内容
本发明提供了一种高效制备超疏水及水下高反光表面PTFE、FEP的方法。本方法利用先进的1064nm皮秒激光加工系统，在聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯树脂表面快速加工出一维、二维微沟槽阵列，通过增加表面粗糙度实现超疏水性。并且制备出的超疏水表面在水下呈现出高反光金属光泽，具备水下高反光性。本发明制备超疏水及水下高反光表面PTFE、FEP的装置包括计算机、皮秒激光器、激光振镜、工作台，材料为聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯树脂。具体操作步骤如下：1.一种使PTFE或FEP表面同时具备超疏水及水下高反光性质的方法,其特征在于：（1）选用厚度0.5‐100mm的聚四氟乙烯PTFE或氟化乙烯丙烯FEP树脂片材，固定于工作台上；调节工作台高度，使得样品表面处于皮秒激光焦点位置；（2）利用AUTO CAD及激光振镜运行软件确定激光扫描路径，设定加工区域大小、微沟槽长度、两缝中心的间隔宽度、扫描速度与单沟槽扫描次数；微沟槽长度1～2cm，两缝中心间隔宽度25～50微米，扫描速度100～200mm/s，单沟槽扫描次数为10次；（3）调节皮秒激光器参数，令其输出波长为1064nm、输出平均功率为10～12W；单脉冲能量100μJ，重复频率100KHz。皮秒激光器输出光能够到达所设输出功率后，开始输出激光加工。几分钟后便可得到数平方厘米的超疏水表面PTFE、FEP，将其直接浸入水中可观察到明显金属光泽高反光表面。本发明的特点是：（1）利用本发明方法对PTFE、FEP表面进行加工，不会对加工对象本身内部性质造成影响。而且超疏水区域大小、形状可以根据设计要求随意变化。（2）皮秒激光加工系统操作简单、加工速度快、且在空气条件下即可以完成加工。加工后不用清洗就具备超疏水性（3）本发明制备出的超疏水表面PTFE、FEP最大静态接触角达167°，且表面性质稳定性较好。（4）皮秒加工后的超疏水PTFE、FEP表面，在水中具有高反光特性，这种具备双表面特性的材料具有更多应用前景。
附图说明
图1本发明皮秒激光加工系统示意图图中：1，振镜系统，2，激光光束，3，工作台，4，反射镜，5，皮秒激光器，6，计算机图2皮秒激光加工PTFE表面二维微沟槽激光共聚焦显微镜图图3皮秒激光加工FEP表面一维微沟槽激光共聚焦显微镜图
具体实施方式
实例1本实例采用三波段皮秒激光器（1.064μm/532nm/355nm）作为加工光源。其主要技术参数如下：波长输出：1.064μm/532nm/355nm；红光输出时：最大脉冲重复频率:2MHz；最大脉冲能量:80μJ；脉宽10ps；光束质量M²=1.3；脉冲能量稳定性2%rms。皮秒激光加工系统如图1所示。加工后的材料表面微结构通过激光共聚焦显微镜（Olympus LEXT OLS3000）表征、加工后样品的表面超疏水性由接触角测量仪（OCA20）进行测定。使用的材料是英国公司生产的0.5mm厚聚四氟乙烯（PTFE）片材。具体操作步骤如下：调整光路，使得指示光通过振镜后经过会聚透镜，投射到工作台上。将聚四氟乙烯片材固定于工作台上，调节工作台高度使得待加工表面处于激光焦点。通过控制振镜软件，设定扫描直线长度1cm、直线间间隔50μm、扫描速度100mm/s、每条直线扫描10次，并在扫描完成后从原点与原方向旋转90°再进行一次扫描。调节激光器参数，令输出功率为10W、输出波长为1064nm，单脉冲能量100μJ，重复频率100KHz，等待激光能量符合要求后，输出激光加工。加工后的聚四氟乙烯表面出现1×1cm²超疏水表面，通过激光共聚焦显微镜如图2所示，可以观察到2维微沟槽网格结构，缝宽25μm、两缝中心间隔50μm、缝深75微米。将其浸入水中可以观察到超疏水区域呈现出金属光泽，具备水下高反射性。通过本实例可以快速制备出超疏水及水下高反射表面聚四氟乙烯。实例2本实例采用皮秒激光器作为加工光源。1064nm波长输出时：最大脉冲重复频率:2MHz；最大脉冲能量:80μJ；脉宽10ps；光束质量M²=1.3；脉冲能量稳定性2%rms。皮秒激光加工系统如图1所示。加工后的材料表面微结构通过激光共聚焦显微镜（Olympus LEXT OLS3000）表征、加工后样品的表面超疏水性由接触角测量仪（OCA20）进行测定。使用的材料是英国公司生产的0.5mm厚氟化乙烯丙烯树脂（FEP）片材。具体操作步骤如下：调整光路，使得指示光通过振镜后经过会聚透镜，投射到工作台上。将氟化乙烯丙烯树脂片材固定于工作台上，调节工作台高度使得待加工表面处于激光焦点。通过控制振镜软件，设定扫描直线长度1cm、直线间间隔50μm、扫描速度200mm/s、每条直线扫描10次。调节激光器参数，令输出功率为10W、输出波长为1064nm，单脉冲能量100μJ，重复频率100KHz，等待激光能量符合要求后，输出激光加工。加工后的FEP表面出现1×1cm²超疏水表面，通过激光共聚焦显微镜如图3所示，可以观察到1维微沟槽结构，缝宽25μm、两缝中心间隔50μm、缝深75微米。将其浸入水中可以观察到超疏水区域呈现出金属光泽，具备水下高反射性。通过本实例可以快速制备出超疏水及水下高反射表面氟化乙烯丙烯树脂。