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...     

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。     

化学交联贻贝仿生超疏水木材的构建与性能表征

聚多巴胺(PDA)修饰的木材表面具有较强粘附特性和表面化学反应活性,通过引入氨基改性纳米二氧化硅(SiO;)粒子构建木材粗糙表面,采用乙二醇二缩水甘油醚为交联剂,提高纳米SiO2粒子在木材表面的稳固性,采用十八烷基三甲氧基氯硅烷为低功能化改性剂制备表面稳固的超疏水木材。研究表明:当纳米SiO;粒子浓度为2%时,接触角最大为156.6°,滚动角为4.7°,超疏水木材表面经过超声波震荡、模拟下雨冲刷、加热、酸碱腐蚀及有机溶剂浸泡等处理后,仍具有较强的超疏水稳固特性。     

木材耐久性改良研究现状

木材作为一种天然可再生材料,具有良好的环境学特性,被广泛应用于建筑、景观、家具等领域。目前,人工速生林作为木材主要来源之一,相较于天然林,具有结构松散,密度低、强度低、尺寸稳定性差等缺点,受外界因素影响易发生劣化,因而提高木材耐久性是实现木材高效利用的重要手段。对近年来木材防腐、疏水、耐光老化、阻燃方面的改善研究进行了综述,以期为木材耐久功能性联合改性提供指导。     

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。     

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)...     

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。     

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。     

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。     

密胺包覆环氧树脂微胶囊的制备及对木器水性涂层性能的影响

木器涂饰采用水性涂料可降低VOCs释放,同时也会导致木器易产生开裂缺陷,降低力学性能,可以利用自修复微胶囊技术进行修补。试验采用密胺为壁材、环氧树脂为芯材制备微胶囊,借助扫描电镜、红外光谱、光学性能、力学性能测试手段分析了不同含量微胶囊的水性面漆性能。试验结果表明:0.50芯壁比微胶囊颗粒大小更加均匀,表面更加光滑;微胶囊含量为4.0%的水性面漆成膜效果较好,光泽度、硬度、附着力、抗冲击强度性能较优。同时采用耐热性试验测试了漆膜对加热烘烤人为制造日常损伤的修复效果,试验发现伴随微胶囊含量的增加,样品的变色程度和光泽度变化差值随之减小,初步表明微胶囊有一定的修复效果。     

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。     

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。     

基于聚苯乙烯微球的木材表面仿生结构色涂层构筑

为探索木材表面的结构色装饰技术,以苯乙烯(St)为单体,采用乳液聚合法,探讨反应时间和引发剂过硫酸铵(APS)添加量对微球的影响,合成具有良好单分散性、结构均匀的聚苯乙烯(PSt)胶体微球,并通过热辅助重力沉积,使微球在木材表面自组装,形成具有仿生结构色的光子晶体涂层。通过对乳液中和干燥状态下的PSt胶体微球进行表征分析,发现胶体微球在乳液中的水合粒子直径大于干燥状态下的粒径。通过单因素试验得出,聚合时间为10 h, APS添加量为150 mg时,所获得的PSt胶体微球的单分散性最佳。同时研究发现,当APS添加量过低时,无法达到良好的引发效果,所合成微球的单分散性不佳。通过对木材表面的结构色涂层微观结构进行分析,发现单分散性好的PSt胶体微球在木材表面自组装能形成长程有序的光子晶体结构,展现出明亮的紫色,与涂层反射光谱峰值出现位置相对应。胶体微球粒径增大时,结构色涂层反射峰向更大波长红移。胶体微球的单分散性差及组装过程中的空间位阻作用会使涂层微观结构出现点、裂纹和错位等缺陷,弱化光子晶体的禁带特征,使木材表面涂层展现出的结构色效果不佳。     

壳聚糖前处理染色木材耐光性的研究

对壳聚糖前处理与未处理（对照）染色木材耐光性的研究表明,山杨等６种壳聚糖处理与未处理木材用同一染料染色并辐射１０小时后,处理材色差均比未处理材低;经壳聚糖前处理与未处理的安息香木才,用四种不同染料染色,染色材耐光性优于未处理材,但随染料种类不同略有差异。     

丙烯酸酯/石蜡共混乳液处理材疏水性研究

针对石蜡和丙烯酸(酯)在木材防水改良应用方面的优势和不足,提出了利用丙烯酸酯乳液共混改性石蜡乳液。探究丙烯酸酯乳液对复合乳液成膜性及其对复合乳液处理材疏水性能的影响。考察了复合乳液粒径、离心稳定性、成膜性以及处理材吸水率、表面润湿性和尺寸稳定性等。研究结果表明:1)复合乳液可被用于木材浸渍改性处理,复合乳液平均粒径约180.0 nm。2)相比于石蜡乳液处理,复合乳液中丙烯酸酯乳液可协助石蜡在处理材内部形成有效疏水膜层,提高木材疏水性和尺寸稳定性。     

木材无机改性的方法

为了改善低密度、幼龄材等低质材的性能,以便能代替天然大径材,缓解我国目前木材的供需矛盾,可通过无机物改性木材而制得无机复合木材来替代天然优质材。采用无机物改性木材,可有效地提高低质木材的力学强度,防腐和阻燃等性能。本文介绍采用无机盐类、无机氧化物(SiO2纳米粒子、Al2O3、TiO2等纳米粒子)和天然矿土等无机材料对木材的改性方法及各种无机改性方法的基本原理,并阐明各种无机改性处理方法对木材材性的影响。