專利名稱：：高導(dǎo)電聚偏氟乙烯材料的準(zhǔn)分子激光制備裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及到一種高導(dǎo)電聚偏氟乙烯材料的準(zhǔn)分子激光制備裝置及方法，屬于激光與物質(zhì)相互作用的研究領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：激光表面處理技術(shù)是一門(mén)新興技術(shù)已在金屬固體領(lǐng)域被廣泛研究和應(yīng)用。針對(duì)聚合物的表面處理是從1982年美國(guó)IBM公司的一則研究報(bào)道開(kāi)始的。該技術(shù)與其它傳統(tǒng)改性技術(shù)(如化學(xué)試劑處理、高能射線輻射、等離子體改性等)相比較，具有處理方法簡(jiǎn)單，設(shè)備投資小，可以保持本體的性能同時(shí)獲得不同于本體性能的表面性能等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)近30年的研究，已在改善聚合物表面的親水性、染色性、粘結(jié)性及導(dǎo)電性等重要方面取得豐碩成果。其中，制備具有高導(dǎo)電活性的聚合物一直受到各研究領(lǐng)域的關(guān)注。材料的電導(dǎo)率(o)是其數(shù)值范圍最廣的物理性質(zhì)之一，o從108(Q，cm)-i至l(T(Q'cm)—i共包含了30個(gè)數(shù)量級(jí)。利用電導(dǎo)率在10—910—2(Q.cm)—1的材料，可以有效地消除人造衛(wèi)星、運(yùn)輸帶和套管上的靜電電荷；大于10—2(Q，cm)—i的材料，可用來(lái)制作涂層或罩殼等形式的電磁屏蔽材料；大于10—1(Qcm)—1的表面電導(dǎo)率材料，可利用其制作磁盤(pán)等等。絕大多數(shù)聚合物中性態(tài)的電導(dǎo)率都很小。目前，通過(guò)各種方法制備的導(dǎo)電聚合物的電導(dǎo)率可以達(dá)到半導(dǎo)體或?qū)w范圍，其導(dǎo)電性能也可與銀、銅相媲美。如摻雜后的聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚對(duì)苯、聚苯胺等，電導(dǎo)率都可達(dá)103(Qcm)—1以上。這些聚合物類型都是共軛型材料，同時(shí)以化學(xué)方法進(jìn)行慘雜為主。但是，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，這類導(dǎo)電聚合物存在穩(wěn)定性較差，慘雜量與電導(dǎo)率不成比例，且導(dǎo)電過(guò)程不明確等問(wèn)題。這些問(wèn)題也一直阻礙著導(dǎo)電聚合物的進(jìn)一步發(fā)展以及其應(yīng)用的前景。因此，該領(lǐng)域迫切地需要制備出高導(dǎo)電聚合物材料的同時(shí)，解決導(dǎo)電聚合物的穩(wěn)定性問(wèn)題，探索發(fā)現(xiàn)自摻雜或不摻雜的導(dǎo)電聚合物，促進(jìn)"輕導(dǎo)體"早日實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出了一種制備高導(dǎo)電聚偏氟乙烯材料的制備裝置及方法。使用本方法制備出的導(dǎo)電聚合物比較穩(wěn)定，248nmKrF準(zhǔn)分子激光能量密度在44mJ/cm2112mJ/cm2之間，使其表面電導(dǎo)率提高了912個(gè)數(shù)量級(jí)，即10一13至ljIO一1(Qcm)—1。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。本裝置沿光的傳播方向依次設(shè)置有激光器、均束系統(tǒng)2、第二會(huì)聚透鏡3和用于放置樣品的工作臺(tái)4。所述的均束系統(tǒng)2包括沿光的傳播方向依次設(shè)置的第一級(jí)透鏡陣列8、第二級(jí)透鏡陣列9和第一會(huì)聚透鏡10。高導(dǎo)電聚偏氟乙烯材料的準(zhǔn)分子激光制備裝置制備方法，該方法包括如下步驟1)選取厚度不小于0.5mm的PVDF(聚偏氟乙烯材料)薄膜為樣品材料，并采用超聲波對(duì)其進(jìn)行清洗；2)將熱敏紙置于工作臺(tái)4上，調(diào)節(jié)激光器1的激光脈沖重復(fù)頻率和工作臺(tái)4的位置，使在熱敏紙上獲得光斑，并記錄此時(shí)工作臺(tái)所在的位置O;3)取下熱敏紙，計(jì)算光斑的大?。蝗缓笸ㄟ^(guò)功率計(jì)測(cè)得工作臺(tái)所在位置O處的激光平均輸出能量，用激光平均輸出能量除以熱敏紙上的光斑大小，得到工作臺(tái)所在位置0處的激光能量密度；所述的激光能量密度的取值為44mJ/cm2112mJ/Cm2;4)將超聲波清洗后的PVDF薄膜放置于工作臺(tái)4上熱敏紙所在的位置，使PVDF薄膜表面與激光傳播方向垂直，進(jìn)行激光輻照。本發(fā)明在248nmKrF準(zhǔn)分子激光能量密度在44mJ/cm2112mJ/cm2之間，使其表面電導(dǎo)率提高了912個(gè)數(shù)量級(jí)，即10—13到l(T(Qcm)—1，同時(shí)使用該方法制備出的導(dǎo)電聚合物比較穩(wěn)定。圖1是本發(fā)明準(zhǔn)分子激光輻照裝置示意圖圖2是圖1中工作臺(tái)正視圖圖中1、KrF準(zhǔn)分子激光器，2、均束系統(tǒng)，3、第二會(huì)聚物鏡，4、工作臺(tái)，5、激光束，6、樣品，7、光斑，8、第一級(jí)透鏡陣列，9、第二級(jí)透鏡陣列，10、第一會(huì)聚透鏡。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖l、2對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1所示，本實(shí)施里采用的準(zhǔn)分子激光輻照光路系統(tǒng)主要包括激光器1、均束系統(tǒng)2、第二會(huì)聚透鏡3及工作臺(tái)4。均束系統(tǒng)2又包括沿光的傳播方向依次設(shè)置的第一級(jí)透鏡陣列8，第二級(jí)透鏡陣列9和第一會(huì)聚透鏡10。本實(shí)施例采用的是德國(guó)LambdaPhysik公司制造的LPX305iF型準(zhǔn)分子激光器。主要性能指標(biāo)如下激發(fā)光波長(zhǎng)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(fù)頻率為150Hz，輸出能量為200600mJ。材料表面的能量密度主要通過(guò)激光輸出能量和光斑大小進(jìn)行控制。本發(fā)明中激光輻照改性方法具體按以下步驟進(jìn)行第一步，選取厚度為0.5mm的PVDF薄膜為樣品材料。隨后，采用超聲波對(duì)其進(jìn)行清洗。第二步，將熱敏紙置于工作臺(tái)上，調(diào)節(jié)激光器的激光參數(shù)為lHz，脈沖個(gè)數(shù)為1個(gè)，在熱敏紙上獲得光斑大小并記錄工作臺(tái)4所在位置坐標(biāo)0(x，y及z)。第三步，通過(guò)功率計(jì)獲得工作臺(tái)4所在位置0處的激光平均輸出能量。通過(guò)第二步得到的光斑大小，計(jì)算出該處的激光能量密度，即為材料表面處所獲得的能量密度。第四步，將超聲波清洗后的PVDF薄膜置于工作臺(tái)4上熱敏紙所在的位置(樣品的邊長(zhǎng)不大于光斑邊長(zhǎng))，并將工作臺(tái)4置于位置0處，使PVDF薄膜的表面與激光傳播方向垂直，進(jìn)行樣品輻照改性操作，如圖2所示。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)不同在于，將準(zhǔn)分子原始光束5通過(guò)一組透鏡陣列均束系統(tǒng)2后，再由第二透鏡3會(huì)聚到樣品工作臺(tái)4上進(jìn)行樣品材料的輻照改性。通過(guò)整形后的光束內(nèi)部能量分布均勻，同時(shí)在工作臺(tái)上獲得邊長(zhǎng)在15cm可調(diào)方形光斑7，與激光工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)相配合，實(shí)現(xiàn)樣品材料表面能量密度流的控制。采用本實(shí)施例中的方法，下面結(jié)合具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)本實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明本實(shí)施例所處的工作氣氛屬于空氣環(huán)境，選取的PVDF薄膜樣品厚度為0.5mm;輻照后的材料表面電導(dǎo)率通過(guò)SB100A/1四探針導(dǎo)體/半導(dǎo)體電阻率測(cè)量?jī)x測(cè)量，計(jì)算公式為o二45.32X(V/1)，其中I為流經(jīng)薄膜的電流，V為電流流過(guò)樣品時(shí)產(chǎn)生的電壓。首先，通過(guò)He-Ne激光進(jìn)行準(zhǔn)直，調(diào)整光路，使其具有完整光斑形狀；然后，通過(guò)調(diào)節(jié)激光光斑大小和輸出能量，控制材料表面能量流密度，使其為44mJ/cm2112mJ/cm2之間；將PVDF薄膜樣品固定在工作臺(tái)上，設(shè)置激光重復(fù)頻率為4Hz。以上步驟完成后，開(kāi)啟激光，進(jìn)行材料輻照改性，輻照總脈沖個(gè)數(shù)結(jié)束后完成改性，同時(shí)激光停止輸出，具體測(cè)得的數(shù)據(jù)如表一所示從表l中可以看出，不同能量密度下，材料表面從產(chǎn)生導(dǎo)電區(qū)域到失活，總的脈沖個(gè)數(shù)不同。大體上是能量密度越高，導(dǎo)電區(qū)域出現(xiàn)越早，失活也越早；隨能量密度的減小，材料表面的電導(dǎo)率增大，其表面電導(dǎo)率最大值為能量密度44mJ/cm2時(shí)，o為4.20X10_1(Q.cm)_1。下面實(shí)例1、2分別是能量密度為62mj/cm2和92mj/cm2調(diào)節(jié)下，材料表面電導(dǎo)率與激光脈沖個(gè)數(shù)的關(guān)系。其中，PVDF薄膜厚度均為0.5mm，激光重復(fù)頻率為4Hz。實(shí)施例l氦氖激光準(zhǔn)直后，將熱敏紙置于工作臺(tái)上，調(diào)節(jié)工作臺(tái)位置，使其光斑面積為1.45X1.45=2.10ci^，并記錄此時(shí)工作臺(tái)位置坐標(biāo)0。設(shè)置激光輸出能量為250mJ，通過(guò)功率計(jì)測(cè)量位置O處能量，獲得能量平均值為130mJ，激光能量衰減約為48%，激光能量密度為62mj/cm2。將略小于光斑面積的PVDF薄膜樣品置于位置坐標(biāo)O處。設(shè)置激光脈沖頻率為4Hz。設(shè)置不同脈沖個(gè)數(shù)下開(kāi)啟激光進(jìn)行改性，脈沖個(gè)數(shù)分別是IOO、300、500、600、700、1500，分別對(duì)應(yīng)16號(hào)樣品。對(duì)改性后的6個(gè)樣品采用四探針完成表面電導(dǎo)率的測(cè)量。當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)為100個(gè)時(shí)，激光與材料表面作用聲音出現(xiàn)明顯變化，此時(shí)材料表面出現(xiàn)導(dǎo)電區(qū)域。但是由于導(dǎo)電區(qū)域擴(kuò)散速率較慢，范圍較小無(wú)法測(cè)量。當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)為500個(gè)時(shí)，出現(xiàn)表面電導(dǎo)率最大值1.2X10—1(Q.cm)—、隨后，電導(dǎo)率有所下降，但一直保持較大的數(shù)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。實(shí)施例2氦氖激光準(zhǔn)直后，將熱敏紙置于工作臺(tái)上，調(diào)節(jié)工作臺(tái)位置，使其光斑面積為1.45X1.45=2.10cm2，并記錄位置坐標(biāo)0。設(shè)置激光輸出能量為350mJ，通過(guò)功率計(jì)測(cè)量位置0處能量，獲得能量平均值為206mJ,激光能量衰減約為41%，激光能量密度為98mj/cm2。將略大于光斑面積的PVDF薄膜樣品置于位置坐標(biāo)O處。設(shè)置激光脈沖頻率為4Hz。設(shè)置不同脈沖個(gè)數(shù)下開(kāi)啟激光進(jìn)行改性，脈沖個(gè)數(shù)分別是IOO、150、200、300、400、500、600、700、800，分別對(duì)應(yīng)樣品為19號(hào)。對(duì)改性后的9個(gè)樣品采用四探針完成表面電導(dǎo)率的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)約為IOO個(gè)時(shí)，出現(xiàn)導(dǎo)電區(qū)域。導(dǎo)電區(qū)域擴(kuò)散較快，當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)為300時(shí)，其表面電導(dǎo)率為4.00X10—4(Qcm)—、隨脈沖個(gè)數(shù)的增加，表面電導(dǎo)率增加。最大出現(xiàn)在脈沖個(gè)數(shù)為500個(gè)時(shí)，為1.83X10—3(Q*cm)—、隨后，電導(dǎo)率下降，當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)為800個(gè)時(shí)，表面因?yàn)閲?yán)重碳化而失活。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。對(duì)于其它能量密度，可以采用同樣的方式進(jìn)行實(shí)施。綜上所述，準(zhǔn)分子激光輻照聚偏氟乙烯表面過(guò)程中，在其表面誘生一層高電導(dǎo)率的導(dǎo)電層。激光能量密度在44mJ/cm2112mJ/cm2范圍內(nèi)，產(chǎn)生最大電導(dǎo)率為4.20X10—1(Q'cm)—、采用該方法所制備的高導(dǎo)電活性聚合物材料屬于自摻雜或不摻雜型導(dǎo)電聚合物材料，突破了傳統(tǒng)的共軛模式。表面電導(dǎo)率增加了12個(gè)數(shù)量級(jí)，使其進(jìn)入導(dǎo)體范圍成可能。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表3<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>權(quán)利要求1、高導(dǎo)電聚偏氟乙烯材料的準(zhǔn)分子激光制備裝置，包括激光器(1)；其特征在于還包括沿光的傳播方向依次設(shè)置的均束系統(tǒng)(2)、第二會(huì)聚透鏡(3)和工作臺(tái)(4)；所述的均束系統(tǒng)(2)包括沿光的傳播方向依次設(shè)置的第一級(jí)透鏡陣列(8)，第二級(jí)透鏡陣列(9)和第一會(huì)聚透鏡(10)。2、利用權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)分子激光制備裝置制備高導(dǎo)電聚偏氟乙烯材料的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟1)選取厚度不小于0.5mm的PVDF薄膜為樣品材料，并采用超聲波對(duì)其進(jìn)行清洗；2)將熱敏紙置于工作臺(tái)(4)上，調(diào)節(jié)激光器(1)的激光脈沖重復(fù)頻率和工作臺(tái)(4)的位置，使在熱敏紙上獲得光斑，并記錄此時(shí)工作臺(tái)所在的位置0;3)取下熱敏紙，計(jì)算光斑的大?。蝗缓笸ㄟ^(guò)功率計(jì)測(cè)得工作臺(tái)所在位置O處的激光平均輸出能量，用激光平均輸出能量除以熱敏紙上的光斑大小，得到工作臺(tái)所在位置0處的激光能量密度；所述的激光能量密度的取值為44mJ/cm2112mJ/cm2;4)將步驟l中用超聲波清洗后的PVDF薄膜放置于工作臺(tái)(4)上熱敏紙所在的位置，使PVDF薄膜表面與激光傳播方向垂直，開(kāi)啟激光，進(jìn)行激光輻照。全文摘要本發(fā)明是一種高導(dǎo)電聚偏氟乙烯材料的準(zhǔn)分子激光制備裝置及方法，屬于激光與物質(zhì)相互作用領(lǐng)域。本裝置包括沿光的傳播方向依次設(shè)置的激光器、均束系統(tǒng)、第二會(huì)聚透鏡和工作臺(tái)；均束系統(tǒng)又包括第一級(jí)透鏡陣列，第二級(jí)透鏡陣列和第一會(huì)聚透鏡。制備高導(dǎo)電聚偏氟乙烯材料時(shí)，先通過(guò)氦氖激光進(jìn)行準(zhǔn)直，調(diào)整光路，使其具有完整光斑形狀；然后通過(guò)調(diào)節(jié)激光光斑大小和輸出能量，控制材料表面能量流密度，使其為44mJ/cm²～112mJ/cm²；將樣品置在工作臺(tái)上，設(shè)置激光重復(fù)頻率，開(kāi)啟激光進(jìn)行材料輻照改性，輻照總脈沖個(gè)數(shù)結(jié)束后完成改性，同時(shí)激光停止輸出。本發(fā)明使其表面電導(dǎo)率提高了9～12個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)制備出的導(dǎo)電聚合物比較穩(wěn)定。文檔編號(hào)C08L27/00GK101353431SQ20081022222公開(kāi)日2009年1月28日申請(qǐng)日期2008年9月12日優(yōu)先權(quán)日2008年9月12日發(fā)明者瑩劉,蔣毅堅(jiān)申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)