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基于表面微纳结构设计的超疏水木材制备与作用机制

王开立  
【摘要】:木材表面仿生构建超疏水涂层,能有效地降低木材与水分之间的互相作用,避免木材因吸水而导致的变形、开裂、腐朽、霉变、变色、降解等一系列问题,同时还可以赋予木材抗菌、阻燃、导电、磁性、微波吸收等功能,对木材的高附加值利用和功能化拓展具有重要的研究价值和实际意义。但是超疏水涂层机械与化学稳定性差是制约超疏水木材实际应用的关键问题。本研究基于“荷叶效应”仿生学原理,以木材自身的粗糙结构为基础,通过结构设计和界面调控,在木材表面构建不同微纳层级粗糙结构,获得具有机械耐磨和化学耐久性的超疏水木材。研究超疏水涂层与木材基质的界面结合与调控机理,涂层表面稳固微纳米粗糙结构的构建方式;探讨不同微纳层级粗糙结构对木材表面超疏水性能的影响,解析超疏水作用机制。论文主要结论如下:(1)低能成分直接修饰木材天然结构,可实现整体高疏水性。在木材细胞壁接枝长链烷基制备整体高疏水木材,横切面水接触角150°,滚动角13°-38°;纵切面水接触角140°,滚动角大于90°。疏水性能贯穿木材整个结构,具有优异的耐磨性和化学耐久性,经磨损和腐蚀后,横切面接触角大于145°。(2)溶胶凝胶法合成Si02纳米粒子辅助构建表面微纳结构,可实现木材三切面的超疏水性。横切面水接触角155°,滚动角3°;纵切面水接触角152°,滚动角5°。经化学试剂腐蚀后,横切面接触角大于150°。但合成的Si02在木材内层沉积量低且分布不均匀,所制备的超疏水木材耐磨性差。(3)仿生贻贝聚多巴胺(PDA)表面修饰方法,可在木材表面实现化学耐久的超疏水性。PDA/Ag复合层水接触角152°,滚动角8°。60℃聚合PDA层水接触角153°,滚动角9°;60°C聚合PDA/Cu复合层水接触角157°,滚动角5°。配位驱动的多次组装技术在木材表面构建出厚度可控的聚酚-金属离子超疏水涂层,3次组装与1次组装相比,单宁酸(TA)-FeⅢ复合涂层厚度从4.3 μm增加到8.9 μun,接触角从146°增加到154°,滚动角从15°减小到9°;TA-FeⅢ/Ag复合涂层厚度从5.6 μm增加到10.8μm,接触角从152°增加到157°,滚动角从10°减小到4°。以上超疏水涂层经过化学溶剂腐蚀和严苛环境测试后,接触角均大于150°。(4)基于氟化层级纳米粒子和环氧树脂的喷涂法,可在多种基质表面实现耐磨耐腐蚀的超双疏性。超双疏涂层对表面张力在20.1 mN/m以上的液体表现出优异的排斥能力,正庚烷的接触角154°,滚动角10°。涂层刮擦硬度1.05 GPa,砂纸磨损3 m后,水接触角从175°减少到160°,滚动角从1°增加到8°;正癸烷接触角从159°减少到149°,滚动角从6°增加到24°。经过化学试剂腐蚀后,水和正癸烷的接触角均大于150°,滚动角均小于10°。(5)利用木材天然层级多孔结构模板,结合超疏水改性技术,制备了具有选择性油水分离功能的木质材料。木材气凝胶/PDMS复合材料可以实现集吸收和过滤功能为一体的选择性油水分离功能,可吸收自身重量9-20倍的油类;对水/三氯甲烷混合物的分离效率为99.5%,分离通量为2.25×104 L/m2·h。Janus木膜材料可实现双端选择性油水分离功能,对水/正己烷混合物的分离通量为2450L/m2·h,对水/三氯甲烷混合物的分离通量为4820 L/m2·h,分离效率均高于99.3%。


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