脈沖激光加工高分子材料

袁梟（湖北工程學(xué)院，湖北 孝感 432000）

脈沖激光加工高分子材料

袁梟（湖北工程學(xué)院，湖北 孝感 432000）

隨著社會(huì)的發(fā)展，在醫(yī)療以及光學(xué)等一些領(lǐng)域，高分子材料得到了越來越廣泛的應(yīng)用，同時(shí)對高分子材料的加工要求也越來越高。激光加工技術(shù)因?yàn)樗陨愍?dú)有的特點(diǎn)也越來越受到關(guān)注。在很多的領(lǐng)域中運(yùn)用了脈沖激光加工技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)在今后的工業(yè)發(fā)展中會(huì)起到重要作用，為我國工業(yè)的發(fā)展做出一定的貢獻(xiàn)。

脈沖激光；加工；高分子材料

高分子材料因其良好的透明性、耐腐蝕性以及生物相容性而在很多工業(yè)方面得到廣泛應(yīng)用，而且已經(jīng)走進(jìn)了很多的家庭，在我們身邊隨處可見，例如塑料、合成纖維、合成橡膠等。通過激光加工高分子材料，使得高分子材料在很多領(lǐng)域得到更好的應(yīng)用。

1 脈沖激光折射率改性

高分子材料的折射率是和它的化學(xué)組成、分子取向、鏈間結(jié)合力以及熱歷史有關(guān)，和它的密度是成正比的。激光來誘導(dǎo)高分子材料的改性技術(shù)和其他改性技術(shù)相比較，會(huì)對材料的性能產(chǎn)生最小的影響，特別是那些力學(xué)性能較優(yōu)異但是表面性能不好的生物材料，激光技術(shù)加工能夠在材料的表面打破原來的化學(xué)鍵，形成新的化學(xué)鍵，通過這種方式來改變材料的特性。

1993年研究者發(fā)現(xiàn)激光輻照玻璃后導(dǎo)致了折射率的升高，他們一致認(rèn)為這是一種光化學(xué)反應(yīng)，是因?yàn)榉肿觽?cè)鏈分離，使得局部的密度升高，造成折射率升高的情況。超短脈沖激光的峰值功率非常高，能夠?qū)崿F(xiàn)多光子的吸收，研究者使用飛秒激光通過較低能流密度對有機(jī)玻璃進(jìn)行改性，達(dá)到了提高折射率的目的，從而得出結(jié)論，高分子解聚和交聯(lián)會(huì)導(dǎo)致折射率提高。還有一些研究者飛秒激光改性機(jī)制是化學(xué)鍵弱化或應(yīng)力相關(guān)機(jī)制。還有的研究者發(fā)現(xiàn)折射率是激光輻照形成的應(yīng)力改變的。

綜上所訴，飛秒激光提高折射率有三方面原因：一、飛秒激光提高了高分子材料對光的吸收，使得折射率提高了；二、斷鏈產(chǎn)生的不飽和末端基提高了折射率；三、激光輻照提高了熱穩(wěn)定性，也導(dǎo)致了折射率的提高。

2 激光燒蝕產(chǎn)生表面周期結(jié)構(gòu)

脈沖激光輻照在高分子材料表面會(huì)形成表面周期結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象存在波長效應(yīng)。高分子材料大多是不吸收長的波長激光的，只有在激光強(qiáng)度極高時(shí)才能進(jìn)行多光子吸收。表面周期結(jié)構(gòu)是通過改變激光波長與偏振態(tài)等來改變表面結(jié)構(gòu)的。研究者發(fā)現(xiàn)非晶態(tài)殼聚糖表面非常容易形成LIPSS，它是可以有效吸收激光的。研究者研究高分子材料表面的化學(xué)改性，得出結(jié)論，193nm波長激光對于殼聚糖的微觀結(jié)構(gòu)是沒有作用的，不會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的改變，但是對于聚乙烯吡咯烷酮表面產(chǎn)生了作用，出現(xiàn)了碳化的問題。這些表面激光改性對于高分子材料的表面影響是非常小的，因此不是在化學(xué)作用下形成的LIPSS，導(dǎo)致LIPSS形成的機(jī)理為：其一，在入射激光束和散射光的共同作用下，在高分子材料的表面產(chǎn)生激光的調(diào)制；其二，激光的強(qiáng)度調(diào)制轉(zhuǎn)化成高分子材料表面結(jié)構(gòu)改性的物理過程。這兩個(gè)過程形成了一個(gè)反饋的機(jī)制。激光輻照導(dǎo)致材料表面的熱化，致使高分子鏈產(chǎn)生擴(kuò)散，在激光脈沖的作用下熱化與冷卻交替產(chǎn)生，形成了LIPSS。

3 激光燒蝕產(chǎn)生表面多孔結(jié)構(gòu)

高分子材料表面的孔洞是負(fù)壓在材料表面的熱化層形成的。孔洞的形成主要是應(yīng)力在其中起的作用，應(yīng)力使得高分子材料的粘度下降了。高分子材料自身的孔洞在溫度上升與盈利下降的情況下變大了。研究者發(fā)現(xiàn)248nm激光輻照能夠使得膠原薄膜的鏈結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性發(fā)生改變，膠原主鏈產(chǎn)生光熱分解，激光燒蝕通過光機(jī)械作用，還有少量的熱分解以及光化學(xué)反應(yīng)。

紫外激光燒蝕技術(shù)能夠產(chǎn)生表面重組以及極性基團(tuán)，如羥基、羧基等，提高了高分子材料表面的潤濕性，會(huì)對蛋白質(zhì)的吸附和生物接觸性能產(chǎn)生一定影響，從而提高了材料表面的活性，改善了生物的相容性。

4 激光加工塊體材料

激光加工的能力決定于高分子材料對不同波長光的吸收特性，大部分的透明高分子材料的吸收能力很弱，如果入射激光的光子能量大于高分子材料的化學(xué)鍵能，就能夠打破化學(xué)鍵材料，被分解成單體，進(jìn)行燒蝕，這是光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生最小的熱影響。研究人員發(fā)現(xiàn)248nm波長激光可以使高分子材料產(chǎn)生分解，是一種熱特性。還有研究者發(fā)現(xiàn)激光加工邊緣有著熱退伙產(chǎn)生的球晶以及快速冷卻產(chǎn)生的非晶熱影響區(qū)。還有人發(fā)現(xiàn)激光加工會(huì)產(chǎn)生熱膨脹、熱累積效應(yīng)。綜上所訴，激光燒蝕過程會(huì)有一個(gè)高溫過程，有熱影響區(qū)，透明的高分子材料通過激光后會(huì)產(chǎn)生光熱效應(yīng)，對于光化學(xué)燒蝕來說，波長和能量密度是非常重要的。

5 應(yīng)用

脈沖激光加工高分子材料在微光機(jī)電系統(tǒng)和醫(yī)療領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用，可以制備相關(guān)的的器械。激光加工高分子材料產(chǎn)生的LIPSS在塑料太陽電池、醫(yī)用植入體及生物芯片等器件上都有廣泛的應(yīng)用；激光燒蝕產(chǎn)生的多孔表面在電子、能源及醫(yī)療保健中有廣泛的應(yīng)用；材料表面的潤濕性能夠影響流體的阻力，從而影響微通道里的分離比；激光能量能夠得到有效的吸收，且對材料的熱損傷最小，能夠?qū)崿F(xiàn)精密加工等。

6 結(jié)語

脈沖激光加工高分子材料的機(jī)理是非常復(fù)雜的，每個(gè)不同的加工工藝需要不同的激光加工條件，激光燒蝕加工還是有些爭議的，不同的高分子材料有著和自身性能相關(guān)的混合特征。短波長激光可以打破高分子化學(xué)鍵，可以降解透明高分子材料；而縮短脈沖寬度能夠增加多光子吸收的面積，能夠大大提高加工的效率。由此可見，今后真空紫外激光與飛秒激光在工業(yè)上的應(yīng)用會(huì)越來越多。

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