一种氮气氛围下耐磨超疏水抗菌表面的制备方法技术

一种氮气氛围下耐磨超疏水抗菌表面的制备方法，步骤如下：S1、对不锈钢表面进行预处理；S2、采用皮秒激光在预处理后的不锈钢表面进行激光刻蚀，在不锈钢表面形成排列有序的周期性乳突

【技术实现步骤摘要】
一种氮气氛围下耐磨超疏水抗菌表面的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种氮气氛围下耐磨超疏水抗菌表面的制备方法，属于金属基材表面改性


技术介绍

[0002]316L是医用级不锈钢，是不锈钢中最好的材质，可应用于医疗领域范围广泛。例如，人工关节和骨折内固定器械，应用于骨折修复，骨排列错位校正，慢性脊柱矫形和颅骨缺损修复等。在牙科方面，应用于镶牙、牙齿矫正、牙根种植及辅助器件。在心血管系统方面，应用于各种植入电极、传感器的外壳和合金导线，也能制作人工心脏瓣膜，血管内扩张支架等。316L医用不锈钢在其他方面也有广泛应用，如用于各种眼科缝线、固定环、眼眶填充等。但316L不锈钢表面本身是不具备超疏水抗菌性能，开发不锈钢超疏水抗菌性能对于其工业应用及医疗应用有重要的价值。
[0003]在许多行业，表面的生物污垢会产生大量经济和潜在的污染问题。细菌附着是这种污染的先决条件，其次是细菌在表面的粘附和保留。这可能导致表面卫生状况下降，从而对食品质量、产品污染或机械部件的损坏和堵塞造成潜在风险。

技术实现思路

[0004]本专利技术的专利技术目的是提供一种氮气氛围下耐磨超疏水抗菌表面的制备方法。该方法首先通过在氮气氛围下，通过皮秒激光刻蚀不锈钢表面形成微纳米结构，再结合化学处理或时效处理降低不锈钢表面的表面能，实现不锈钢超疏水抗菌表面的制备，整个制备过程简单高效，易于实现且环境友好。
[0005]本专利技术实现其专利技术目的所采取的技术方案是：一种氮气氛围下耐磨超疏水抗菌表面的制备方法，其步骤如下：
[0006]S1、预处理：对不锈钢表面进行预处理；
[0007]S2、激光刻蚀：采用皮秒激光在预处理后的不锈钢表面进行激光刻蚀，在不锈钢表面形成排列有序的周期性乳突
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纳米颗粒复合结构，激光刻蚀后清洗去除不锈钢表面烧蚀的熔融粒子或杂质粒；
[0008]所述激光刻蚀在氮气氛围下进行；
[0009]所述激光刻蚀的具体参数为：激光波长为1064nm，激光脉宽为1
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5ns，单脉能量为0.14
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0.48mJ，频率范围为80
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140kHz，扫描速度为50
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150mm/s，扫描间距为10
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30mm，扫描次数为1次，扫描路径为S型平行线状；
[0010]S3、刻蚀后处理：对激光刻蚀后的不锈钢表面进行化学处理或时效处理，即完成不锈钢耐磨超疏水抗菌表面的制备；
[0011]所述化学处理是指通过化学方法在激光刻蚀后的不锈钢表面修饰硬脂酸；
[0012]所述时效处理的具体操作是：将激光刻蚀后的不锈钢置于140℃
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150℃的箱式保温炉中保温7.8h
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8.5h，取出后吹扫去除不锈钢表面的烧蚀碎片或污染物。
[0013]本专利技术不锈钢表面乳突
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纳米颗粒复合结构的成型机理是：皮秒激光与不锈钢表面相互作用的过程中，一部分激光能量被自由电子吸收，产生大量的热量，形成热化的不锈钢表面。激光刻蚀在扫描方向上的激光脉冲重叠率可从下式获得：脉冲重叠率＝(1
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速度/频率*激光斑点尺寸)，在激光扫描速度为50mm/s
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150mm/s，激光斑点尺寸为50μm时，激光脉冲重叠率为99.46％
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99.69％，也即热化的不锈钢表面存在极高的脉冲重叠率，下一个皮秒激光脉冲总是与上一个皮秒激光脉冲导致的热化表面相互作用。申请人专利技术，在氮气氛围中皮秒激光脉冲持续作用下，0.14
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0.48mJ的单脉冲能量，1
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5ns的激光脉宽、80
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140kHz的频率范围、50
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150mm/s的扫描速度和10
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30mm的扫描间距等激光刻蚀参数下，不锈钢表面热量逐渐积累至材料表面熔化，快速积累的热量导致不锈钢表面局部过热，局部过热的不锈钢表面吸收激光能量时，温度会快速上升，因此样品表面重熔区以下会产生巨大的压缩应力。这种压缩应力驱动原子，熔化的不锈钢液态熔池会产生剧烈的液相爆破，从而剥蚀材料。而且，激光脉冲的能量分布呈高斯分布状态，中心区域能量最大，所以在激光扫描路径上，激光脉冲的中心剥蚀材料最多，具有最大的深度，中心往外剥蚀材料量依次减少。因此，不锈钢表面刚性的乳突
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纳米颗粒复合结构是材料烧蚀和相爆炸共同作用的结果。总之，不锈钢表面的乳突
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纳米颗粒复合结构是在特定激光参数范围下，由激光与不锈钢表面相互作用，不锈钢表面经历加热、熔化、相变、固化等一系列复杂过程而形成的。
[0014]超疏水微纳结构因尺度小、显微硬度低等原因导致其在服役过程机械稳定性差，易磨损，这极大的限制了超疏水表面在各领域的推广应用。本专利技术创新性的提出在氮气氛围下，通过激光刻蚀制备超疏水微纳结构，通过氮气融入获得的ε
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Fe3N和γ
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Fe4N为主的氮化铁基粒子强化超疏水微纳结构的耐磨性，从而获得耐磨的超疏水抗菌表面。本专利技术激光刻蚀过程中氮气氛围的作用机理是：
[0015]N2的电离能适中，在激光作用下电离程度一般，可减小等离子体云的形成，增大激光的有效利用率。在激光作用下，不锈钢表面发生熔化重熔，期间有一段是液态金属铁的状态，形成的液态金属铁对于氮气的溶解度要远远大于在固体铁中的溶解度。在形成液态金属铁的期间，大量氮原子溶解在金属熔池中，其中部分氮气以分子形式溶入至液态金属中，部分氮分子在金属熔池表面的高温气化区分解成氮原子，以原子形式吸附溶解至金属熔池中。激光刻蚀不锈钢时，不锈钢表面冷却速度极快，大量过饱和氮溶入不锈钢表面，而部分析出氮原子与铁及其他合金元素生成稳定的化合物，包括ε
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Fe3N和γ
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Fe4N为主的氮化铁基粒子。由于不锈钢表面与氮气相互反应的时间为亚微秒时间内，有速度快，效率高的特点。
[0016]本专利技术制备的不锈钢表面的抗菌原理是：
[0017]1、大部分情况下细菌所生存环境的pH通常都大于其等电点，所以细菌表面通常带负电，本专利技术制备的超疏水不锈钢表面的表面电荷为负，导致带负电荷的细菌与带负电荷的超疏水表面产生静电排斥。
[0018]2、时效处理及化学处理均可提高不锈钢表面的碳元素含量，带负电荷的细菌倾向于从高碳含量的超疏水表面排斥，将细菌从表面分离，并保护其本身免受脂多糖膜的损伤。而且，通过化学处理制备的超疏水表面为硬脂酸，有序的硬脂酸结晶层化学吸附在超疏水表面与大肠杆菌外膜有序的O
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抗原层之间存在排斥。
[0019]3、细胞生长需要潮湿的环境，超疏水表面干燥的状态不利于细菌的生存。
[0020]4、超疏水表面的微纳双尺度结构不利于细菌的生长，尤其是纳米级结构会使细胞
膜机械损伤，主要是因为微米尺度上的表面特性，前面说到会使细菌大多集于沟槽结构的脊上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮气氛围下耐磨超疏水抗菌表面的制备方法，其步骤如下：S1、预处理：对不锈钢表面进行预处理；S2、激光刻蚀：采用皮秒激光在预处理后的不锈钢表面进行激光刻蚀，在不锈钢表面形成排列有序的周期性乳突
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纳米颗粒复合结构，激光刻蚀后清洗去除不锈钢表面烧蚀的熔融粒子或杂质粒子；所述激光刻蚀在氮气氛围下进行；所述激光刻蚀的具体参数为：激光波长为1064nm，激光脉宽为1
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5ns，单脉能量为0.14
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0.48mJ，频率范围为80
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140kHz，扫描速度为50
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150mm/s，扫描间距为10
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30mm，扫描次数为1次，扫描路径为S型平行线状；S3、刻蚀后处理：对激光刻蚀后的不锈钢表面进行化学或时效处理，即完成不锈钢耐磨超疏水抗菌表面的制备；所述化学处理是指通过化学方法在激光刻蚀后的不锈钢表面修饰硬脂酸；所述时效处理的具体操作是：将激光刻蚀后的不锈钢至于140℃
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150℃的箱式保温炉中保温7.8h
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8.5h，取出后吹扫去除不锈钢表面的烧蚀碎片或污染物。2.根据权利要求1所述的一种氮气氛围下耐磨超疏水抗菌表面的制备方法，其特征在于：所述步骤S1对不锈钢表面进行预处理包括对不锈钢表面进行粗磨，精磨，抛光和清洗处理。3.根据权利要求1所述的一种氮气氛围下耐磨超疏水抗菌表面的制备方法，其特征在于：所述对不锈钢...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄园，刘建宇，杨涛，苏玺鉴，曾俊谚，汪远，肖友恒，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：