專利名稱：水膜快速擦寫導電聚偏乙烯導電層的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光輻照改性技術和導電聚合物材料制備領域，尤指采用準分子激光制備導電聚偏氟乙烯過程中，一種對其表面導電層進行快速擦寫的方法。
背景技術：
準分子激光具有波長短、能量高、無污染、自動性強及操作簡單等特點，在材料改性方面有著廣泛的應用，如激光光刻、激光沉積和激光打標。通過控制激光能量流密度， 使激光能量有效地注入材料表面表層，可在不影響材料內(nèi)部性質(zhì)的同時賦予材料更多新的性能和功能。其中，采用準分子激光誘導聚合物材料表面電學性質(zhì)的改變方面的研究一直是國內(nèi)外研究機構熱點，也是制備導電聚合物最有效途徑如1991年，Rice等人在 《Journal of Intelligent Material Systems and Structures》上 艮道采用 248nm 準分子激光輻照聚酰亞胺(Kapton，PI)和聚苯并咪唑，使其表面電導率提高了 15個數(shù)量級達 1 ~ 10(Q_1cm_1) ；2000 ^Ξ, Zongyi Qin ·入$《Surface and Interface Analysis》± 分析KrF激光輻照聚酰亞胺的作用機理，認為激光光熱作用是導電層形成主要原因；2006 年，我課題組在《Applied Physics Letters》上發(fā)表的文章“hcreasing the electrical conductivity of poly(vinylidene fluoride)by KrF excimer laser irradiation，，,米用248nm準分子輻照方法處理聚偏氟乙烯材料(PVDF)，使其表面電導率提高了 9個數(shù)量，由 IO-13Q-1Cm 1到達IO-4Q-1Cm 1IO-1 ；另外2010年，我課題組在《中國激光》報道了在發(fā)現(xiàn)PVDF 導電層形成過程基礎上，揭示以C-C化學鍵為主構成的規(guī)整三維網(wǎng)絡結構的改性層是其電導率大幅度提高的主要原因。雖然這些采用準分子激光的處理方法實現(xiàn)了多種聚合物材料表面導電層的制備，但是制備過程中產(chǎn)生了大量廢料或不合格產(chǎn)品，提高了制造成本同時造成極大浪費，另外，對于導電層局部或大面積的清除方法的研究也尚屬空白。因此，針對導電層的可快速擦寫操作方法的研究極為必要。導電層的清除與再造制備將實現(xiàn)原材料的重復利用，節(jié)約資源，降低成本，進一步推動導電聚合物的應用進程。本發(fā)明將以248nm準分子激光制備導電聚偏氟乙烯材料的研究成果為基礎，探討其導電層的快速擦寫方法，并為其它類型的激光制備導電聚合物材料和揭示導電機理提供實驗數(shù)據(jù)和理論基礎。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種采用水膜激光汽化途徑快速擦寫導電聚偏乙烯材料導電層的方法，其可在室溫及空氣環(huán)境下實現(xiàn)對導電層的局部或全部區(qū)域的清除工作，借以提高原材料的使用率，降低成本，促進導電塑料工業(yè)化進程。本發(fā)明的基本思想是在預清除導電層的上方覆蓋水膜，采用準分子激光輻照技術在作用區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓環(huán)境，導電層在水膜激光汽化過程中被破壞而去除。被還原的材料表面通過激光輻照可迅速再次改性，從而達到了材料的重復利用。本發(fā)明采用的具體技術方案如下采用準分子激光輻照改性光路系統(tǒng)直接對附有水膜10的試樣9進行導電層8清除處理。水膜快速擦寫導電聚偏乙烯導電層的方法，準分子激光輻照改性光路沿光的傳播方向依次設置激光器1、第一級復眼2、第二級復眼3、第一級物鏡4、第二級物鏡5、反射鏡6及樣品臺7 ；有導電聚偏乙烯導電層8的試樣9放置于工作臺上，水膜10為純凈水，通過膠頭滴管附于導電層8上；試樣9處的激光輻照能量密度通過激光輸出能量及輻照面積進行調(diào)節(jié)，試樣9上的導電聚偏乙烯導電層表面電導率可通過激光能量密度及脈沖個數(shù)進行調(diào)節(jié)；實現(xiàn)導電聚偏乙烯導電層水膜快擦寫的過程按以下步驟進行1)將厚度大于或等于0. 5毫米的導電聚偏氟乙烯PVDF試樣9固定在水平樣品臺 7上；其導電層8的電導率通過四探針測量獲得為1.83 X 10-3 Ω-Icm-I ；2)采用紅光激光器進行準直；使經(jīng)過準分子激光輻照光路系統(tǒng)后的激光光斑與導電層位置保持垂直重合，以達到均勻輻照的目的；3)添加水膜。通過膠頭滴管將純凈水以液滴的形式附于導電層上，使其逐步擴散覆蓋到所需清除區(qū)域；4)調(diào)節(jié)激光器激光的輸出能量值，以使材料上所添加的水膜能夠蒸發(fā)為宜，打開激光器1進行準分子激光水下去除導電層操作；5)關光，調(diào)節(jié)激光改性所需能量密度，對被還原的材料表面進行二次改性操作。導電層的清除與再生可按權利要求1中的1)至5)步進行循環(huán)操作。本發(fā)明的優(yōu)點在于實現(xiàn)了導電聚偏氟乙烯導電層的快速擦寫功能，操作簡單，重復及可控性強。


圖1是本發(fā)明準分子激光輻照光路系統(tǒng)圖2是本發(fā)明中附有水膜試樣的示意3是本發(fā)明導電層的掃描電鏡微觀結構示意4是本發(fā)明實施例1中清除導電層后試樣的掃描電鏡微觀結構示意5是本發(fā)明實施例2中清除導電層后試樣的掃描電鏡微觀結構示意6是本發(fā)明實施例3中清除導電層后試樣的掃描電鏡微觀結構示意中1、激光器，2、第一級復眼，3、第二級復眼，4、第一級物鏡，5、第二級物鏡，6、 反射鏡，7、樣品臺，8、導電層，9、PVDF樣品，10、水膜。
具體實施例方式下面結合附圖1 6和具體實施例對本發(fā)明進行進一步說明。本實施例中的激光器采用的都是德國Lambda Wiysik公司制造的LPX305iF型準分子激光器，該激光器的主要性能指標如下激發(fā)光波長為248nm，脈寬為20ns，最大脈沖能量為1. 2J/Pluse，平均輸出功率為60W，重復頻率為1 50Hz，輸出能量為200 600mJ。材料表面的能量密度主要通過激光輸出能量和光斑大小進行控制。實施例1 如圖1所示，準分子激光輻照系統(tǒng)中，KrF準分子激光器1發(fā)出的光束依次通過第一級復眼2、第二級復眼透鏡3、第一級物鏡4、第二級物鏡5和反射鏡6后對水膜10下試樣 9的導電層8進行直接輻照清除操作。另外，實施例中所選擇試樣的導電層為IcmXlcm左右。本實施例主要按照以下步驟進行操作第一步通過紅光激光器調(diào)節(jié)光斑大小及位置。清除過程中的光斑面積需不小于導電層區(qū)域。記錄光斑面積1. 2cmXl. 2cm。第二步將純凈水滴通過膠頭滴管附于并覆蓋全部導電層上，形成水膜，厚度約為 0. 2cm。此時水膜厚度不宜超過Icm.第三步設置激光輸出能量為400mJ，重復頻率4Hz，開光進行導電層清除操作。第四步清除完成后，重新設定激光誘導材料改性參數(shù)，將激光輸出能量設為300mJ，輻照在清除區(qū)域使其再次產(chǎn)生導電層。通過四探針測得電導率為 8. 64 X IO"4 (Q^cm"1)。隨著激光脈沖個數(shù)的不斷增加，液滴不斷地從外向內(nèi)汽化，液滴消失區(qū)域的顏色由灰色變?yōu)榘咨@說明導電層開始清除。當脈沖個數(shù)約為20時，水滴全部被汽化，材料表面以白色為主，導電層被全部清除，材料被還原。采用掃描電鏡(SEM，F(xiàn)EI Quanta 2000)對 PVDF表面導電層清除前后的微觀結構進行觀察，如圖3和圖4所示。二者比較表明清除后的材料表面，失去了原導電層所具有的三維網(wǎng)狀特征結構，并在其基礎上變極為平整，表面失去了導通性。實施例2 實施例2與實施例1所采用裝置和方法一致，不同之處是在操作步驟第三步中所設定的激光輸出能量為300mJ。清除導電層后的材料表面微觀結構如圖5所示隨著輸出能量的降低，清除時間略有增長，為30秒左右；與實施例1相比三維網(wǎng)絡結構留有痕跡，清除效果略有減弱。實施例3:實施例3與實施例1所采用裝置和方法一致，不同之處是在操作步驟第三步中所設定的激光輸出能量為200mJ。清除導電層后的材料表面微觀結構如圖6所示隨著輸出能量的降低，清除時間略有增長，為40秒左右；與實施例1相比，三維網(wǎng)絡結構留有痕跡，清除效果略有減弱?？偠灾?，利用水膜的激光汽化過程有效地清除了導電聚偏氟乙烯的導電層，同時也實現(xiàn)了導電層再造功能，完善了導電聚偏乙烯激光制備工藝。
權利要求
1.水膜快速擦寫導電聚偏乙烯導電層的方法，其特征在于準分子激光輻照改性光路沿光的傳播方向依次設置激光器1、第一級復眼2、第二級復眼3、第一級物鏡4、第二級物鏡 5、反射鏡6及樣品臺7 ；有導電聚偏乙烯導電層的試樣9放置于工作臺上，水膜10為純凈水，通過膠頭滴管附于導電層上；試樣9處的激光輻照能量密度通過激光輸出能量及輻照面積進行調(diào)節(jié)，試樣9上的導電聚偏乙烯導電層表面電導率可通過激光能量密度及脈沖個數(shù)進行調(diào)節(jié)；實現(xiàn)導電聚偏乙烯導電層水膜快擦寫的過程按以下步驟進行1)將厚度大于或等于0.5毫米的導電聚偏氟乙烯PVDF試樣9固定在水平樣品臺7上； 其導電層8的電導率通過四探針測量獲得為LSSXKr3Q-1Cm1 ；2)采用紅光激光器進行準直；使經(jīng)過準分子激光輻照光路系統(tǒng)后的激光光斑與導電層位置保持垂直重合，以達到均勻輻照的目的；3)添加水膜。通過膠頭滴管將純凈水以液滴的形式附于導電層上，使其逐步擴散覆蓋到所需清除區(qū)域；4)調(diào)節(jié)激光器激光的輸出能量值，以使材料上所添加的水膜能夠蒸發(fā)為宜，打開激光器1進行準分子激光水下去除導電層操作；5)關光，調(diào)節(jié)激光改性所需能量密度，對被還原的材料表面進行二次改性操作。
2.根據(jù)權利要求1所述的水膜快速擦寫導電聚偏乙烯導電層的方法，其特征在于導電層的清除與再生可按權利要求1中的1)至幻步進行循環(huán)操作。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種水膜快速擦寫導電聚偏乙烯導電層的方法，在預清除導電層的上方覆蓋水膜，采用準分子激光輻照技術在作用區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓環(huán)境，導電層在水膜激光汽化過程中被破壞而去除。被還原的材料表面通過激光輻照可迅速再次改性，從而達到了材料的重復利用。
文檔編號B29C71/04GK102248688SQ201110059910
公開日2011年11月23日 申請日期2011年3月14日 優(yōu)先權日2011年3月14日
發(fā)明者劉瑩, 蔣毅堅 申請人:北京工業(yè)大學