木材耐久性超疏水表面构建研究进展

木材作为一种天然可再生材料,富含亲水性基团且孔隙结构发达,因而具有很强的吸湿/水能力,易发生变形、开裂、腐朽等问题。基于“荷叶效应”原理,仿生构建木材超疏水表面是有效隔离木材与水分接触,赋予木材防水、防污、自清洁等优良特性的木材功能性改良新途径。然而超疏水木材在实际应用中不可避免地要受到刮擦磨损、阳光辐射、化学腐蚀等外界因素的影响,容易造成表面微/纳米粗糙结构的破坏或低表面能物质的降解,从而导致超疏水性能的降低或丧失,限制了超疏水木材的实际应用,因此设法提高木材表面超疏水涂层的机械稳定性和耐久性是亟待解决的关键问题。笔者首先分析了木材超疏水表面耐久性差的主要原因,介绍了木材超疏水表面耐久性能的测试方法,重点综述了木材耐久性超疏水表面的构建策略及其最新研究进展,最后对超疏水木材研究中存在的一些问题及发展趋势进行了总结和展望。     

仿生超疏水木材表面微纳结构制备研究进展

仿生构建超浸润界面材料在自清洁、生物防污、防水抗结冰等领域具有巨大的潜力,但目前在木材科学领域的设计、制备和实践应用依然存在很大的挑战.根据仿生学原理,笔者简述了超疏水表面相关设计的基本理论以及多尺度粗糙结构在优化不可润湿表面结构中的作用,总结了 3种构建仿生超疏水木材的有效途径,推导出本征接触角的计算公式及体系自由能...     

木材表面耐久性超疏水涂层的制备及性能研究

木材表面疏水处理是提升木材使用寿命的一种有效途径。研究采用喷涂法在木材表面构建十八烷基三甲氧基硅烷-无机颗粒-环氧树脂复合超疏水涂层,采用扫描电子显微镜、超景深三维显微系统、傅立叶变换红外光谱和接触角测试等方法对涂层表面进行分析和表征,对比不同种类、粒径无机颗粒（二氧化钛、二氧化硅）和环氧树脂预聚物用量的涂层样品性能,优化涂层制备工艺。结果表明,优化工艺制备的涂层在经历20个周期的砂纸（1 000目）磨损或20次胶带剥离后水接触角仍大于150°,超疏水性能稳定,涂层的大部分微纳结构得以保留,表现出良好的机械耐久性。     

木材表面遗态仿生构建类荷叶自清洁超疏水微/纳米结构

受荷叶效应启发,使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板二次转印复型技术,在负载聚乙烯醇缩丁醛(PVB)涂层的白蜡木素材表面遗态仿生制备了类荷叶微/纳米结构形貌,并赋予木材表面自清洁超疏水特性。通过扫描电子显微镜、能谱元素分析仪、X射线衍射光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪、X射线光电子能谱仪以及静态水接触角仪对白蜡木素材和遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材试样的微观形貌、化学元素组成、表面化学状态以及润湿性进行表征。结果表明,遗态仿生制备的类荷叶自清洁超疏水木材表面具有与荷叶表面微/纳米乳突结构类似的微观形貌。遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材没有改变白蜡木素材原有的色彩纹理,其表面静态水接触角约为151°,滚动角为6°,接近于遗态材料荷叶表面的接触角与滚动角,表现出超疏水能力;同时,表面的石墨粉能被水滴轻松冲洗掉,具有自清洁特性。这主要是由于木材表面沉积的PVB混合涂层中羟基与木材表面的羟基相结合,使其表面羟基数量有所减少,此外,含氟长链烷基聚合物的存在也增强了木材表面的疏水性能。     

笼型倍半硅氧烷疏水性木材性能研究

为增强木材抗自然因素影响的能力,有效延长使用寿命,研究以硅溶胶和甲基三乙氧基硅烷(MTES)为原料,采用一步法聚合反应制备笼型倍半硅氧烷(MS)低聚体用于木材改性。采用SEM、接触角和色度值检测等方法对试样进行表征与分析,结果表明:MS在木材表面由表及里的渗透过程使其分布均匀,增大了木材表面粗糙度。MS处理后的木材具有良好的疏水性,接触角达到141.5°,具有良好的防污性和自清洁性,同时具有一定的抗菌性和抗紫外线性能。     

超疏水处理对木材尺寸稳定性与力学性能的影响

[目的]探讨超疏水木材与未处理木材的尺寸稳定性和力学性能,以期获得超疏水处理对木材尺寸稳定性与力学性能的影响规律.[方法]选取普通杉木为研究对象,通过气相辅助迁移法对其进行处理,构建了具有超疏水特性的处理材,并分别对未处理材和超疏水处理材进行了形貌与润湿性表征、水浸泡试验和力学性能测试.[结果]经过处理的木材具有良好的...     

亚麻油/混合蜡乳液构建木材内双层疏水体系

【目的】利用环保、价廉的混合蜡和亚麻油乳液在木材内外表面构建双层疏水屏障,使其同时具备粗糙结构和连续防水层,进而兼具疏水和防水效果。【方法】配制亚麻油乳液、亚麻油/棕榈蜡乳液、亚麻油/混合蜡(蜂蜡/棕榈蜡、石蜡/棕榈蜡)乳液,对乳液性能进行评价。采用两步法和一步法浸渍杨木试件,通过70℃(两步法)和90～103℃(一步法)后处理温度在木材内外表面构建双层疏水屏障,并对处理材的表面疏水性、吸水性和尺寸稳定性进行测试。【结果】1)亚麻油乳液的平均粒径为195.6 nm,在室温下贮存稳定性良好,60天内粒径变化率仅为2.45%;亚麻油乳液与混合蜡乳液复合后的离心稳定性良好; 2)亚麻油乳液在木材横向和纵向输水通道内均有分布,干燥后可在木材内表面形成连续油膜,并与混合蜡乳液构成双层疏水屏障; 3)亚麻油/蜡改性方法能够有效提高木材的表面疏水性,两步法和一步法处理材横切面的接触角均在150°左右,且不随时间变化;而一步法处理材弦切面的疏水性好于两步法; 4)亚麻油/蜡乳液复合改性材的吸水率降低,一步法的防水效率明显优于两步法,经过196 h泡水后,LB1和LP1处理材的防水效率保持在45%以上;复合改性方法亦能显著降低处理材前期的体积膨胀率,但最终影响差别不大。【结论】利用亚麻油/混合蜡乳液浸渍木材,仅通过后期干燥温度控制即可在木材内外表面形成兼具粗糙结构和连续防水层的双层疏水体系,赋予处理材优良的疏水性和防水性,是一种环保、节能、价廉的木材疏水改性方法。     

硬脂酸/TiO_2/CNF超疏水复合材料的制备与表征

研究了一种利用硬脂酸对纳米二氧化钛(Nano-TiO_2)和纤维素纳米纤维(CNF)复合物进行有机表面修饰的新方法,主要包括纳米二氧化钛、纤维素纳米纤维的制备和利用硬脂酸对Nano-TiO_2/CNF复合体系进行有机表面修饰制得超疏水材料三个工艺过程。通过傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和场发射扫描电子镜(SEM)等对所得的样品进行表征,得出硬脂酸中的—COOH基团与TiO_2/CNF复合体系表面的—OH基团发生脱水反应,并将疏水性—CH_3基团引入复合体系中,复合体系表面构建的纳米级粗糙结构协同体系内引入的疏水基团使最终产物具有超疏水性。     

基于环境友好型的木材仿生科学研究进展

对自然界不同物种与生俱来的独特生物体功能进行模仿并应用,构筑类似甚至于超越其本身的形态、材料或结构,即是仿生行为。在微纳技术高度发展的今天,对仿生已完成智能操纵的过程,应用于木材的仿生科学研究也逐渐进入视野。概述了木材与仿生科学相关的结构与性质;综述了现阶段国内外木材仿生科学的研究进展;并对木材仿生材料的研究进行展望。     

硬脂酰化木质素基复合涂层在木材超疏水改性中的应用

在木材表面构建超疏水涂层能有效隔离木材与水分接触,缓解木材因强吸湿/水能力导致变形、开裂、腐朽等问题,同时赋予改性木材防水、自清洁等新的功能。通过硬脂酰氯对工业脱碱木质素进行酯化反应,合成具有优异疏水性能的硬脂酰化木质素(LSE)。首先,以LSE为主要组分,通过与环氧树脂(ER)、二氧化硅(SiO₂)和十八烷基三甲氧基硅烷(OTMS)以不同质量比复合在玻璃基材上制备复合超疏水涂层,性能分析结果表明四者质量比为10∶2∶1∶1的LSE/ER/SiO₂/OTMS涂层的疏水性能和机械稳定性能最优;随后,采用喷涂的方式在木材表面构筑LSE/ER/SiO₂/OTMS超疏水涂层,并用扫描电镜SEM对其微观形貌和表面结构进行表征;最后,通过砂纸磨损实验和胶带剥离实验对超疏水涂层的机械稳定性能进行了测试及评价,并通过霉菌、白腐菌和褐腐菌侵染实验探究了其生物耐久性。结果表明：在木材表面沉积LSE/ER/SiO₂/OTMS涂层制备出的超疏水木材横切面和弦切面的接触角分别为(161.4±3.9)°和(159.1±4.0)...     

竹材表面ZnO超疏水涂层的制备及表征

基于"荷叶效应"仿生原理,首先采用传统一步法和晶核辅助生长法合成ZnO纳米颗粒,再通过层层自组装法分别在竹材表面构建2种不同的微纳结构,并用低表面能物质十七氟癸基三甲氧基硅烷进行修饰,获得超疏水层,最后对其性能进行表征。扫描电子显微镜和原子力显微镜观察显示,传统一步法制备的ZnO纳米颗粒呈球形结构,粒径为200～400 nm,在竹材表面相对分散,粗糙度为18.6;而晶核辅助生长法制备的ZnO纳米颗粒呈纺锤形,粒径为100～300 nm,且具有明显的分层结构,粗糙度为28.9。水静态接触角测试结果显示,随着自组装次数增加,接触角先增加后减少,当自组装次数达到20次时,传统一步法和晶核辅助生长法制备的ZnO纳米颗粒构建的微纳层的水静态接触角达到最大值,分别为142.4°和152.4°,后者达到了超疏水的要求。酸碱试剂浸渍评价纳米颗粒的耐久性结果表明,2种方法制备的ZnO纳米颗粒在强酸强碱溶液中浸泡后,接触角均无明显变化,传统一步法制备的竹材接触角在pH 2的盐酸和pH 12的氢氧化钠溶液中分别浸渍12 h后,接触角仍保持在141.1°和141.7°;晶核辅助生长法制备的竹材在pH 2的盐酸和pH 12的氢氧化钠溶液中分别浸渍12 h后,接触角仍保持在150.2°和150.8°。耐磨性测试结果表明,2种方法制备的疏水竹材具有较好的耐磨性,在30cm的线性摩擦试验后,传统一步法制备的竹材接触角仍在142°左右,晶核辅助生长法制备的竹材接触角在150°左右。X射线衍射测试结果显示,2种方法制备的疏水涂层均具有明显的ZnO晶体的衍射特征峰。2种竹材样品在XRD曲线上均出现了32.45°,34.76°,36.82°和47.65°等一系列新衍射峰,而且这些衍射峰与标准的纤锌矿ZnO的XRD卡片(JCPDS,36-1451)一致。     

超疏水纤维素复合气凝胶的制备及其油水分离

纤维素气凝胶因具有强亲水性和低油水选择性,且目前纤维素气凝胶表面的疏水化处理过程较冗长,限制了其在油水分离领域的应用。为了解决上述问题,笔者以硫酸水解微晶纤维素制备得到的纳米纤维素(CNC)为原料,利用甲基三甲氧基硅烷(MTMS)在水相中对其进行硅烷化改性,通过冷冻干燥得到了硅烷化纤维素复合气凝胶。结果表明:所制备的纤维素复合气凝胶具有轻质、多孔特性,随着MTMS添加量的增加,密度逐渐升高(≤0.012 0 g/cm^3),孔隙率略有下降; MTMS的加入对纤维素复合气凝胶的微观形貌影响不大,其骨架结构以二维片层形貌为主,聚甲基硅氧烷均匀地包覆在纤维素片层表面; MTMS的加入使纤维素复合气凝胶的热稳定性明显提高,且未改变纤维素气凝胶的晶型结构,但导致其结晶度逐渐下降。纤维素复合气凝胶的表面接触角随着MTMS添加量的增加而升高,最高达到153.7°,表现出优异的超亲油/超疏水性能。作为吸油材料,超疏水纤维素复合气凝胶不仅可以吸附多种油类和有机溶剂(吸附容量达到52～121 g/g),而且表现出很好的循环使用性能。     

纤维素基超疏水材料的研究进展

纤维素是一种可再生的生物材料,具有良好的力学性能、柔韧性和透气性。通过对纤维素表面进行物理和化学改性,可实现纤维素表面超疏水化,从而扩大纤维素的应用范围。本文概述了纤维素基超疏水材料的研究成果和现状,重点介绍了浸渍法、喷涂法、接枝聚合法、气相沉积法、水热法等方法在滤纸、棉纤维、微球等纤维素基材上构建纤维素基超疏水材料。     

纳米科技与纳米木材学的发展方向

纳米科技是21世纪知识创新和技术创新的源泉,纳米木材学是纳米科技与木材科学交叉融合的必然产物.提出了纳米木材学的研究领域和发展方向.     

具有纳米结构的木材气凝胶基电极的制备及其电化学性能

超级电容器作为清洁可持续的储能设备,其电化学性能主要由电极材料决定,因此电极材料逐渐成为当前储能领域的研究热点。木材因其天然的多尺度微/纳米孔隙结构以及可再生、可生物降解等特点,逐渐被用于电极材料的研究。以巴沙木为基材,首先采用脱木素联合TEMPO氧化法将木材细胞壁分离具有纳米网络结构的木材气凝胶(TDW),然后将纳米纤维素分散的碳纳米管(CNT)悬浮液通过满细胞法浸渍到木材气凝胶中,冷冻干燥后在导管孔和细胞间隙中形成了连续的碳纳米管导电网络结构,最后进行聚吡咯(PPy)原位聚合,在细胞壁和导管孔中构建成具有纳米导电网络结构的TDW/CNT/PPy复合电极。电化学性能测试显示,由于在TDW的宏观孔隙中导电网络的构建,TDW/CNT/PPy的电化学性能明显优于TDW/PPy电极,而且随着碳纳米管比例的增加而增强,其中,TDW/CNT-2/PPy在1.0 mA/cm²扫描速率下的比电容达到389 F/g、面电容为10.5 F/cm²,而且在10 mA/cm²扫描速率下经过10 000次循环后的电容保持率为95.1%。本研究通...     

涂料与防腐剂复配处理木材的耐腐性能研究

文章以马尾松、尾叶桉、马占相思和南洋楹4种木材为研究对象,采用KJQ、TRQ、WAQ 3种涂料与防腐剂复配处理木材,研究复配涂料对木材耐腐性能的影响。结果表明KJQ复配涂料处理对提高马尾松的耐腐性能较其它2种涂料好。经KJQ复配涂料处理后,马尾松、尾叶桉、马占相思和南洋楹木材的耐腐性能由原来的稍耐腐等级提高到强耐腐等级,其中KJQ涂料与DDAC、IPBC和SGB 3种防腐剂活性成分复配后的处理材耐腐性能较好。     

超疏水性纤维的制备及其吸油能力的研究

研究正硅酸乙酯(TEOS)以及十八烷基三氯硅烷(OTS)对棉纤维、亚麻纤维和木纤维进行疏水处理,通过接触角测量、FT-IR、XRD、TGA以及SEM等分析方法对三种纤维处理前后进行化学结构和微观形貌表征。本实验随后使用三种疏水纤维对7种不同粘度、不同密度的油进行吸附测试,实验测得疏水棉纤维吸油量是原棉纤维的4~7倍,而疏水棉纤维对大豆油的吸油量达到23.97 g/g。最后对棉纤维吸油循环性能进行测试,发现随着循环次数的增加,吸油量仍可以达到理想水平。     

木聚糖改性类荷叶纳米结构超疏水竹材尺寸稳定性研究

从玉米芯中提取的木聚糖用于改性竹材,提高竹材的尺寸稳定性;然后以新鲜荷叶和聚二甲基硅氧烷（PDMS）为模板,在改性的竹材表面利用软印刷法制备类荷叶竹材表面。采用抗胀（缩）率（ASE）,阻湿率（MEE）,增重率（WPG）和增容率（B）对竹材的尺寸稳定性进行了测试,并通过水接触角（WCA）、扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）分析了类荷叶竹表面的超疏水性能和微观结构。研究发现,随着木聚糖含量的增加,改性后竹材的抗溶胀性和WPG相应增加,木聚糖对材竹的增容效果更好。木聚糖在一定程度上改善了竹子的尺寸稳定性。此外,木聚糖处理改性后的类荷叶竹各向异性和超疏水性得到显著改善。本研究为竹材尺寸稳定性及竹材疏水性改良机理的研究奠定了基础。