木质素基纳米微球超疏水涂层的制备及其性能研究

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超疏水涂层在防水、防污、自清洁以及油水分离等方面都表现出巨大的优势,在日常生活、国防以及工业农业等领域均具有巨大的潜在应用。目前,超疏水涂层常用无机微粒构建,已实现高水接触角(WCA)、高透明度、多功能化等目标,但仍然存在机械耐磨性弱、易老化、环保性能差、制备工艺复杂等缺点,限制了超疏水涂层的发展。因此,选用天然可降解材料通过简便的工艺构筑具有良好耐磨性和抗老化性的超疏水涂层有巨大的研究价值和现实意义。本研究使用具有优异抗紫外(UV)老化性能的林产化工副产品——酶解木质素作为原材料,提纯后通过溶剂交换法制备出木质素纳米微球(LNPs),用于取代无机微粒作为主要结构材料,经过疏水改性后,喷涂在木材表面,得到木质素基超疏水涂层。本研究为提高超疏水涂层耐磨性和抗UV性提供理论和技术指导,同时为扩大木质素的应用提供方向。主要研究结果如下:(1)通过溶剂交换法制备LNPs,并通过控制木质素浓度、水滴速度和搅拌速度来控制其粒径大小,使用激光粒径测试仪对粒径进行测量,选用平均粒径337nm(320~350 nm)的LNPs作为构建超疏水涂层的主要结构材料。(2)采用LNPs作为主要结构材料,纳米纤维素晶体(CNC)作为增强材料,聚乙烯醇(PVA)作为胶黏剂,三者均匀混合并喷涂在木材上,干燥后通过化学气相沉积法(CVD)对此表面进行疏水改性,得到LNPs基超疏水涂层。其WCA达162°,可承受19次砂磨循环,能经受9 h的高强度(1000 W)UV辐射。(3)用水热法对LNPs进行处理,让木质素分子间产生化学键交联,得到有机溶剂稳定性更好和强度更高的HLNPs。以其作为主要结构材料,CNC为增强材料,聚二甲基硅氧烷(PDMS)为胶黏剂,甲基三甲氧基硅烷(MTMS)和十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)作为组合疏水改性剂,混合后喷涂在木材上,干燥后得到HLNPs基超疏水涂层。该涂层的WCA高达167°,可承受24次砂磨循环,经受8 h的高强度(1000 W)UV辐射。(4)构建有机/无机复合纳米微粒,在制备LNPs的过程中,加入纳米四氧化三铁(na-Fe3O4),水热处理后得到HLNPs/Fe3O4复合微粒。以此复合纳米微粒构建超疏水涂层的粗糙结构,以CNC和纳米二氧化钛(na-Ti O2)作为协同增强材料,PDMS作为胶黏剂,MTMT/HDTMS作为改性剂,共混并喷涂在木材表面,干燥后得到HLNPs/Fe3O4基超疏水涂层。该涂层的WCA高达167°,可承受87次砂磨循环,经受9 h的高强度(1000 W)UV辐射。
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