Laser-enabled treatments for surface functionalisation: from design to industrial applications

Abstract

Plastic materials have become a ubiquitous part of our economy, and as a result their improper disposal can pose high risks to the ecosystem. Although recycling can help to mitigate plastic waste, the sustainable management of unclean/contaminated ones due to fouling is still a challenge. Lubricant-Impregnated Surfaces (LIS) have gained much attention recently because of their excellent anti-adhesive performance against various liquids. Compared to other surface modification techniques that are capable of producing such bio-inspired surfaces, Laser-based Micro-Machining (LMM) offers attractive benefits especially when considering its flexibility, reliability and selectivity. However, intrinsic shortcomings of this technology with respect to high-throughput, cost-effectiveness and 3D processing hamper its broader application at an industrial scale. Therefore, the research reported in this thesis aims to address these key limitations and thus to enable the industrial uptake of LMM for functionalising surfaces. In particular, a cost-effective process chain, which combines LMM and polymer micro/nano replication technologies, is proposed to fabricate polymer-based surfaces with long-lasting multifunctional responses. Such functional surfaces were achieved by lubricant impregnation of Laser-Induced Periodic Surface Structures (LIPSS), and their suitability for food packaging and optical lens was investigated. Thereafter, an alternative laser surface treatment was demonstrated to generate highly regular and uniform LIPSS by utilising cost-effective nanosecond pulsed lasers, and thus to reduce even further the manufacturing costs in producing polymer replicas with such textured topographies. Lastly, a generic method for assessing the capabilities and limitations of simultaneous multi-axis laser strategies for processing complex 3D parts/replication masters is presented and validated for a given multi-axis LMM system.

Τα πλαστικά υλικά αποτελούν ένα αναπόσπαστο μέρος της οικονομίας μας, με αποτέλεσμα η μη ορθολογική απόθεση τους να εγκυμονεί μεγάλους κινδύνους για το οικοσύστημα. Αν και η ανακύκλωση μπορεί να συμβάλει στην μείωση του όγκου των πλαστικών απορριμμάτων, η βιώσιμη διαχείριση των ακάθαρτων/μολυσμένων από υπολείμματα εξακολουθεί να αποτελεί πρόκληση. Επιφάνειες εμποτισμένες με λιπαντικό (γνωστές ως lubricant-impregnated surfaces) έχουν αποκτήσει μεγάλο ενδιαφέρον πρόσφατα λόγω της εξαιρετικής τους ιδιότητας να απωθούν ένα εύρος υγρών ουσιών. Σε αντίθεση με άλλες τεχνικές κατασκευής τέτοιων βιονικών επιφανειών, μικρο-κατεργασίες με τη χρήση laser προσφέρουν ελκυστικά πλεονεκτήματα, ιδίως όταν λαμβάνεται υπόψη η ευελιξία, η αξιοπιστία και η ακρίβεια διαστάσεων. Ωστόσο, τα μειονεκτήματα αυτής της τεχνολογίας τα οποία σχετίζονται με την παραγωγικότητα, το κόστος και την επεξεργασία τρισδιάστατων αντικειμένων εμποδίζουν την ευρύτερη εφαρμογή της σε βιομηχανική κλίμακα. Ως εκ τούτου, η παρούσα διατριβή αποσκοπεί στην αντιμετώπιση αυτών των περιορισμών και, συνεπώς, συμβάλει στο να επεκταθεί η χρήση κατεργασιών με laser για την δημιουργία λειτουργικών επιφανειών. Πιο συγκεκριμένα, προτείνεται μια οικονομικά αποδοτική αλυσίδα διεργασιών, η οποία συνδυάζει κατεργασίες laser με τεχνολογίες μορφοποίησης πολυμερών (polymer replication) σε μίκρο/νάνο κλίμακα, για την διαμόρφωση πολυμερικών επιφανειών με διαχρονικές πολύ-λειτουργικές ιδιότητες. Τέτοιες λειτουργικές επιφάνειες επιτεύχθηκαν μέσω του εμποτισμού περιοδικών δομημένων επιφανειών που διαμορφώθηκαν από laser (laser-induced periodic surface structures) σε λιπαντική ουσία, και διερευνήθηκε η καταλληλόλητα τους για χρήση ως συσκευασία τροφίμων και οπτικών φακών. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται μια εναλλακτική μέθοδος επιφανειακής τροποποίησής υλικών για τη δημιουργία εξαιρετικά συμμετρικών και ομοιόμορφων περιοδικών επιφανειακών δομών κάνοντας χρήση ενός λιγότερο δαπανηρού laser που ακτινοβολεί παλμούς νανοδευτερολέπτου, έτσι ώστε να μειωθεί ακόμη περισσότερο το κόστος παραγωγής πολυμερών με τέτοιες τοπογραφικές δομές. Τέλος, προτείνεται μια γενική μέθοδος για την διερεύνηση των δυνατοτήτων και περιορισμών των κατεργασιών laser οι οποίες συμπεριλαμβάνουν τη χρήση πολλαπλών αξόνων ταυτόχρονα για την επεξεργασία αντικειμένων ή καλουπιών με πολύπλοκη γεωμετρία, και η αποτελεσματικότητα της αποδεικνύεται σε ένα δεδομένο πολυαξονικό σύστημα laser.