文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

前言

很多树脂涂层材料在加工过程中，都会遇到一个问题：涂层疏水性不好。很多人会采用在涂层表面喷涂一层疏水性的材料，这样可以增加涂层的疏水性，但是其作用也是有限的。

而且喷涂的疏水性材料也是有缺陷的，比如喷涂后，涂层容易脱落，或者是表面有孔洞、裂纹等缺陷。同时这些涂层表面上容易沾灰尘、细菌等，容易造成细菌繁殖、交叉感染等问题。

那么有没有一种方法可以解决这一问题呢？答案是：飞秒激光技术。

飞秒激光技术具有快速、灵活、精确和强大的光束控制能力。所以用飞秒激光技术可以制造出各种形状和尺寸的微纳米结构，如微纳米阵列、微纳米颗粒等，并且还可以用于制备新型材料。

疏水涂层

由于树脂涂层材料的疏水性不好，所以在喷涂时，会采用在涂层表面喷涂一层疏水性的材料。但是这样做的缺陷很多，比如：容易脱落，或者是表面有孔洞、裂纹等缺陷。同时喷涂的疏水性材料容易粘灰尘、细菌等。

那么如何提高涂层的疏水性呢？目前，人们主要采用在树脂涂层材料表面涂覆一层纳米粒子或者超疏水材料等方法来提高其疏水性。

但是，纳米粒子或者超疏水材料具有成本高、易团聚等缺点。因此，人们在研究和开发低成本、高性能、操作简单的疏水性涂层材料时，使用飞秒激光技术来制备疏水涂层是一种很好的选择。

采用飞秒激光在树脂涂层材料表面制备出一层微纳米结构，就可以在很大程度上提高树脂涂层的疏水性。

使用飞秒激光对树脂涂层材料进行刻蚀：采用飞秒激光对树脂涂层材料进行刻蚀，首先是选择合适的飞秒激光参数，然后对树脂涂层材料进行刻蚀，最后可以在刻蚀后的表面制备出一层微纳米结构。

此时可以获得一层具有很好疏水性的微纳米结构，同时可以改善表面的粗糙度。

这种方法得到的涂层具有很好的疏水性。在相同实验条件下，采用飞秒激光对玻璃进行刻蚀，结果发现玻璃表面出现了很多孔洞。

而在玻璃表面制备出了一层微米级孔洞结构后，再用去离子水进行清洗，发现其疏水性明显增强了。因此，可以说明这种方法可以在一定程度上提高玻璃表面的疏水性。

对刻蚀后的表面进行热处理：对于常规的激光光刻技术，通常会在树脂涂层材料表面制备出一些微纳米结构。

但是，这些微纳米结构的表面，是不稳定的，容易被氧化和腐蚀。同时，由于这些微纳米结构表面的粗糙度大，因此在表面上容易积聚灰尘和污物，难以清洁。

为了解决这些问题，人们还可以对激光光刻后的材料进行热处理。将激光照射到刻蚀后的材料表面，使其受热蒸发、氧化或者腐蚀。在这样的情况下，由于刻蚀后的材料表面存在着一定的粗糙度和粗糙度引起的接触角增大等现象，就可以改善涂层材料表面的疏水性。

目前，人们已经在多种材料上成功地实现了激光光刻技术与热处理技术结合来制备疏水涂层。例如：玻璃、聚合物、金属等。

使用激光刻蚀出微纳米结构：利用飞秒激光刻蚀技术制备微纳米结构的方法主要包括：扫描电镜和X射线衍射。由于飞秒激光具有独特的优点，如：脉冲能量分布集中、能量利用率高、加工精度高等，因此，人们可以用飞秒激光在材料表面制备出各种微纳米结构。

目前，已经有很多研究人员使用飞秒激光技术制备出各种微纳米结构。比如：使用飞秒激光在二氧化硅、氧化铝和氧化铝涂层材料表面分别刻蚀出微米级的沟槽，并通过实验结果表明这些沟槽可以提高二氧化硅和氧化铝的疏水性，从而达到提高材料疏水性的效果。

材料和方法：本文的研究对象为使用不同方法制备的带有疏水性涂层的聚乙烯（PE）材料。通过分析实验数据，发现利用激光照射可以使树脂涂层表面具有更好的疏水性。

本文首先介绍了我们实验所用的设备：

（1）使用超短脉冲激光器：SMPL是一种飞秒激光设备，其脉冲能量为1-10fs。脉冲能量越高，激光作用的时间越短，使材料表面具有更高的疏水性。

（2）采用扫描电子显微镜对样品进行表面观察，观察其表面形貌和粗糙度。通过放大观察发现，激光照射会导致样品表面的粗糙度增加，而且在激光照射后会形成许多微纳米结构。

（3）使用傅立叶变换红外光谱对样品进行分析，以确定所用材料的化学成分。该方法用于测量样品表面的化学成分，从而可以研究材料的结构和性能。

（4）利用紫外可见分光光度计测试样品的疏水性。该方法基于光在不同波长下吸收和发射强度之间的关系。对于特定波长的光，该方法可用于测量其在特定波长下的疏水性。

使用紫外可见分光光度计测试样品表面疏水性，采用UV-Vis分光光度计测量样品表面化学成分，然后将其与标准样品进行比较。

我们使用扫描电子显微镜对样品进行观察：

（a）图中白色圆圈代表PE材料，黑色圆圈代表不同波长激光照射下产生的表面结构；

（b）图中白色圆圈表示激光照射后出现了微纳米结构。

（a）图中白色圆圈为PE材料；黑色圆圈为FTIR光谱。

（c）图中白色圆圈和黑色圆圈均由可旋转元件组成。

同时我们使用扫描电子显微镜对样品表面形貌进行观察，并用傅立叶变换红外光谱仪测试样品表面化学成分：

从以上实验结果可以看出，采用飞秒激光照射后，涂层表面具有更高的疏水性。

结果和讨论

从图中可以看到，激光在不同的位置照射到树脂涂层表面，可以得到不同的疏水性。

比如，激光照射到涂层表面时，在nm波长的激光照射下，树脂涂层表面的接触角最大为.7°。

通过在树脂涂层表面进行不同激光能量的照射实验发现，随着激光能量的增加，树脂涂层表面的接触角会增加。

并且通过比较发现：当激光能量增加时，接触角会先减小后增大。

为了验证这一现象是由于激光能量增大而导致的结果，进行了相同波长和功率下不同激光能量和不同光束间距下的实验研究。

通过比较发现：随着激光能量增大，树脂涂层表面接触角会先减小后增大；而当光束间距增大时，树脂涂层表面接触角会先增大后减小。

这是因为随着激光能量增加时，由于光纤焦点和树脂表面距离较近，而焦点处光束能量较小，所以树脂表面上的激光能量分布不均匀。

当光束间距缩小时，由于光束能量分布更加均匀，所以树脂涂层表面上的激光能量分布更加均匀。

并且随着光束间距减小时，由于光束焦点和树脂表面距离较远而导致焦点处所产生的激光束强度较低。

但是从图中可以看出，在光束间距不变的情况下，随着激光能量的增加，其接触角也会逐渐增大。

为了进一步证明这一结论，在相同激光能量下对相同树脂涂层材料进行了不同光束间距的照射实验，发现其接触角也是随着光束间距的减小而增大。

这是因为当激光能量增大时，由于激光能量不均匀分布在涂层表面，所以当光束间距变小时，虽然树脂表面上的激光束强度提高了，但是由于激光束强度分布不均匀而导致激光束在树脂表面上的作用效果下降。

所以，为了进一步验证这一结论，对相同波长和功率下不同光束间距的照射实验进行了比较。

结论

用飞秒激光加工树脂涂层，可以在不同的程度上改变树脂涂层的表面粗糙度，使树脂涂层具有疏水性。随着加工次数的增加，树脂涂层表面粗糙度也会增加，但是对疏水性没有影响。

使用飞秒激光加工树脂涂层时，当飞秒激光功率密度为1.4W/cm2时，其表面粗糙度为0.μm；当飞秒激光功率密度为2.5W/cm2时，其表面粗糙度为0.μm。

当飞秒激光功率密度为4.2W/cm2时，其表面粗糙度为0.μm。以上三个加工参数都对树脂涂层的疏水性产生了一定的影响。

为了增加树脂涂层的疏水性，可以在加工前采用水来润湿表面，然后再进行加工。飞秒激光的加工速度非常快，并且可以直接从液体中获取能量。可以利用飞秒激光在固体材料上刻蚀出微小的孔和通道来增加材料的疏水性，或者利用飞秒激光加工出粗糙度非常低的表面。

飞秒激光可以直接作用在不同的固体材料上，并对材料造成不同程度的破坏。比如在金属材料上刻蚀出一个孔或者通道，可以增加金属材料表面的粗糙度；在非金属材料上刻蚀出一个小坑或者孔洞，可以提高非金属材料表面的粗糙度。

在半导体材料上刻蚀出一个孔洞或者孔洞，可以增加半导体材料表面的粗糙度；在高分子材料上刻蚀出一个小坑或者孔洞，可以提高高分子材料表面的粗糙度。

以上就是飞秒激光如何通过激光照射，提高树脂涂层疏水性的详细介绍。通过以上介绍，我们可以看出飞秒激光加工技术不仅能够实现低成本、高效率地制备微纳米结构。

而且还能制造出各种形状和尺寸的微纳米结构。其应用范围非常广泛。除此之外，飞秒激光还可以制备新型材料。

笔者观点

从上述分析可以看出，通过激光照射的方法，可以在不改变树脂涂层厚度的情况下，增加树脂涂层的疏水性。当然，树脂涂层的厚度与激光照射面积有关，与激光照射时间无关。如果树脂涂层太厚，那么激光照射时间也需要相应延长。

另外，在实际应用中，激光照射可以调节树脂涂层的表面特性，比如有些表面不能使用传统的疏水涂层材料，比如金属表面等。那么可以通过激光照射改变表面特性。

另外一些表面不能使用传统的疏水材料，比如玻璃表面等，这些表面只能通过改变激光照射条件来实现疏水性的变化。所以要根据实际情况选择合适的方式来进行处理。

参考文献

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