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CN109676245A - 一种利用脉冲激光制备超亲水玻璃表面的方法 - Google Patents

一种利用脉冲激光制备超亲水玻璃表面的方法 Download PDF

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CN109676245A CN201811156763.XA CN201811156763A CN109676245A CN 109676245 A CN109676245 A CN 109676245A CN 201811156763 A CN201811156763 A CN 201811156763A CN 109676245 A CN109676245 A CN 109676245A
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杨奇彪
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Abstract

本发明涉及一种利用脉冲激光制备超亲水玻璃表面的方法，将待加工玻璃基材清洗干净并吹干后置于加工平台上，采用脉冲激光对待加工玻璃基材表面进行激光刻蚀处理，并在所述玻璃基材表面形成规则的凸凹形或凹坑形微结构，制备得到超亲水玻璃表面。本发明的利用脉冲激光制备超亲水玻璃表面的方法，通过采用脉冲激光对待加工玻璃基材表面进行激光刻蚀处理并形成规则的凸凹形或凹坑形微结构，可以在玻璃表面获得长期稳定的超亲水表面，水滴能够迅速均匀的向四周扩散铺展，使玻璃达到自清洁、防雾、良好的浸润性能的功能，工艺简单，仅仅改变玻璃基材表面结构，不需要使用任何涂层或改变其化学组成，绿色环保无污染，成本低效率高。

Description

一种利用脉冲激光制备超亲水玻璃表面的方法
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种利用脉冲激光制备超亲水玻璃表面的方法。
背景技术
玻璃在工农业生产和日常生活以及医疗领域有着广泛的用途，例如太阳能电池板、温室的玻璃墙、建筑材料、隔断玻璃、厨房玻璃、医疗使用的载玻片和特殊作业玻璃等。然而污染和雾化问题给人们的生产和生活带来了诸多的不便，甚至造成了重大的损失。因此，提高玻璃的亲水性能，使其达到超亲水，实现自清洁、防雾的功能对许多领域都至关重要。在医疗领域也有很广泛的应用，超亲水玻璃具有良好的浸润性能，在血液化验时，使用超亲水载玻片，血液能在超亲水载玻片上迅速均匀的向四周铺展，解决了人工铺展不均匀等问题。
目前，制备超亲水玻璃表面的方法有：溶胶-凝胶法、液相沉积法、电化学法、自组装分子膜、涂覆纳米涂层等方法，目前的制备方法存在操作复杂，成本高，超亲水性能维持时间不长，甚至会产生化学污染等方面的缺陷。因此，开发一种工艺简单，绿色环保无污染，能耗少，成本低效率高的超亲水自清洁、防雾、良好的浸润性能的玻璃表面的方法，是目前科研工作者亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种工艺简单，安全可靠，绿色环保无污染，能耗少，制备成本低效率高的制备超亲水玻璃表面的方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种利用脉冲激光制备超亲水玻璃表面的方法，将待加工玻璃基材清洗干净并吹干后置于加工平台上，采用脉冲激光对待加工玻璃基材表面进行激光刻蚀处理，并在所述玻璃基材表面形成规则的凸凹形或凹坑形微结构，制备得到超亲水玻璃表面。
本发明的有益效果是：本发明的利用脉冲激光制备超亲水玻璃表面的方法，通过采用脉冲激光对待加工玻璃基材表面进行激光刻蚀处理并形成规则的凸凹形或凹坑形微结构，可以在玻璃表面获得长期稳定的超亲水表面，水滴能够迅速均匀的向四周扩散铺展，使玻璃达到自清洁、防雾、良好的浸润性能的功能，工艺简单，仅仅改变玻璃基材表面结构，不需要使用任何涂层或改变其化学组成，绿色环保无污染，成本低效率高。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步：所述脉冲激光的波长范围为200nm-2000nm，所述脉冲激光的脉宽范围短于50ms。
进一步：所述脉冲激光的波长为800nm-1064nm，所述脉冲激光的脉宽为100fs-50μs。
进一步：采用振镜系统对玻璃表面分别进行横向和纵向的激光刻蚀处理，刻蚀速度为10mm/s-20m/s，振镜系统的刻蚀轨迹采用直线型刻蚀方式，脉冲激光的通断及振镜系统的扫描范围和刻蚀速度均由计算机程序控制和设定。
进一步：采用多棱镜系统对玻璃表面分别进行横向和纵向的激光刻蚀处理，刻蚀速度为1m/s-100m/s，多棱镜系统的刻蚀轨迹采用直线型刻蚀方式，脉冲激光的通断及多棱镜系统的扫描范围和刻蚀速度均由计算机程序控制和设定。
进一步：采用运动平台系统对玻璃表面分别进行横向和纵向的激光刻蚀处理，刻蚀速度为5mm/s-5m/s，运动平台系统的刻蚀轨迹采用直线型刻蚀方式，脉冲激光的通断及运动平台系统的扫描范围和刻蚀速度均由计算机程序控制和设定。
本发明还提供了一种所述的方法制备得到的超亲水玻璃表面，所述表面具有规则的凹凸形或凹坑形的微结构。
附图说明
图1中(1a)、(1b)分别为本发明实施案例1利用脉冲激光制备得到的玻璃超亲水表面的接触角示意图、表面形貌示意图；
图2中(2a)、(2b)分别为本发明实施案例2利用脉冲激光制备得到的玻璃超亲水表面的接触角示意图、表面形貌示意图；
图3中(3a)、(3b)分别为本发明实施案例3利用脉冲激光制备得到的玻璃超亲水表面的接触角示意图、表面形貌示意图；
图4中(4a)、(4b)分别为本发明实施案例4利用脉冲激光制备得到的玻璃超亲水表面的接触角示意图、表面形貌示意图；
图5中(5a)、(5b)分别为本发明实施案例5利用脉冲激光制备得到的玻璃超亲水表面的接触角示意图、表面形貌示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种利用脉冲激光制备超亲水玻璃表面的方法，将待加工玻璃基材清洗干净并吹干后置于加工平台上，采用脉冲激光对待加工玻璃基材表面进行激光刻蚀处理，并在所述玻璃基材表面形成规则的凸凹形或凹坑形微结构，制备得到超亲水玻璃表面。
本发明的利用脉冲激光制备超亲水玻璃表面的方法，通过采用脉冲激光对待加工玻璃基材表面进行激光刻蚀处理并形成规则的凸凹形或凹坑形微结构，可以在玻璃表面获得长期稳定的超亲水表面，水滴能够迅速均匀的向四周扩散铺展，使玻璃达到自清洁、防雾、良好的浸润性能的功能，工艺简单，仅仅改变玻璃基材表面结构，不需要使用任何涂层或改变其化学组成，绿色环保无污染，成本低效率高。
本发明中,对待加工玻璃基材表面进行激光刻蚀处理具体包括：采用脉冲激光在待加工玻璃基材表面进行横向逐行直线刻蚀处理，以及采用脉冲激光在待加工玻璃基材表面进行纵向逐行直线刻蚀处理，在其表面形成了规则的凹凸形或凹坑形的微结构。
本发明提供的实施例中，所述脉冲激光的波长范围为200nm-2000nm，所述脉冲激光的脉宽范围为短于50ms。
可选地，本发明提供的实施例中，所述脉冲激光的波长为800nm-1064nm，所述脉冲激光的脉宽为100fs-50μs。
可选地，本发明提供的实施例中，采用振镜系统对玻璃表面分别进行横向和纵向的激光刻蚀处理，刻蚀速度为10mm/s-20m/s，振镜系统的刻蚀轨迹采用直线型刻蚀方式，脉冲激光的通断及振镜系统的扫描范围和刻蚀速度均由计算机程序控制和设定。
可选地，本发明提供的实施例中，采用多棱镜系统对玻璃表面分别进行横向和纵向的激光刻蚀处理，刻蚀速度为1m/s-100m/s，多棱镜系统的刻蚀轨迹采用直线型刻蚀方式，脉冲激光的通断及多棱镜系统的扫描范围和刻蚀速度均由计算机程序控制和设定。
可选地，本发明提供的实施例中，采用运动平台系统对玻璃表面分别进行横向和纵向的激光刻蚀处理，刻蚀速度为5mm/s-5m/s，运动平台系统的刻蚀轨迹采用直线型刻蚀方式，脉冲激光的通断及运动平台系统的扫描范围和刻蚀速度均由计算机程序控制和设定。
本发明还提供了一种所述的方法制备得到的超亲水玻璃表面，所述表面具有规则的凹凸形或凹坑形的微结构。
实施案例1
将二氧化硅玻璃片用酒精溶液擦拭干净并吹干或晾干，测得原始表面接触角为19.6°，粗糙度为0.011μm；采用脉冲激光器，激光器波长为800nm，对玻璃片表面进行横向和纵向的刻蚀处理。所述激光器脉宽为100fs，重复频率为10kHz，激光能量为0.08mJ，采用振镜系统，使激光束以40mm/s的速度对玻璃片表面进行逐行逐列的刻蚀，玻璃片表面加工范围为15mm x 15mm。所述振镜系统由高速旋转的X-Y光学扫描头、电子驱动放大器、光学反射镜片和场镜组成，振镜系统的刻蚀轨迹采用直线型刻蚀方式，脉冲激光的通断及振镜系统的扫描范围和加工速度均由计算机程序控制和设定。
利用光学接触角表面界面张力测量仪测试所述得到的超亲水玻璃片表面的接触角：采用接取法测量，在加液针头下形成所需体积的悬挂液滴，调节加工平台的Z轴使玻璃片表面上升，当玻璃片表面与加液针头下悬挂的液滴底部接触时，液滴就从加液针头转移到玻璃片表面，然后再通过调节加工平台Z轴使玻璃片表面下降到原来的位置进行测量，由于3微升以上的水滴会直接浸润铺满整个表面，无法观测水滴均匀扩散的过程，所以水滴体积为2微升，测试温度为23℃，湿度为45％RH。
本实施案例制备得到的超亲水玻璃表面与水的接触角示意图如图1(1a)所示，表面形貌示意图如图1(1b)所示。
本实施案例制备得到的超亲水玻璃表面与水的接触角接近于0°，测试结果见表1。
实施案例2
将蓝宝石玻璃片用酒精溶液擦拭干净并吹干或晾干，测得原始表面接触角为19.6°，粗糙度为0.011μm；采用脉冲激光器，激光器波长为800nm，对蓝宝石玻璃片表面进行横向和纵向的刻蚀处理。所述激光器脉宽为100fs，重复频率为10kHz，激光能量为0.14mJ，采用振镜系统，使激光束以20mm/s的速度对蓝宝石玻璃片表面进行逐行逐列的刻蚀，蓝宝石玻璃片表面加工范围为15mm x 15mm。所述振镜系统由高速旋转的X-Y光学扫描头、电子驱动放大器、光学反射镜片和场镜组成，振镜系统的刻蚀轨迹采用直线型刻蚀方式，脉冲激光的通断及振镜系统的扫描范围和加工速度均由计算机程序控制和设定。
利用光学接触角表面界面张力测量仪测试所述得到的超亲水玻璃表面的接触角：采用接取法测量，在加液针头下形成所需体积的悬挂液滴，调节加工平台的Z轴使样品表面上升，当蓝宝石玻璃片表面与加液针头下悬挂的液滴底部接触时，液滴就从加液针头转移到蓝宝石玻璃片表面，然后再通过调节加工平台Z轴使蓝宝石玻璃片表面下降到原来的位置进行测量，由于3微升以上的水滴会直接浸润铺满整个表面，无法观测水滴均匀扩散的过程，所以水滴体积为2微升，测试温度为23℃，湿度为45％RH。
本实施案例制备得到的超亲水玻璃表面与水的接触角示意图如图2(2a)所示，表面形貌示意图如图2(2b)所示。
本实施案例制备得到的超亲水玻璃表面与水的接触角接近于0°，测试结果见表1。
实施案例3
将二氧化硅玻璃片用酒精溶液擦拭干净并吹干或晾干，测得原始表面接触角为19.6°，粗糙度为0.011μm；采用脉冲激光器，激光器波长为1064μm，对玻璃片表面进行横向和纵向的刻蚀处理。所述激光器脉宽为50μs，重复频率为2000Hz，激光能量为3.2mJ，采用运动平台系统，使激光束以9mm/s的速度对玻璃片表面进行逐行逐列的刻蚀，玻璃片表面加工范围为15mm x 15mm。所述运动平台系统由X-Y-Z运动平台、电子驱动放大器和光学扫描头组成，运动平台系统的刻蚀轨迹采用直线型刻蚀方式，脉冲激光的通断及运动平台系统的扫描范围和加工速度均由计算机程序控制和设定。
利用光学接触角表面界面张力测量仪测试所述得到的超亲水玻璃表面的接触角：采用接取法测量，在加液针头下形成所需体积的悬挂液滴，调节加工平台的Z轴使样品表面上升，当玻璃片表面与加液针头下悬挂的液滴底部接触时，液滴就从加液针头转移到玻璃片表面，然后再通过调节加工平台Z轴使玻璃片表面下降到原来的位置进行测量，由于3微升以上的水滴会直接浸润铺满整个表面，无法观测水滴均匀扩散的过程，所以水滴体积为2微升，测试温度为23℃，湿度为45％RH。
本实施案例制备得到的超亲水玻璃表面与水的接触角示意图如图3(3a)所示，表面形貌示意图如图3(3b)所示。
本实施案例制备得到的超亲水玻璃表面与水的接触角接近于0°，测试结果见表1。
实施案例4
将蓝宝石玻璃片用酒精溶液擦拭干净并吹干或晾干，测得原始表面接触角为19.6°，粗糙度为0.011μm；采用脉冲激光器，激光器波长为1064μm，对蓝宝石玻璃片表面进行横向和纵向的刻蚀处理。所述激光器脉宽为50μs，重复频率为2000Hz，激光能量为2mJ，采用运动平台系统，使激光束以80mm/s的速度对蓝宝石玻璃片表面进行逐行逐列的刻蚀，蓝宝石玻璃片表面加工范围为15mm x 15mm。所述运动平台系统由X-Y-Z运动平台、电子驱动放大器和光学扫描头组成，运动平台系统的刻蚀轨迹采用直线型刻蚀方式，脉冲激光的通断及运动平台系统的扫描范围和加工速度均由计算机程序控制和设定。
利用光学接触角表面界面张力测量仪测试所述得到的超亲水玻璃表面的接触角：采用接取法测量，在加液针头下形成所需体积的悬挂液滴，调节加工平台的Z轴使样品表面上升，当蓝宝石玻璃片表面与加液针头下悬挂的液加工平台Z轴使蓝宝石玻璃片表面下降到原来的位置进行测量，由于3微升以上的水滴会直接浸润铺满整个表面，无法观测水滴均匀扩散的过程，所以水滴体积为2微升，测试温度为23℃，湿度为45％RH。
本实施案例制备得到的超亲水玻璃表面与水的接触角示意图如图4(4a)所示，表面形貌示意图如图4(4b)所示。
本实施案例制备得到的超亲水玻璃表面与水的接触角接近于0°，测试结果见表1。
实施案例5
将二氧化硅玻璃片用酒精溶液擦拭干净并吹干或晾干，测得原始表面接触角为19.6°，粗糙度为0.011μm；采用脉冲激光器，激光器波长为800nm，对玻璃片表面进行横向和纵向的刻蚀处理。所述激光器脉宽为100fs，重复频率为10kHz，激光能量为0.06mJ，采用振镜系统，使激光束以1000mm/s的速度对玻璃片表面进行逐行逐列的刻蚀，玻璃片表面加工范围为15mm x 15mm。所述振镜系统由高速旋转的X-Y光学扫描头、电子驱动放大器、光学反射镜片和场镜组成，振镜系统的刻蚀轨迹采用直线型刻蚀方式，脉冲激光的通断及振镜系统的扫描范围和加工速度均由计算机程序控制和设定。
利用光学接触角表面界面张力测量仪测试所述得到的超亲水玻璃表面的接触角：采用接取法测量，在加液针头下形成所需体积的悬挂液滴，调节加工平台的Z轴使样品表面上升，当玻璃片表面与加液针头下悬挂的液滴底部接触时，液滴就从加液针头转移到玻璃片表面，然后再通过调节加工平台Z轴使玻璃片表面下降到原来的位置进行测量，由于3微升以上的水滴会直接浸润铺满整个表面，无法观测水滴均匀扩散的过程，所以水滴体积为2微升，测试温度为23℃，湿度为45％RH。
本实施案例制备得到的超亲水玻璃表面与水的接触角示意图如图5(5a)所示，表面形貌示意图如图5(5b)所示。
本实施案例制备得到的超亲水玻璃表面与水的接触角接近于0°，测试结果见表1。
表1
实施案例 接触角/°
原始表面 19.6
实施案例1 ～0
实施案例2 ～0
实施案例3 ～0
实施案例4 ～0
实施案例5 ～0
由此可见，经过本发明的脉冲激光刻蚀处理的的玻璃基材表面的接近于0°，仅仅改变玻璃表面结构，不需要使用任何涂层或改变其化学组成，就能使玻璃表面实现超亲水，并达到自清洁、防雾和良好的浸润性能的效果。在医疗领域也有很广泛的应用，如在化验血液时，利用超亲水玻璃良好的浸润性能，血液能在超亲水玻璃上迅速均匀的向四周铺展，解决了人工铺展不均匀等问题。并且激光加工绿色环保无污染，能耗少，成本低效率高，同时加工工艺条件较宽，通过制备能够得到性能稳定的超亲水玻璃表面，可以加工各种类型的玻璃制品。
本发明的超亲水玻璃表面制备方法具有如下优点：
(1)本发明采用的激光制备方法工艺简单，仅仅改变玻璃表面结构，不需要使用任何涂层或改变其化学组成；
(2)采用本发明方法，绿色环保无污染，成本低效率高，同时加工工艺条件较宽，适用于加工各种形状及规格的玻璃制品，制备得到稳定的超亲水玻璃表面；
(3)采用本发明方法制备得到的超亲水玻璃表面，水滴在其表面的接触角接近于0°，其表面呈规则的凹凸形或凹坑形的微结构，水滴能够迅速均匀的向四周扩散铺展，达到了超亲水的特性，在实际应用当中起到了很重要的作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用脉冲激光制备超亲水玻璃表面的方法，其特征在于:将待加工玻璃基材清洗干净并吹干后置于加工平台上，采用脉冲激光对待加工玻璃基材表面进行激光刻蚀处理，并在所述玻璃基材表面形成规则的凸凹形或凹坑形微结构，制备得到超亲水玻璃表面。
2.根据权利要求1所述的利用脉冲激光制备超亲水玻璃表面的方法，其特征在于:所述脉冲激光的波长范围为200nm-2000nm，所述脉冲激光的脉宽短于50ms。
3.根据权利要求2所述的利用脉冲激光制备超亲水玻璃表面的方法，其特征在于:所述脉冲激光的波长为800nm-1064nm，所述脉冲激光的脉宽为100fs-50μs。
4.根据权利要求1至3任一项所述的利用脉冲激光制备超亲水玻璃表面的方法，其特征在于:采用振镜系统对玻璃表面分别进行横向和纵向的激光刻蚀处理，刻蚀速度为10mm/s-20m/s，振镜系统的刻蚀轨迹采用直线型刻蚀方式，脉冲激光的通断及振镜系统的扫描范围和刻蚀速度均由计算机程序控制和设定。
5.根据权利要求1至3任一项所述的利用脉冲激光制备超亲水玻璃表面的方法，其特征在于:采用多棱镜系统对玻璃表面分别进行横向和纵向的激光刻蚀处理，刻蚀速度为1m/s-100m/s，多棱镜系统的刻蚀轨迹采用直线型刻蚀方式，脉冲激光的通断及多棱镜系统的扫描范围和刻蚀速度均由计算机程序控制和设定。
6.根据权利要求1至3任一项所述的利用脉冲激光制备超亲水玻璃表面的方法，其特征在于:采用运动平台系统对玻璃表面分别进行横向和纵向的激光刻蚀处理，刻蚀速度为5mm/s-5m/s，运动平台系统的刻蚀轨迹采用直线型刻蚀方式，脉冲激光的通断及运动平台系统的扫描范围和刻蚀速度均由计算机程序控制和设定。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的方法制备得到的超亲水玻璃表面，其特征在于：所述表面具有规则的凹凸形凹坑形的微结构。
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