纳米氧化亚铜在木材表面构筑超疏水功能研究

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木材具有强重比高、易加工、再生周期短等优点,被广泛应用于人类生产和生活中。然而,木材组分中亲水性羟基的存在使木材具有极强的吸水性,造成了尺寸稳定性差、易受微生物破坏、干缩湿胀等弊端,缩短和降低了木材的使用寿命及性能。将超疏水改性技术应用于木材功能性改良中,实现木材表面的超疏水化,将能显著延长木材的使用寿命。本研究将酚醛(PF)树脂胶粘剂的合成和纳米氧化亚铜(Cu2O)的制备在同一反应体系中同时进行,制得了含有不同种类纳米Cu2O颗粒的PF树脂;结合低表面能物质硬脂酸(STA),采用简单的喷涂和浸渍工艺,在木材表面成功实现了超疏水功能;对超疏水木材的各项性能进行了测试和表征,并对改性机理进行了探讨。本论文的主要研究结果如下:(1)以40%的氯化铜水溶液为铜源,在PF树脂合成体系中同时制备获得纳米Cu2O颗粒,其尺寸均匀分布于9.56-51.58 nm之间,形貌为内凹八面体结构;合成Cu2O生长速率最快的晶面为(111),其晶格间距为d=0.25 nm,谢乐公式计算结果显示其平均晶粒尺寸44.34 nm,TEM、XRD、XPS结果共同证实了所获得颗粒为纯净的Cu2O。(2)以纳米Cu2O改性PF树脂胶粘剂稀释液为原料,通过喷涂和浸渍STA乙醇溶液,成功在马尾松表面形成了分层级的STA@PF@Cu2O核壳结构。并测试了改性马尾松表面的疏水性能、水渗透率、表面自由能、耐酸碱性、耐磨性和耐腐性。结果表明,改性马尾松获得了超疏水功能,三个切面的接触角均高于150°,最大可达153.3°;三切面表面自由能均由高于47 J/m~2降至低于20 J/m~2,实现了微纳米级粗糙度与低表面自由能的有效结合;与此同时,超疏水马尾松具有较低的水渗透率、较强的耐酸碱性和耐磨性,且耐腐性能提升,白腐菌16周检测失重率由35.60%降至19.89%。(3)引入20%和40%浓度的Cu Cl2·2H2O水溶液,分别衍生得到了两类纳米Cu2O颗粒(Cu2O NPs 1和Cu2O NPs 2),将其分别用于马尾松(针叶材)和山桃木(阔叶材)表面的超疏水功能改性。结果表明,所合成两类颗粒均为纳米Cu2O,其形貌基本相同,均为内凹二十四面体。Cu2O NPs 2的粒径分布比Cu2O NPs 1更加均匀,其尺寸主要分布于122.4-164.2 nm之间;两类颗粒均与STA实现了有效结合。两类Cu2O颗粒改性的山桃木表面均形成了微纳多级花瓣状结构,该结构沿着纳米Cu2O颗粒边沿生长;马尾松和山桃木表面均获得了超疏水功能,接触角达155°以上,滚动角低于10°,具有优异的自清洁能力;同时,改性表面均具有相似的低渗透率、低自由能、强耐酸碱性和耐磨性。其中,在p H为2和12的强酸强碱溶液中浸泡超过12 h或在2.2 k Pa压强下经过1200目砂纸磨损超过12个周期后,接触角仍高于150°。本研究所开发的低成本超疏水改性策略简单易行,超疏水表面具有良好的耐酸碱、耐磨和耐腐性,具有规模化大尺寸超疏水木基表面的生产和应用前景。
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