激光制备聚碳酸酯疏水表面

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激光微纳制造技术可以在材料表面制备具有特殊功能的结构,如光、电、磁以及超疏水功能。聚碳酸酯(PC)因其具有许多优良的性能而广泛应用于社会生活的各个方面。超疏水表面因其具有自清洁的能力而在自清洁、防水防雪、防污染等方面有着重要的应用前景。为拓宽聚碳酸酯(PC)的应用领域,利用激光微纳制造技术,在聚碳酸酯(PC)表面制备特殊的结构。通过改善PC的疏水性能,能有效提升其自清洁和防水防污染的能力。对于PC的应用有相当重要的作用。  本文用激光波长为343 nm的飞秒激光加工系统对聚碳酸酯表面进行处理,制备出了具有方柱阵列的聚碳酸酯粗糙表面。再利用激光显微镜及接触角测量仪分别对其表面形貌和接触角进行了表征和测量。运用Wenzel模型和Cassie模型分析粗糙表面凹槽的深度与其对去离子水的接触角的关系。研究表明:  1、利用343nm波长的紫外飞秒激光加工系统对聚碳酸酯表面进行处理,扫描间距10μm~40μm,扫描次数1~20次。在扫描间距10μm以上时可以得到具有方柱阵列的粗糙表面。其方柱间距,即激光扫描所得的凹槽宽度在10μm左右;方柱高度,即凹槽深度与重复扫描次数有关,最大可在21μm左右。  2、聚碳酸酯表面在激光处理前对去离子水的接触角为85°,是典型的亲水表面;但在激光处理过后对去离子水的接触角最大可达到122.45°,具有很好的疏水性能。  3、在扫描间距为20μm的情况下,聚碳酸酯粗糙表面与去离子水的接触状态符合Wenzel模式。其接触角随着凹槽深度的增加而一直增加。在扫描间距为30μm和40μm的情况下,凹槽深度低于10μm时,接触状态与Wenzel模式相符,接触角随凹槽深度的增加而增加;当凹槽深度高于10μm时,接触情况与Cassie模式相符,接触角不随凹槽深度的增加而发生变化,而是稳定在122°左右。  4、根据Patankar的理论计算出Wenzel模式状态转化为Cassie模式状态时实验中各样品对应的凹槽临界深度。临界凹槽深度与扫描次数的关系表明,扫描次数大于等于5次的时候,其临界凹槽深度变化不太大,这与样品的凹槽宽度变化不大有一定的关系。同时可以看出,扫描间距越小,其临界凹槽深度则越大,这说明扫描间距越小,表面与液滴的接触模式将会在凹槽更深的时候处于Wenzel型的模式。因此,接触角随凹槽深度增加而增加的范围就会更大。  5、将计算得到的临界深度与本文中测得的实验样品的凹槽深度进行对比分析,发现实验结果与理论基本一致。同时可以确定当扫描间距为30μm和40μm的时候,粗糙表面的凹槽深度在10μm左右时存在接触情况由Wenzel模式状态转化为Cassie模式状态的一个临界点。
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