一种薄膜的润湿性和透光率双重可逆转变方法

摘要

本发明公开了一种薄膜的润湿性和透光率双重可逆转变方法，属于激光应用技术领域，所述方法包括步骤：提供聚四氟乙烯薄膜，在聚四氟乙烯薄膜表面通过激光加工的方式制备出微纳结构，微纳结构的尺寸为100nm‑20μm；对具有微纳结构的聚四氟乙烯薄膜表面采用亲水性有机溶剂进行润湿或者干燥，可对薄膜表面的浸润性和透光率同时进行可逆转换。本发明采用激光加工技术对聚四氟乙烯的表面进行加工，制备出微纳结构，采用乙醇等有机溶剂进行润湿或者干燥后，能够进行材料的润湿性和透明度进行双重转换，此方法简单快速，制备程序简单，环保高效，且适用性广。

权利要求

1.一种薄膜的润湿性和透光率双重可逆转变方法，其特征在于，包括步骤：

提供聚四氟乙烯薄膜，使用激光加工的方式在聚四氟乙烯薄膜的表面烧蚀出微纳结构，所述微纳结构的尺寸为100nm‑20μm，进行加工获得具有所述微纳结构的聚四氟乙烯薄膜；

对具有所述微纳结构的聚四氟乙烯薄膜表面采用亲水性有机溶剂进行润湿，使其表现为高透光率，湿润后进行干燥，使其表现为低透光率，以对具有所述微纳结构的聚四氟乙烯薄膜表面的润湿性和透光率进行可逆转换。

2.根据权利要求1所述的薄膜的润湿性和透光率双重可逆转变方法，其特征在于，所述激光加工的方式包括：通过激光光束在所述聚四氟乙烯薄膜的表面加工出多孔图案。

3.根据权利要求2所述的薄膜的润湿性和透光率双重可逆转变方法，其特征在于，所述多孔图案的扫描路径包括多个等间距的横向线。

4.根据权利要求3所述的薄膜的润湿性和透光率双重可逆转变方法，其特征在于，相邻的两条所述横向线之间的间距为5‑20微米。

5.根据权利要求1所述的薄膜的润湿性和透光率双重可逆转变方法，其特征在于，所述微纳结构的尺寸为100nm‑18μm。

6.根据权利要求1所述的薄膜的润湿性和透光率双重可逆转变方法，其特征在于，所述激光加工的脉冲频率为50‑800kHz，所述激光加工的加工速度为100‑2000mm/s，所述激光加工的输出功率为3‑8W，所述激光加工的脉冲宽度为200fs‑20ns，所述激光加工的波长为

1030nm，所述激光加工的脉冲持续时间为350fs，所述激光加工的重复频率是50‑200kHz。

7.根据权利要求1所述的薄膜的润湿性和透光率双重可逆转变方法，其特征在于，所述亲水性有机溶剂为选自乙醇、丙酮、甲醇或异丙醇中的一种或多种。

说明书

一种薄膜的润湿性和透光率双重可逆转变方法

技术领域

[0001] 本发明涉及激光应用技术领域，尤其涉及一种利用物理方法同时对薄膜的润湿性和透光率进行双重可逆转变的方法。

背景技术

[0002] 近十几年来，材料表面改性得到了广泛的研究，如何改变材料表面的润湿性，使材料实现从亲水到疏水的转变，这在减小水中阻力、表面清洁和表面防腐等方面有巨大的应用前景。材料表面润湿性主要由材料的表面化学组分和微观几何形貌共同决定，材料表面形成微纳结构时，液滴与固体表面的接触模型会发生改变，材料的表面润湿性相应改变。而目前，润湿性和透光率的同时转换为多功能应用提供了新的机会，例如温度调节、可见度调节等。

[0003] 考虑到这一点，根据《Temperature‐driven switching of water adhesion on organogel surface》的论文中公开的技术内容，Jiang等人利用正石蜡的相变特性制备了一种有机凝胶，它能够响应热刺激进而改变水的粘附性和透明度；在《Controllable broadband optical transparency and wettability switching of temperature‑activated solid/liquid‑infused nanofibrous membranes》的论文中，Shiratori等人开发了一种温度激活的可固化/液体石蜡注入多孔表面，其透明度和水滴运动同时被操纵。为了实现多种特性的同时转换，对外部刺激做出反应的智能表面通常需要随时获取外部刺激，因此限制了它们的广泛使用。材料表面改性大多数是通过化学方法实现的，存在着各种问题，比如加工环境苛刻、加工材料受限、耗时长、程序复杂等缺点。

[0004] 鉴于此，有必要提出一种薄膜的润湿性和透光率双重可逆转变方法以解决上述问题。

发明内容

[0005] 本发明的主要目的在于提供润湿性和透光率双重可逆转变薄膜及制备方法，旨在解决现有材料表面改性方法制备程序复杂、耗时长以及加工材料受限的问题。为实现上述目的，本发明提供了一种薄膜的润湿性和透光率双重可逆转变方法，包括步骤：

[0006] 提供聚四氟乙烯薄膜，使用激光加工的方式在聚四氟乙烯薄膜的表面烧蚀出微纳结构，所述微纳结构的尺寸为100nm‑20μm，进行加工获得具有所述微纳结构的聚四氟乙烯薄膜；

[0007] 对具有所述微纳结构的聚四氟乙烯薄膜表面采用亲水性有机溶剂进行润湿，使表现为高透光率，湿润后进行干燥，使表现为低透光率，以对具有所述微纳结构的聚四氟乙烯薄膜表面的润湿性和透光率进行可逆转换。

[0008] 优选地，所述激光加工的方式包括：通过激光光束在所述聚四氟乙烯薄膜的表面加工出多孔图案。

[0009] 优选地，所述多孔图案的扫描路径包括多个等间距的横向线。

[0010] 优选地，相邻的两条所述横向线之间的间距为5‑20微米。

[0011] 优选地，所述微纳结构的尺寸为100nm‑18μm。

[0012] 优选地，所述激光加工的脉冲频率为50‑800kHz，所述激光加工的加工速度为100‑2000mm/s，所述激光加工的输出功率为3‑8W，所述激光加工的脉冲宽度为200fs‑20ns，所述激光加工的波长为1030nm，所述激光加工的脉冲持续时间为350fs，所述激光加工的重复频率是50‑200kHz。

[0013] 优选地，所述亲水性有机溶剂为选自乙醇、丙酮、甲醇或异丙醇中的一种或多种。

[0014] 与现有技术相比，本发明所提供的一种薄膜的润湿性和透光率双重可逆转变方法具有如下的有益效果：

[0015] 本发明所提供的一种薄膜的润湿性和透光率双重可逆转变方法，包括以下步骤：提供聚四氟乙烯薄膜，聚四氟乙烯薄膜表面通过激光加工的方式制备出微纳结构，微纳结构的尺寸为100nm‑20μm；对具有微纳结构的聚四氟乙烯薄膜表面采用亲水性有机溶剂进行润湿或者干燥，可对具有微纳结构的聚四氟乙烯薄膜表面的浸润性和透光率同时进行可逆转换。本发明采用激光加工技术对聚四氟乙烯的表面进行加工，制备出微纳结构，采用乙醇等有机溶剂进行润湿或者干燥后，能够对材料的润湿性和透明度进行双重转换，此方法简单快速，制备程序简单，环保高效，且适用性广。

附图说明

[0016] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图显示出的结构获得其他的附图。

[0017] 图1为本发明一实施例中的润湿性和透光率的双重可逆转变薄膜的制备方法的流程图；

[0018] 图2为本发明一个具体实施例中的激光加工装置的示意图；

[0019] 图3为本发明一个具体实施例中的薄膜表面的扫描电镜图，其中，a为激光加工前的聚四氟乙烯薄膜的表面的扫描电镜图，b为激光加工后的聚四氟乙烯薄膜表面的扫描电镜图；

[0020] 图4为本发明一个具体实施例中薄膜的可见光透过率图，其中，a为激光加工前聚四氟乙烯薄膜的可见光透过率图，b为激光加工后聚四氟乙烯薄膜未经乙醇润湿时的可见光透过率图，c为激光加工后聚四氟乙烯薄膜经乙醇润湿的可见光透过率图；

[0021] 图5为本发明聚四氟乙烯薄膜表面的水接触角模型示意图，其中，a为激光加工前聚四氟乙烯薄膜的水接触角示意图，b为激光加工后聚四氟乙烯薄膜未经乙醇润湿时的水接触角示意图，c为激光加工后聚四氟乙烯薄膜经乙醇润湿的水接触角示意图。

[0022] 附图说明：

[0023] 激光器1；第一反射镜2；第二反射镜3；第三反射镜4；振镜5；加工样品6；电脑7；吸尘装置8。

[0024] 本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

[0025] 应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0026] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0027] 需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

[0028] 另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

[0029] 请参照附图1，本发明提供一种润湿性和透光率的双重可逆转变薄膜的制备方法，包括步骤：S1，使用激光加工的方式在聚四氟乙烯薄膜的表面烧蚀出微纳结构，所述微纳结构的尺寸为100nm‑20μm；S2，提供亲水性有机溶剂，对步骤S1中加工后的具有所述微纳结构的聚四氟乙烯薄膜表面采用所述亲水性有机溶剂进行润湿或者干燥，以对具有所述微纳结构的聚四氟乙烯薄膜表面的润湿性和透光率同时进行可逆转换。

[0030] 具体的，在一具体的示例中，聚四氟乙烯薄膜的厚度可以选用0.1mm，激光可以选用脉冲激光或者飞秒激光其中的一种或多种，激光加工参数可以选用如下范围：脉冲频率为50‑800kHz，加工速度为100‑2000mm/s，输出功率为3‑8W，脉冲宽度为200fs‑20ns，波长为1030nm，脉冲持续时间为350fs，重复频率为50‑200kHz。

[0031] 详细地，激光加工的方式包括通过激光光束在聚四氟乙烯薄膜表面加工出多孔图案，多孔图案可为规则或者不规则的多孔图案，多孔图案可由多种激光加工方式加工而成，包括激光线性连续扫描或不连续地扫描加工，具体的加工方式可根据实际情况进行选择，只需加工出微纳米结构即可，微纳结构包括凹槽和凸起，形成多孔图案。

[0032] 在本实施例中，在聚四氟乙烯薄膜表面加工出的多孔图案，该多孔图案为通过激光逐行扫描加工出来的结果，扫描路径呈“弓”字型，所述多孔图案的扫描路径包括多个等间距的横向线，相邻的两个横向线之间的间距可为5‑20μm。

[0033] 请参照附图2，具体的激光加工装置可根据实际需要进行选择，在本实施例中，采用一激光加工装置，包括激光器1、第一反射镜2、第二反射镜3、第三反射镜4、振镜5、加工平台、电脑7、吸尘装置8，激光器1、反射镜、加工平台、电脑7依次放置于同一个平面，振镜5位于加工平台上方，吸尘装置8位于加工平台与振镜5边上并与外界空气相连通，其使用方法为激光光束首先从激光器1中出来，先后经过第一反射镜2、第二反射镜3以及第三反射镜4进入振镜5，最后聚焦在加工样品6的表面，加工的图形以及能量频率等参数是由电脑7进行绘制和设置，同时，整个加工过程中，除尘装置8一直处于工作状态。

[0034] 在步骤S1中，使用激光加工的方式在聚四氟乙烯薄膜表面烧蚀出微纳结构，所述微纳结构的尺寸为100nm‑20μm。

[0035] 请参照附图3，为本发明一具体实施例中的润湿性和透光率的双重可逆转变薄膜的制备示例，其中，激光加工的参数为：脉冲宽度250fs，脉冲重复频率75kHz，中心波长1030nm，输出功率4W，扫描间距10µm，加工速度200mm/s。从图3‑a中可见，激光加工前，聚四氟乙烯表面较为平整；使用激光进行加工后，聚四氟乙烯薄膜的表面被加工出微纳结构，从图3‑b中可见，微纳结构的尺寸为0.1‑18微米，微纳结构由多个微尺度的波浪形山脊和洞穴形状结构组成，高度约为2‑18微米，宽度约为0.1‑15微米，波浪形山脊由多个珊瑚状结构组成，珊瑚状结构的宽度约为0.1‑8微米。

[0036] 在步骤S2中，提供亲水性有机溶剂，对步骤S1中加工后的具有所述微纳结构的聚四氟乙烯薄膜的表面采用所述亲水性有机溶剂进行润湿或者干燥，以对具有所述微纳结构的聚四氟乙烯薄膜的表面的润湿性和透光率同时进行可逆转换。

[0037] 具体的，亲水性有机溶剂是指，在加工后的具有微纳结构的聚四氟乙烯薄膜表面布满大量微孔，聚四氟乙烯薄膜的表面能低，具有疏水性，可以用表面张力较小的亲水性有机溶剂浸润，比如乙醇、丙酮、甲醇、异丙醇或环己烷等，在本实施例中，选用乙醇作为实验试剂。

[0038] 请参照附图4和5，仍以上述具体实施例来说明，在激光烧蚀前，未加工的聚四氟乙烯薄膜的表面表现出疏水性，水接触角为99度，在激光烧蚀后，加工后的聚四氟乙烯薄膜的表面表现出了超疏水性，水接触角为151.6度，乙醇具有大量亲水羟基，因为相似相溶原理，水溶于乙醇，所以经润湿后的聚四氟乙烯薄膜的表面表现为超亲水性，其水接触角为5.2度，当聚四氟乙烯薄膜的表面经过干燥或自挥发后又恢复为超疏水性，水接触角恢复为151.6度。

[0039] 同时，透光率的可逆转换是由于它们不同的固有光学性质引起的。在可见‑近红外波长处，经激光加工后的聚四氟乙烯薄膜具有较大的折射率对比度，即，使加工后的聚四氟乙烯薄膜有效地散射可
见光，表现为低透光率。当聚四氟乙烯薄膜的孔隙被乙醇润湿后，折射率对比度的急剧下降，此时 ，导致聚四氟乙烯薄膜表面低散射，
进而表现为高透光率，即表现为透明。其中，n为太阳折射率， 为折射率对比度，为聚四氟乙烯薄膜的折射率， 为在空气折射率， 为乙醇折射率。

[0040] 通过UV‑vis分光光度计研究了这些表面的光学性质，在800nm处，激光加工前、激光加工后及激光加工后经乙醇润湿的聚四氟乙烯薄膜表面的透光率分别为88.81%、56.44%、84.75%。简而言之，激光加工前的聚四氟乙烯薄膜是透明的，具有相对高的透光率，而激光加工后的聚四氟乙烯薄膜的表面为白色，透光率较低，经乙醇润湿后，其表面的透光率显著上升，呈现透明外观。当表面再次干燥后，恢复了低透光率，透光率恢复为56.44%。

[0041] 以上结果表明，在经过激光加工后的具有微纳结构的聚四氟乙烯薄膜表面可通过乙醇等有机溶剂同时控制润湿性和透明性的双重可逆转变。应当理解的是，采用激光加工技术对聚四氟乙烯表面进行加工，加工出微纳结构，采用乙醇等有机溶剂进行润湿或者干燥后，能够使薄膜的润湿性和透明度同时转换，方法简单快速，制备程序简单，环保高效，且适用性广。

[0042] 本发明一实施例中，还提供一种润湿性和透光率双重可逆转变薄膜，包括如上述的制备方法制备的具有所述微纳结构的聚四氟乙烯薄膜以及所述亲水性有机溶剂。

[0043] 本发明一实施例中，还提供一种薄膜的润湿性和透光率双重可逆转变方法，包括步骤：

[0044] 提供聚四氟乙烯薄膜，采用如上述的制备方法进行加工获得具有所述微纳结构的聚四氟乙烯薄膜；

[0045] 对具有所述微纳结构的聚四氟乙烯薄膜表面采用所述亲水性有机溶剂进行润湿或者干燥，以对具有所述微纳结构的聚四氟乙烯薄膜表面的润湿性和透光率同时进行可逆转换。

[0046] 下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

[0047] 实施例1

[0048] （1）选用厚度为0.1mm的聚四氟乙烯薄膜，聚四氟乙烯薄膜的水接触角为99度，透光率为88%；

[0049] （2）聚四氟乙烯薄膜的表面通过激光直写的方法加工有微纳结构，加工后的水接触角为151.6度，在波长为800nm处的透光率为56.44%；其中，激光加工的参数为：脉冲宽度250fs，脉冲重复频率75kHz，中心波长1030nm，输出功率4W，扫描间距10µm，加工速度200mm/s；

[0050] （3）使用乙醇对加工后的聚四氟乙烯薄膜表面进行润湿，润湿后的水接触角为5.2度，在波长为800nm处的透光率为84.75%；

[0051] （4）聚四氟乙烯薄膜表面干燥或自挥发后，干燥后的水接触角为151.6度，在波长为800nm处的透光率为56.44%。

[0052] 实施例2

[0053] （1）选用厚度为0.1mm的聚四氟乙烯薄膜，聚四氟乙烯薄膜的水接触角为99度，透光率为88%；

[0054] （2）聚四氟乙烯薄膜表面通过激光直写的方法加工有微纳结构，加工后的水接触角为151度，在波长为800nm处的透光率为61%；其中，激光加工的参数为：脉冲宽度250fs，脉冲重复频率75kHz，中心波长1030nm，输出功率4W，扫描间距10µm，加工速度600mm/s；

[0055] （3）使用乙醇对加工后的聚四氟乙烯薄膜表面进行润湿，润湿后的水接触角为5.2度，在波长为800nm处的透光率为84%；

[0056] （4）润湿后的聚四氟乙烯薄膜表面干燥或者自挥发后，干燥后的水接触角为151度，在波长为800nm处的透光率为61%。

[0057] 实施例3

[0058] （1）选用厚度为0.1mm的聚四氟乙烯薄膜，聚四氟乙烯薄膜的水接触角为99度，透光率为88%；

[0059] （2）聚四氟乙烯薄膜的表面通过激光直写的方法加工有微纳结构，加工后的水接触角为149度，在波长为800nm处的透光率为63%；其中，激光加工的参数为：脉冲宽度250fs，脉冲重复频率75kHz，中心波长1030nm，输出功率4W，扫描间距10µm，加工速度1000mm/s；

[0060] （3）使用乙醇对加工后的聚四氟乙烯薄膜表面进行润湿，润湿后的水接触角为5.6度，在波长为800nm处的透光率为83.8%；

[0061] （4）润湿后的聚四氟乙烯薄膜表面干燥或者自挥发后，干燥后的水接触角为149度，在波长为800nm处的透光率为63%。

[0062] 实施例4

[0063] （1）选用厚度为0.1mm的聚四氟乙烯薄膜，聚四氟乙烯薄膜的水接触角为99度，透光率为88%；

[0064] （2）聚四氟乙烯薄膜的表面通过激光直写的方法加工有微纳结构，加工后的水接触角为146度，在波长为800nm处的透光率为64%；其中，激光加工的参数为：脉冲宽度250fs，脉冲重复频率75kHz，中心波长1030nm，输出功率4W，扫描间距10µm，加工速度2000mm/s；

[0065] （3）使用乙醇对加工后的聚四氟乙烯薄膜表面进行润湿，润湿后的水接触角为5.9度，在波长为800nm处的透光率为82.9%；

[0066] （4）润湿后的聚四氟乙烯薄膜表面干燥或自挥发后，干燥后的水接触角为146度，在波长为800nm处的透光率为64%。

[0067] 以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。