水膜快速擦写导电聚偏乙烯导电层的方法转让专利
申请号 : CN201110059910.3
文献号 : CN102248688A
文献日 : 2011-11-23
发明人 : 刘莹 , 蒋毅坚
申请人 : 北京工业大学
摘要 :
本发明提出了一种水膜快速擦写导电聚偏乙烯导电层的方法，在预清除导电层的上方覆盖水膜，采用准分子激光辐照技术在作用区域内产生高温高压环境，导电层在水膜激光汽化过程中被破坏而去除。被还原的材料表面通过激光辐照可迅速再次改性，从而达到了材料的重复利用。
权利要求 :
1.水膜快速擦写导电聚偏乙烯导电层的方法，其特征在于：准分子激光辐照改性光路沿光的传播方向依次设置激光器1、第一级复眼2、第二级复眼3、第一级物镜4、第二级物镜
5、反射镜6及样品台7；有导电聚偏乙烯导电层的试样9放置于工作台上，水膜10为纯净水，通过胶头滴管附于导电层上；试样9处的激光辐照能量密度通过激光输出能量及辐照面积进行调节，试样9上的导电聚偏乙烯导电层表面电导率可通过激光能量密度及脉冲个数进行调节；实现导电聚偏乙烯导电层水膜快擦写的过程按以下步骤进行：
1)将厚度大于或等于0.5毫米的导电聚偏氟乙烯PVDF试样9固定在水平样品台7上；
-3 -1 -1
其导电层8的电导率通过四探针测量获得为1.83×10 Ω cm ；
2)采用红光激光器进行准直；使经过准分子激光辐照光路系统后的激光光斑与导电层位置保持垂直重合，以达到均匀辐照的目的；
3)添加水膜。通过胶头滴管将纯净水以液滴的形式附于导电层上，使其逐步扩散覆盖到所需清除区域；
4)调节激光器激光的输出能量值，以使材料上所添加的水膜能够蒸发为宜，打开激光器1进行准分子激光水下去除导电层操作；
5)关光，调节激光改性所需能量密度，对被还原的材料表面进行二次改性操作。
2.根据权利要求1所述的水膜快速擦写导电聚偏乙烯导电层的方法，其特征在于：导电层的清除与再生可按权利要求1中的1)至5)步进行循环操作。
说明书 :
水膜快速擦写导电聚偏乙烯导电层的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及激光辐照改性技术和导电聚合物材料制备领域，尤指采用准分子激光制备导电聚偏氟乙烯过程中，一种对其表面导电层进行快速擦写的方法。
背景技术
[0002] 准分子激光具有波长短、能量高、无污染、自动性强及操作简单等特点，在材料改性方面有着广泛的应用，如激光光刻、激光沉积和激光打标。通过控制激光能量流密度，使激光能量有效地注入材料表面表层，可在不影响材料内部性质的同时赋予材料更多新的性能和功能。其中，采用准分子激光诱导聚合物材料表面电学性质的改变方面的研究一直是国内外研究机构热点，也是制备导电聚合物最有效途径：如1991年，Rice等人在《Journal of Intelligent Material Systems and Structures》上报道采用248nm准分子激光辐照聚酰亚胺(Kapton，PI)和聚苯并咪唑，使其表面电导率提高了15个数量级达-1 -11～10(Ω cm )；2000年，Zongyi Qin等人在《Surface and Interface Analysis》上分析KrF激光辐照聚酰亚胺的作用机理，认为激光光热作用是导电层形成主要原因；2006年，我课题组在《Applied Physics Letters》上发表的文章“Increasing the electrical conductivity of poly(vinylidene fluoride)by KrF excimer laser irradiation”，采用248nm准分子辐照方法处理聚偏氟乙烯材料(PVDF)，使其表面电导率提高了9个数量，由-13 -1 -1 -4 -1 -1 -1
10 Ω cm 到达10 Ω cm 10 ；另外2010年，我课题组在《中国激光》报道了在发现PVDF导电层形成过程基础上，揭示以C-C化学键为主构成的规整三维网络结构的改性层是其电导率大幅度提高的主要原因。虽然这些采用准分子激光的处理方法实现了多种聚合物材料表面导电层的制备，但是制备过程中产生了大量废料或不合格产品，提高了制造成本同时造成极大浪费，另外，对于导电层局部或大面积的清除方法的研究也尚属空白。因此，针对导电层的可快速擦写操作方法的研究极为必要。导电层的清除与再造制备将实现原材料的重复利用，节约资源，降低成本，进一步推动导电聚合物的应用进程。本发明将以248nm准分子激光制备导电聚偏氟乙烯材料的研究成果为基础，探讨其导电层的快速擦写方法，并为其它类型的激光制备导电聚合物材料和揭示导电机理提供实验数据和理论基础。
10 Ω cm 到达10 Ω cm 10 ；另外2010年，我课题组在《中国激光》报道了在发现PVDF导电层形成过程基础上，揭示以C-C化学键为主构成的规整三维网络结构的改性层是其电导率大幅度提高的主要原因。虽然这些采用准分子激光的处理方法实现了多种聚合物材料表面导电层的制备，但是制备过程中产生了大量废料或不合格产品，提高了制造成本同时造成极大浪费，另外，对于导电层局部或大面积的清除方法的研究也尚属空白。因此，针对导电层的可快速擦写操作方法的研究极为必要。导电层的清除与再造制备将实现原材料的重复利用，节约资源，降低成本，进一步推动导电聚合物的应用进程。本发明将以248nm准分子激光制备导电聚偏氟乙烯材料的研究成果为基础，探讨其导电层的快速擦写方法，并为其它类型的激光制备导电聚合物材料和揭示导电机理提供实验数据和理论基础。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种采用水膜激光汽化途径快速擦写导电聚偏乙烯材料导电层的方法，其可在室温及空气环境下实现对导电层的局部或全部区域的清除工作，借以提高原材料的使用率，降低成本，促进导电塑料工业化进程。
[0004] 本发明的基本思想是：在预清除导电层的上方覆盖水膜，采用准分子激光辐照技术在作用区域内产生高温高压环境，导电层在水膜激光汽化过程中被破坏而去除。被还原的材料表面通过激光辐照可迅速再次改性，从而达到了材料的重复利用。
[0005] 本发明采用的具体技术方案如下：采用准分子激光辐照改性光路系统直接对附有水膜10的试样9进行导电层8清除处理。水膜快速擦写导电聚偏乙烯导电层的方法，准分子激光辐照改性光路沿光的传播方向依次设置激光器1、第一级复眼2、第二级复眼3、第一级物镜4、第二级物镜5、反射镜6及样品台7；有导电聚偏乙烯导电层8的试样9放置于工作台上，水膜10为纯净水，通过胶头滴管附于导电层8上；试样9处的激光辐照能量密度通过激光输出能量及辐照面积进行调节，试样9上的导电聚偏乙烯导电层表面电导率可通过激光能量密度及脉冲个数进行调节；实现导电聚偏乙烯导电层水膜快擦写的过程按以下步骤进行：
[0006] 1)将厚度大于或等于0.5毫米的导电聚偏氟乙烯PVDF试样9固定在水平样品台7上；其导电层8的电导率通过四探针测量获得为1.83×10-3Ω-1cm-1；
[0007] 2)采用红光激光器进行准直；使经过准分子激光辐照光路系统后的激光光斑与导电层位置保持垂直重合，以达到均匀辐照的目的；
[0008] 3)添加水膜。通过胶头滴管将纯净水以液滴的形式附于导电层上，使其逐步扩散覆盖到所需清除区域；
[0009] 4)调节激光器激光的输出能量值，以使材料上所添加的水膜能够蒸发为宜，打开激光器1进行准分子激光水下去除导电层操作；
[0010] 5)关光，调节激光改性所需能量密度，对被还原的材料表面进行二次改性操作。
[0011] 导电层的清除与再生可按权利要求1中的1)至5)步进行循环操作。
[0012] 本发明的优点在于：实现了导电聚偏氟乙烯导电层的快速擦写功能，操作简单，重复及可控性强。
附图说明
[0013] 图1是本发明准分子激光辐照光路系统
[0014] 图2是本发明中附有水膜试样的示意图
[0015] 图3是本发明导电层的扫描电镜微观结构示意图
[0016] 图4是本发明实施例1中清除导电层后试样的扫描电镜微观结构示意图
[0017] 图5是本发明实施例2中清除导电层后试样的扫描电镜微观结构示意图
[0018] 图6是本发明实施例3中清除导电层后试样的扫描电镜微观结构示意图
[0019] 图中：1、激光器，2、第一级复眼，3、第二级复眼，4、第一级物镜，5、第二级物镜，6、反射镜，7、样品台，8、导电层，9、PVDF样品，10、水膜。
具体实施方式
[0020] 下面结合附图1～6和具体实施例对本发明进行进一步说明。本实施例中的激光器采用的都是德国Lambda Physik公司制造的LPX305iF型准分子激光器，该激光器的主要性能指标如下：激发光波长为248nm，脉宽为20ns，最大脉冲能量为1.2J/Pluse，平均输出功率为60W，重复频率为1～50Hz，输出能量为200～600mJ。材料表面的能量密度主要通过激光输出能量和光斑大小进行控制。
[0021] 实施例1：
[0022] 如图1所示，准分子激光辐照系统中，KrF准分子激光器1发出的光束依次通过第一级复眼2、第二级复眼透镜3、第一级物镜4、第二级物镜5和反射镜6后对水膜10下试样9的导电层8进行直接辐照清除操作。另外，实施例中所选择试样的导电层为1cm×1cm左右。
[0023] 本实施例主要按照以下步骤进行操作：
[0024] 第一步：通过红光激光器调节光斑大小及位置。清除过程中的光斑面积需不小于导电层区域。记录光斑面积1.2cm×1.2cm。
[0025] 第二步：将纯净水滴通过胶头滴管附于并覆盖全部导电层上，形成水膜，厚度约为0.2cm。此时水膜厚度不宜超过1cm.
[0026] 第三步：设置激光输出能量为400mJ，重复频率4Hz，开光进行导电层清除操作。
[0027] 第四步：清除完成后，重新设定激光诱导材料改性参数，将激光输出能量设为300mJ，辐照在清除区域使其再次产生导电层。通过四探针测得电导率为-4 -1 -18.64×10 (Ω cm )。
[0028] 随着激光脉冲个数的不断增加，液滴不断地从外向内汽化，液滴消失区域的颜色由灰色变为白色，这说明导电层开始清除。当脉冲个数约为20时，水滴全部被汽化，材料表面以白色为主，导电层被全部清除，材料被还原。采用扫描电镜(SEM，FEI Quanta 2000)对PVDF表面导电层清除前后的微观结构进行观察，如图3和图4所示。二者比较表明：清除后的材料表面，失去了原导电层所具有的三维网状特征结构，并在其基础上变极为平整，表面失去了导通性。
[0029] 实施例2：
[0030] 实施例2与实施例1所采用装置和方法一致，不同之处是在操作步骤第三步中所设定的激光输出能量为300mJ。清除导电层后的材料表面微观结构如图5所示：随着输出能量的降低，清除时间略有增长，为30秒左右；与实施例1相比三维网络结构留有痕迹，清除效果略有减弱。
[0031] 实施例3：
[0032] 实施例3与实施例1所采用装置和方法一致，不同之处是在操作步骤第三步中所设定的激光输出能量为200mJ。清除导电层后的材料表面微观结构如图6所示：随着输出能量的降低，清除时间略有增长，为40秒左右；与实施例1相比，三维网络结构留有痕迹，清除效果略有减弱。
[0033] 总而言之，利用水膜的激光汽化过程有效地清除了导电聚偏氟乙烯的导电层，同时也实现了导电层再造功能，完善了导电聚偏乙烯激光制备工艺。