高强耐候木材超疏水涂层仿生构筑与调控

发布时间：2020-05-30 22:10

【摘要】：木材是一种天然生物质材料,具有很多优良特性,但由于含有大量亲水性基团以及多孔结构导致木材具有很强的吸湿亲水性,水分会给木材带来变形变色或者腐朽降解等不良影响。在木材表面构建超疏水涂层可以有效解决因水分导致的不良影响。针对目前构建超疏水木材存在制备工艺复杂、稳定性差强度低等问题,本研究根据仿生学“荷叶效应”为原理,以制备超疏水涂料为思路,简单高效在木材表面构建稳定性强的超疏水涂层。采用纳米二氧化硅和环氧树脂为原料,简单合成一种超疏水涂料,并在木材表面构建具有仿生微纳米二级粗糙结构的超疏水涂层,得到具有高强耐候性的超疏水木材。(1)以荷叶效应为仿生机理,通过引入环氧树脂作为粘结剂,采用纳米二氧化硅和氟硅烷提供粗糙度与低表面能,制备出一种超疏水涂料并能够在基材上构建出超疏水涂层。该超疏水涂层制备工艺流程简单,可以在木材基底表面构造超疏水涂层,涂层的接触角可以达到150°以上,水滴可以轻易滚落,滚动角非常小。通过扫描电镜、能谱仪、红外光谱分析木材表面微观形貌、化学成分等,结果表明,该超疏水涂料能够在木材表面构建一层类似于荷叶表面的微纳米粗糙二级结构。(2)通过研究超疏水涂料对木材三切面的润湿性能,发现该超疏水涂料在木材三个切面上均能构建超疏水涂层,并且水滴接触角均能达到150°以上,滚动角小于10°。而且该超疏水涂料可以用喷涂、刷涂和浸渍的方式在基底上构建超疏水涂层,性能均能达到超疏水状态,构建简单方便,且超疏水木材的润湿性能是与涂覆方式无关。研究超疏水涂料的涂覆次数对木材表面润湿性能可以得出,当涂覆次数超过3次以上,涂层在木材表面达到一定厚度,可以在木材表面达到超疏水效果。(3)对超疏水涂层的构建机理进行了探究。通过对比有无添加环氧树脂的涂料构建的涂层强度,结果表明现环氧树脂不仅能够作为粘结剂提高涂层机械稳定性,同时作为一个关键材料为超疏水涂层提供了粗糙层次结构。通过研究全氟辛基三乙氧基硅烷(PTES)对超疏水涂层的构建机理,结果表明如果没有PTES,虽然环氧树脂和二氧化硅可以构造微纳米粗糙二级结构,使得基材表面能够达到140°的接触角,但是水滴对基材的粘附性很大,水珠不能滚落,不能达到超疏水的定义条件。研究表明二氧化硅对超疏水涂层的稳定性提供了一个至关性的作用,但二氧化硅的粒径对超疏水涂层的润湿性能没有显著的影响。(4)通过对木材超疏水涂层进行系列耐久耐候性研究,该木材超疏水涂层具有良好的自清洁防污能力、机械稳定性、热稳定性、化学稳定性能以及防冰抗冻能力。水滴可以在超疏水涂层上轻易带走污物,且可以在墨水泥水以及生活中常见的液体中保持清洁;制备的超疏水木材能够在5000Pa压力下被砂纸磨损1000cm以上,仍保持良好的疏水性能;经过刀划测试和胶带剥离测试发现仍能达到超疏水状态;在酸碱溶液中浸泡24h后仍具有疏水效果;经受120℃的72h恒温测试后,仍能保持超疏水性。同时该超疏水木材可以经受沸水蒸煮3h后保持超疏水性,且对不同温度的热水均有疏水性能,并且处理后木材表面的超疏水涂层可以作为屏障有效的阻碍木材热降解;与木材素材相比,超疏水木材表面结冰时间可以延长到300s以上,同时该超疏水木材在冷冻168h以后仍能保持超疏水性能,且水滴仍可以轻易滚落。并且该超疏水木材可以在自然环境中保持超疏水特性50天以上。
【图文】：

水黾,荷叶,腿部,超疏水

以荷叶为例，荷叶表面与水滴的接触角为１６０．４°，而滚动角却只有１．９°。逡逑Ｂａｒｔｈｆｏｔｔ［１９４Ｐ邋ＮｅｉｎｈＵｉＳＡ［３］首先通过扫描电子显微镜观察了荷叶表面的微观结构，逡逑认为荷叶的疏水性能是由荷叶表面上的粗糙结构即微米级乳突所引起的，见图１．１逡逑（ａ，ｂ）。正是这种复合结构，赋予荷叶特殊的润湿性能。Ｇａｏ等［６］对水黾腿部进逡逑行了研宄，研宄发现水黾腿部的静态接触角可达到为１６７．４°，利用扫描电镜观察逡逑水黾腿部，发现水黾腿部分布着数千根呈针状的微纳米级刚毛，刚毛排列方向统逡逑一。另外刚毛根部直径约为３邋ｐｍ，长度约为５（Ｖｍ，见图１．１邋（ｃ，ｄ）。这种复杂逡逑多级的表面形貌可以形成空气垫结构，保障水黾在水中自由行走且避免将脚弄湿。逡逑Ｇｕｏ等［４］研究了水稻叶表面的微观形貌，，发现水稻叶表面也存在着微米与纳米结逡逑合的分级符复合结构，见图１．１邋（ｅ，ｆ），使得水稻叶也具有优异的超疏水特性。逡逑因此

示意图,方程,示意图,固体表面

衡量固体表面的润湿性通常用固体表面接触角的大小来衡量。接触角是当液逡逑滴滴到固体表而时，液滴在固体表面上并没有完全铺展开，而是与固体表面之间逡逑形成了一个角度。如图１．２所示，水滴滴到光滑、均匀的理想固体表面上，当固逡逑体表面上固、气、液三相界表面张力达到平衡时，从固－液－气三相交叉点处作气逡逑液界而的切线，这条切线与固－液交界线间所夹的角即定义为接触角ｅ。逡逑固体表面的接触角大小是固、液、气三相界面间表面张力平衡的结果，当张逡逑力平衡时，体系总能量趋于最小，液滴在固体表面上就处于稳态［２１］。对于光滑且逡逑均匀的理想固体表面，可由Ｙｏｕｎｇ氏方程［２２］来描述。逡逑ｃｏｓ０＾／ｕ￣／ｓＬ逡逑７ｌｖ逡逑ｆｔ７ｉｖ逡逑ｓ逡逑图１．２邋Ｙｏｕｎｇ氏方程示意图逡逑Ｆｉｇ．１．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋Ｙｏｕｎｇ’ｓ邋ｃｏｎｔａｃｔ邋ａｎｇｌｅ逡逑影响水滴与固体表面接触角０的因素有固体表面张力液体表面张力，逡逑以及固液之间的界面张力Ｙｏｕｎｇ氏方程解释了接触角和固液气三个界面之间逡逑的定量关系，能够对界面张力产生影响的因素同时也能影响固体表面的湿润性１２３］。逡逑粗糙固体表面的湿润性由其表面化学组成和湿润性一起决定的
【学位授予单位】：中南林业科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ637;TB383.1

【参考文献】