赵瑞平
身份证号：15263119781026**** 苏州吴中恒久光电子科技有限公司 江苏苏州 215000
摘要：近年来我国综合国力的不断增强，工业的迅猛发展，涌现出大量的工业企业。有机高分子材料具有质轻、易成形、生产成本低和机械性能优异等众多优点，从而在汽车、电子等领域得到了广泛而重要的应用。对有机高分子材料进行表面改性，不仅可以改善其原有的表面性能，甚至还能够赋予其新的功能，使其满足多种领域的应用要求。本文就激光表面改性有机高分子材料的研究进展展开探讨。
关键词：有机高分子材料；激光表面改性；表面性能
引言
高分子材料因其良好的透明性、耐腐蚀性以及生物相容性而在很多工业方面得到广泛应用，而且已经走进了很多的家庭，在我们身边随处可见，例如塑料、合成纤维、合成橡胶等。通过激光加工高分子材料，使得高分子材料在很多领域得到更好的应用。
1脉冲激光及其折射率改性
所谓脉冲主要便是指隔一段相同的是假案发出的电波、光波等机械形式。脉冲激光则主要是指脉冲工作方式的激光器发出的光脉冲，脉冲激光具有其独特的工作必要性，其能够进行信号的发送并且减少热量的产生。一般情况下，脉冲激光比较短，其时间几乎已经达到了“皮秒”的级别。脉冲激光器在工作中需要由激光泵浦源持续性的提供能量，由此方能够长期间产生并且输出脉冲激光。高分子材料加工领域目前对激光表面改性有所应用。就高分子材料而言，其材料的折射率与其密度之间呈现正比关系，并且包括末端基、添加剂与杂志等化学组成、分子趋向、链间结合力等均与热历史存在关系。在高分子材料加工应用激光表面改性时，与其他改性技术相比较而言，激光表面改性能够诱导高分子材料改性技术对其财力下性能产生最小的影响，并且激光表面改性能够在高分子材料的表面将原有的化学键打破，并且能够形成全新的化学键，以此改变高分子材料的特性。
2激光烧蚀产生表面周期结构
脉冲激光辐照在高分子材料表面形成表面周期结构(laserinducedperiodicsurfacestructures，LIPSS)的现象存在波长效应。对于长脉冲(纳秒)激光器，只有紫外波段(短波长)激光器可以形成;而对于超短脉冲(飞秒)激光器，紫外和红外波段激光都能在高分子材料上产生LIPSS。这是由于高分子材料一般不吸收长波长激光，只有在激光强度极高的情况下才能实现多光子吸收。表面周期结构的周期一般为波长量级，通过改变激光波长、偏振态和入射角度等参数可以改变高分子材料表面结构。发现能够有效吸收激光的非晶态壳聚糖表面容易形成LIPSS，他们利用拉曼光谱研究高分子材料表面的化学改性，发现壳聚糖微观结构在193nm波长激光作用下没有改变;而聚乙烯吡咯烷酮表面可能出现了微量碳化。这表明激光改性对材料基体影响极小，LIPSS的形成不是表面发生化学改变的结果。一个得到普遍接受的LIPSS形成机理包括以下两方面:一是入射激光束与材料表面散射光之间的干涉，在材料表面产生激光强度的调制;二是激光强度调制转化成材料表面结构改性的物理过程。这两个过程相互联系，形成一个反馈机制。激光辐照产生表层高分子材料的热化，形成温度梯度，使得高分子链发生扩散，多个激光脉冲的连续作用产生热化和冷却的交替循环，最终形成LIPSS。
3表面微观形貌的变化
激光表面改性有机高分子材料，当激光能量密度低于材料损伤阈值时，并不会引起材料表面微观形貌的变化；当激光能量密度高于材料损伤阈值时，激光能够使材料发生熔化、气化、分解和去除等，从而在材料表面形成凸起、凹坑、多孔-海绵状、周期性结构等微观形貌。激光表面改性有机高分子材料时，除了激光波长外，激光能量密度（与激光功率、扫描速率、光斑直径、脉冲频率等有关）和改性环境对其微观形貌也会有影响。发现，利用纳秒脉冲紫外激光（波长为355nm）在不同的气体氛围里对聚酰亚胺（PI）薄膜表面进行改性时，随着激光能量密度的增大，改性表面由浅的凹坑结构变成周期性凹槽结构，进而转变为花瓣状结构，但不同气体氛围对刻蚀的微观形貌和粗糙度几乎没有影响，观察到的微观形貌并无区别。此外，其研究团队还通过对凹坑直径和深度的模拟，证明了紫外纳秒激光与PI的相互作用机理以光热作用为主。
4激光烧蚀产生表面多孔结构
高分子材料表面的孔洞是负压在材料表面的热化层形成的。孔洞的形成主要是应力在其中起的作用，应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温度上升与盈利下降的情况下变大了。研究者发现248nm激光辐照能够使得胶原薄膜的链结构稳定性发生改变，胶原主链产生光热分解，激光烧蚀通过光机械作用，还有少量的热分解以及光化学反应。紫外激光烧蚀技术能够产生表面重组以及极性基团，如羟基、羧基等，提高了高分子材料表面的润湿性，会对蛋白质的吸附和生物接触性能产生一定影响，从而提高了材料表面的活性，改善了生物的相容性。
5表面颜色变化
激光表面改性有机高分子材料往往伴随着改性表面颜色的变化。对于透明或浅色系（如白色）的有机高分子材料，一般会添加光吸收剂（如TiO2）以增强对激光的吸收。这些材料经激光作用后一般呈现不同程度的灰色或黑色，这主要是由于碳化引起的，而且光吸收剂含量越高，材料吸收的光能量越多，导致碳化程度越高，颜色越黑。此外，也有文献报道，激光作用于有机高分子表面后，因有泡沫形成而呈现白色。利用飞秒激光，采用不同的参数刻蚀聚氯乙烯（PVC），在PVC表面形成黄色、棕色、黑色等不同颜色。而且当激光能量密度低于刻蚀阈值时，也能观察到颜色的变化。X-ray光电子能谱技术（XPS）分析表明，黄色和棕色的出现，与共轭双键（C=C）的形成有关；黑色是由于碳化和表面形貌的影响，改变了材料反射和折射的光学特性。飞秒激光改性PMMA也能够形成黄色，其机理也与飞秒激光改性PVC相似。激光改性使有机高分子材料表面产生的颜色变化比较单一，通常为灰色、黑色，少数有机高分子材料表面可以变成其他颜色，而且这种颜色都以结构色为主，与颜料和色素产生的化学色相比，更加健康环保。不仅如此，这种颜色变化还能够在有机高分子材料表面形成清晰度和对比度高的图案，在激光打标、防伪等领域具有极大的应用价值。
结语
激光表面改性有机高分子材料在理论研究和实际应用中都具有极大的价值。对激光改性基础理论的探索，促进了激光与物质相互作用理论的发展，丰富了激光与物质相互作用机理。而在实际应用中，激光改性形成的超亲水和超疏水表面，在自清洁、油水分离等领域有广泛应用；另一方面，还可以提高材料的表面能和吸附性，进而增强与金属层的结合强度，在制造电子线路、模塑互联器件、共形天线和频率选择表面等领域具有极大的潜力。此外，激光改性形成的表面微结构还可能具有减阻、润滑的效果，在节能减排方面也可发挥重要作用，而且颜色的变化在激光打标、防伪等领域具有极大的应用价值。
参考文献
[1]涂先兵.氮离子注入表面改性PBO薄膜及其性能[J].功能高分子学报,2019,29(2):220-226.
[2]刘爱华.聚四氟乙烯材料表面激光改性与刻蚀[J].光学学报,2018,26(7):1073-1077.
[3]李德鑫.激光表面微织构加工及减阻技术研究[D].宁波:宁波大学,2018.
[4]周月,黄红缨,潘君丽.紫外接枝改性PP中空多孔膜表面亲水性研究[J].广州化工,2018,45(19):44-46.