纳秒脉冲紫外激光快速、大面积改性有机高分子材料表面的规律与机理研究

In this project,a lower-cost, all-solid state, and nanosecond pulse ultrviolet (355 nm wavelength) laser will be employed. With the precision processing system from the combination of the laser, digital galvanometer scanner, and x-y-z three-dimensional workstation, the high-speed and large-area surface modification on the organic polymer materials of different king or different appearance state will be implemented. By changing laser parameters and ambient atmosphere, etc., the surface microstructure, roughness, chemical composition and such surface properties as adsorbability, adhesiveness, wettability, surface energy will be explored in detail, and the regularity of nanosecond pulse ultraviolet laser surface modification on organic polymer materials will be found. Through the analysis and testing technology of such as time of flight secondary ion mass spectrometry (Tof-SIMS) and laser induced breakthrough spectroscopy (LIBS), during the high-speed modification, the breaking rule of chemical bonds, the regularity of the emergence, development, and disapperance of plume will be studied, so as to explain the mechanism of nanosecond pulse ultrviolet laser modification on the organic polymer materials. At last, the surface modification effect, regularity, and mechanism using other lasers will also be evaluated. This is a surface modification technology of masklessness, high flexibility, high efficiency, no aging, and with a great industrialization potential. If the project is realized, the great practical application value will be acquired, and the mechanism of laser and matter interaction must be better understood.

本申请项目拟运用较低成本的全固态纳秒脉冲紫外（波长355nm）激光，并与高速数字扫描振镜和三维工作台组成精密加工系统，对不同种类或不同外观形态的有机高分子材料表面进行快速、大面积改性研究。通过改变激光加工参数、改性氛围等，对材料表面的微观形貌、粗糙度、化学组成和与吸附性、粘结性、润湿性、表面能等有关的表面性能进行深入研究，找出纳秒脉冲紫外激光快速改性有机高分子材料的规律；借助于飞行时间二次离子质谱和激光诱导击穿光谱等分析测试技术，探讨快速改性过程中材料的化学键断裂机制、羽辉的产生、发展和湮灭机制等，以便发现纳秒脉冲紫外激光快速改性有机高分子材料的机理；最后与其它激光改性有机高分子材料的效果、规律和机理进行对比。这是一种无需掩模、柔性化程度高、加工效率高、无时效性、且具有巨大工业化潜力的表面改性技术。项目的开展，既具有重要的实际应用价值，又能加深和拓宽对激光与物质相互作用机理的认识。

有机高分子材料通常具有优良的电绝缘、热稳定、和机械等性能，并已经得到了广泛的应用；但许多高分子材料存在表面化学惰性和表面能低等缺点，使其应用受到了很大的限制。激光表面改性可使材料表面的物理、化学性能发生明显变化，对提高其表面与其它材料的吸附、结合强度等具有重要的应用价值。因此，本研究项目系统研究了激光改性对具有代表性的两种有机高分子材料聚酰亚胺（PI）和聚碳酸酯（PC），表面微观形貌、化学成分、润湿性、表面能等的影响规律，并对相关机理进行了深入探讨，取得的主要结果包括：（1）在单脉冲方式和扫描模式下，不同波长（355nm、1064nm）和脉宽（20ns、15ps）的激光改性，可使PI和PC表面分别得到不同的微观形貌。通过ANSYS软件模拟和实际实验，证明了紫外纳秒激光刻蚀PI的机理是以光热作用为主，紫外皮秒激光刻蚀PI以光化学作用为主的机理，而脉冲红外激光刻蚀PI以光热作用为主。（2）在扫描模式下，不同激光改性对PI和PC表面化学成分变化有明显的影响。激光表面改性可使PI表面的含O基团、含N基团会发生断裂去除，与此同时，空气中O2、N2分子的电离物种也参与反应，生成了C-O、C=O和C-N-C等基团；可使PC表面极性基团（C-O、O-C）的相对含量都有所增加，且出现了新的含氧官能团COO-。（3）在扫描模式下，不同激光改性对PI和PC表面的润湿性也有明显的影响。利用紫外纳秒激光改性PI，低能量密度下，静态水接触角随搭接率的增加而增大，最终达到超疏水性；高能量密度下，静态水接触角随搭接率的增加先增大后减小，最终达到超亲水性。而其他三种激光改性后PI表面均未达到极端润湿性。纳秒脉冲紫外激光改性可使PC表面的润湿性呈现先增大、后减小、再增大的趋势。.综上所述，通过对激光改性对具有代表性的两种有机高分子材PI和PC表面微结构、化学成分、润湿性相关规律和机理的系统研究，实现了对有机高分子材料快速、大面积改性的技术，加深了对激光与PI和PC相互作用机理的认识，同时丰富了激光先进制造技术的研究方向。