【摘要】：木材是一種天然生物質(zhì)材料,具有很多優(yōu)良特性,但由于含有大量親水性基團(tuán)以及多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致木材具有很強(qiáng)的吸濕親水性,水分會給木材帶來變形變色或者腐朽降解等不良影響。在木材表面構(gòu)建超疏水涂層可以有效解決因水分導(dǎo)致的不良影響。針對目前構(gòu)建超疏水木材存在制備工藝復(fù)雜、穩(wěn)定性差強(qiáng)度低等問題,本研究根據(jù)仿生學(xué)“荷葉效應(yīng)”為原理,以制備超疏水涂料為思路,簡單高效在木材表面構(gòu)建穩(wěn)定性強(qiáng)的超疏水涂層。采用納米二氧化硅和環(huán)氧樹脂為原料,簡單合成一種超疏水涂料,并在木材表面構(gòu)建具有仿生微納米二級粗糙結(jié)構(gòu)的超疏水涂層,得到具有高強(qiáng)耐候性的超疏水木材。(1)以荷葉效應(yīng)為仿生機(jī)理,通過引入環(huán)氧樹脂作為粘結(jié)劑,采用納米二氧化硅和氟硅烷提供粗糙度與低表面能,制備出一種超疏水涂料并能夠在基材上構(gòu)建出超疏水涂層。該超疏水涂層制備工藝流程簡單,可以在木材基底表面構(gòu)造超疏水涂層,涂層的接觸角可以達(dá)到150°以上,水滴可以輕易滾落,滾動角非常小。通過掃描電鏡、能譜儀、紅外光譜分析木材表面微觀形貌、化學(xué)成分等,結(jié)果表明,該超疏水涂料能夠在木材表面構(gòu)建一層類似于荷葉表面的微納米粗糙二級結(jié)構(gòu)。(2)通過研究超疏水涂料對木材三切面的潤濕性能,發(fā)現(xiàn)該超疏水涂料在木材三個切面上均能構(gòu)建超疏水涂層,并且水滴接觸角均能達(dá)到150°以上,滾動角小于10°。而且該超疏水涂料可以用噴涂、刷涂和浸漬的方式在基底上構(gòu)建超疏水涂層,性能均能達(dá)到超疏水狀態(tài),構(gòu)建簡單方便,且超疏水木材的潤濕性能是與涂覆方式無關(guān)。研究超疏水涂料的涂覆次數(shù)對木材表面潤濕性能可以得出,當(dāng)涂覆次數(shù)超過3次以上,涂層在木材表面達(dá)到一定厚度,可以在木材表面達(dá)到超疏水效果。(3)對超疏水涂層的構(gòu)建機(jī)理進(jìn)行了探究。通過對比有無添加環(huán)氧樹脂的涂料構(gòu)建的涂層強(qiáng)度,結(jié)果表明現(xiàn)環(huán)氧樹脂不僅能夠作為粘結(jié)劑提高涂層機(jī)械穩(wěn)定性,同時作為一個關(guān)鍵材料為超疏水涂層提供了粗糙層次結(jié)構(gòu)。通過研究全氟辛基三乙氧基硅烷(PTES)對超疏水涂層的構(gòu)建機(jī)理,結(jié)果表明如果沒有PTES,雖然環(huán)氧樹脂和二氧化硅可以構(gòu)造微納米粗糙二級結(jié)構(gòu),使得基材表面能夠達(dá)到140°的接觸角,但是水滴對基材的粘附性很大,水珠不能滾落,不能達(dá)到超疏水的定義條件。研究表明二氧化硅對超疏水涂層的穩(wěn)定性提供了一個至關(guān)性的作用,但二氧化硅的粒徑對超疏水涂層的潤濕性能沒有顯著的影響。(4)通過對木材超疏水涂層進(jìn)行系列耐久耐候性研究,該木材超疏水涂層具有良好的自清潔防污能力、機(jī)械穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性能以及防冰抗凍能力。水滴可以在超疏水涂層上輕易帶走污物,且可以在墨水泥水以及生活中常見的液體中保持清潔;制備的超疏水木材能夠在5000Pa壓力下被砂紙磨損1000cm以上,仍保持良好的疏水性能;經(jīng)過刀劃測試和膠帶剝離測試發(fā)現(xiàn)仍能達(dá)到超疏水狀態(tài);在酸堿溶液中浸泡24h后仍具有疏水效果;經(jīng)受120℃的72h恒溫測試后,仍能保持超疏水性。同時該超疏水木材可以經(jīng)受沸水蒸煮3h后保持超疏水性,且對不同溫度的熱水均有疏水性能,并且處理后木材表面的超疏水涂層可以作為屏障有效的阻礙木材熱降解;與木材素材相比,超疏水木材表面結(jié)冰時間可以延長到300s以上,同時該超疏水木材在冷凍168h以后仍能保持超疏水性能,且水滴仍可以輕易滾落。并且該超疏水木材可以在自然環(huán)境中保持超疏水特性50天以上。
【圖文】：

以荷葉為例，荷葉表面與水滴的接觸角為１６０．４°，而滾動角卻只有１．９°。逡逑Ｂａｒｔｈｆｏｔｔ［１９４Ｐ邋ＮｅｉｎｈＵｉＳＡ［３］首先通過掃描電子顯微鏡觀察了荷葉表面的微觀結(jié)構(gòu)，逡逑認(rèn)為荷葉的疏水性能是由荷葉表面上的粗糙結(jié)構(gòu)即微米級乳突所引起的，見圖１．１逡逑（ａ，ｂ）。正是這種復(fù)合結(jié)構(gòu)，賦予荷葉特殊的潤濕性能。Ｇａｏ等［６］對水黽腿部進(jìn)逡逑行了研宄，研宄發(fā)現(xiàn)水黽腿部的靜態(tài)接觸角可達(dá)到為１６７．４°，利用掃描電鏡觀察逡逑水黽腿部，發(fā)現(xiàn)水黽腿部分布著數(shù)千根呈針狀的微納米級剛毛，剛毛排列方向統(tǒng)逡逑一。另外剛毛根部直徑約為３邋ｐｍ，長度約為５（Ｖｍ，見圖１．１邋（ｃ，ｄ）。這種復(fù)雜逡逑多級的表面形貌可以形成空氣墊結(jié)構(gòu)，保障水黽在水中自由行走且避免將腳弄濕。逡逑Ｇｕｏ等［４］研究了水稻葉表面的微觀形貌，，發(fā)現(xiàn)水稻葉表面也存在著微米與納米結(jié)逡逑合的分級符復(fù)合結(jié)構(gòu)，見圖１．１邋（ｅ，ｆ），使得水稻葉也具有優(yōu)異的超疏水特性。逡逑因此

衡量固體表面的潤濕性通常用固體表面接觸角的大小來衡量。接觸角是當(dāng)液逡逑滴滴到固體表而時，液滴在固體表面上并沒有完全鋪展開，而是與固體表面之間逡逑形成了一個角度。如圖１．２所示，水滴滴到光滑、均勻的理想固體表面上，當(dāng)固逡逑體表面上固、氣、液三相界表面張力達(dá)到平衡時，從固－液－氣三相交叉點處作氣逡逑液界而的切線，這條切線與固－液交界線間所夾的角即定義為接觸角ｅ。逡逑固體表面的接觸角大小是固、液、氣三相界面間表面張力平衡的結(jié)果，當(dāng)張逡逑力平衡時，體系總能量趨于最小，液滴在固體表面上就處于穩(wěn)態(tài)［２１］。對于光滑且逡逑均勻的理想固體表面，可由Ｙｏｕｎｇ氏方程［２２］來描述。逡逑ｃｏｓ０＾／ｕ￣／ｓＬ逡逑７ｌｖ逡逑ｆｔ７ｉｖ逡逑ｓ逡逑圖１．２邋Ｙｏｕｎｇ氏方程示意圖逡逑Ｆｉｇ．１．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋Ｙｏｕｎｇ’ｓ邋ｃｏｎｔａｃｔ邋ａｎｇｌｅ逡逑影響水滴與固體表面接觸角０的因素有固體表面張力液體表面張力，逡逑以及固液之間的界面張力Ｙｏｕｎｇ氏方程解釋了接觸角和固液氣三個界面之間逡逑的定量關(guān)系，能夠?qū)缑鎻埩Ξa(chǎn)生影響的因素同時也能影響固體表面的濕潤性１２３］。逡逑粗糙固體表面的濕潤性由其表面化學(xué)組成和濕潤性一起決定的
【學(xué)位授予單位】：中南林業(yè)科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ637;TB383.1

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前7條

1 劉明;吳義強(qiáng);卿彥;田翠花;賈閃閃;羅莎;李新功;;木材仿生超疏水功能化修飾研究進(jìn)展[J];功能材料;2015年14期

2 張孝濤;周曉燕;;木質(zhì)材料表面超疏水研究[J];木材加工機(jī)械;2015年02期

3 梁金;吳義強(qiáng);劉明;;溶膠-凝膠原位生長制備超疏水木材[J];中國工程科學(xué);2014年04期

4 田根林;余雁;王戈;程海濤;陸方;;竹材表面超疏水改性的初步研究[J];北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報;2010年03期

5 劉曉蕾,劉孝波;溶膠-凝膠法制備有機(jī)/無機(jī)雜化材料研究進(jìn)展[J];高分子材料科學(xué)與工程;2004年02期

6 江雷;從自然到仿生的超疏水納米界面材料[J];現(xiàn)代科學(xué)儀器;2003年03期

7 王秀峰，王永蘭，金志浩;水熱法制備陶瓷材料研究進(jìn)展[J];硅酸鹽通報;1995年03期

相關(guān)會議論文 前1條

1 楊守祿;吳義強(qiáng);張新荔;;木材仿生功能性超疏水表面制備的研究進(jìn)展[A];第六屆中國木材保護(hù)大會暨2012中國景觀木竹結(jié)構(gòu)與材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇2012橡膠木高效利用專題論壇論文集[C];2012年

本文編號：2688801