【摘 要】
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超疏水材料在自清洁、防污、减阻等方面具有巨大应用潜力,但是大部分超疏水材料是由含氟化合物或硅烷所制备,对环境具有一定的危害,此外,超疏水涂层的制备工艺相对复杂,也限制了其应用,因此基于天然材料通过简便方法开发超疏水材料成为了研究热点。纤维素具有储量丰富、可再生、可生物降解和易于功能化改性等诸多优点,在环境友好型超疏水材料领域具有潜在的应用价值。因此,本论文以微晶纤维素作为原料,对微晶纤维素进行疏水
【基金项目】
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国家自然科学基金青年科学基金项目(31901247); 黑龙江省自然科学基金优秀青年项目(YQ2019C003);
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超疏水材料在自清洁、防污、减阻等方面具有巨大应用潜力,但是大部分超疏水材料是由含氟化合物或硅烷所制备,对环境具有一定的危害,此外,超疏水涂层的制备工艺相对复杂,也限制了其应用,因此基于天然材料通过简便方法开发超疏水材料成为了研究热点。纤维素具有储量丰富、可再生、可生物降解和易于功能化改性等诸多优点,在环境友好型超疏水材料领域具有潜在的应用价值。因此,本论文以微晶纤维素作为原料,对微晶纤维素进行疏水功能化改性,并通过简单的自组装和喷涂法在木材表面制备出超疏水涂层,主要研究内容和结果如下:(1)微晶纤维素与10-十一碳烯酰氯发生非均相酯化反应合成出10-十一碳烯酰化纤维素(UCE),通过FTIR、13C NMR、DLS和TEM对其进行表征,结果表明产物以平均直径为218 nm的球形状态存在,且平均取代度为1.9,因此命名为UCE1.9。利用溶剂诱导引发自组装将UCE1.9纳米颗粒制备为微米颗粒(UCE1.9MPs),将UCE1.9MPs喷涂至木材表面制备出具有微纳米层级结构的超疏水木材。以不同浓度所制备出的超疏水表面均达到了170°的接触角和4°的滚动角,具有较好的超疏水性能和出色的热稳定性,在100℃和150℃加热后接触角和滚动角没有发生明显改变。同时改性表面还具有自清洁性以及p H在2-13范围内的酸碱稳定性。(2)通过调控非均相酯化反应中10-十一碳烯酰氯的用量与反应温度合成出全取代的10-十一碳烯酰化纤维素,命名为UCE3。通过自组装将UCE3溶液制备为UCE3纳米颗粒(UCE3NPs)。将UCE1.9MPs和UCE3NPs以不同质量分数混合后喷涂至木材表面制备出具有微纳米层级结构的超疏水木材,并通过加热使表面形成碳碳双键交联网络结构。对表面超疏水性,热稳定性以及机械稳定性进行测试,结果表明所制备出的表面具有出色的超疏水性能和热稳定性能,加热前后接触角均达到了153°以上,滚动角低于8°。与未添加UCE3NPs的表面相比具有一定的机械稳定性,在砂纸磨损试验和胶带剥离实验进行到100个周期后仍具有138°和145°的接触角。(3)将微晶纤维素酸水解为尺寸更小的纤维素纳米晶(CNC),随后将CNC与硬脂酰氯反应生成硬脂酰化纤维素纳米晶(SCNC)。为提高颗粒间的结合力,将SCNC与不同质量分数的聚苯乙烯混合后共同进行自组装并喷涂到木材表面,得到SCNC-PS超疏水木材。对SCNC-PS木材超疏水表面的超疏水性、热稳定性以及机械稳定性进行测试,结果表明,所制备出的木材超疏水表面具有非常出色的超疏水性能,接触角均达到165°以上,滚动角均小于5°,且能够承受最大韦伯值为345的液滴冲击。在加热之后接触角与滚动角几乎没有发生变化,依旧保持着超疏水性能。添加了聚苯乙烯的表面相比于未添加时机械稳定性有显著提高,在砂纸磨损试验进行到100个周期后接触角从106°提升至147°。本研究以不同尺度的疏水性纤维素酯为基本构筑单元,运用超分子自组装方法,实现纤维素基超疏水结构在木材表面的高效和稳定构筑。所制备出的表面不仅具有出色的超疏水性能,也具备热稳定性、自清洁性和环境友好性。该研究实现以木材主要大分子成分纤维素改性木材本身的绿色改性理念,推动天然高分子基材料对木材进行超疏水仿生改性的研究和发展,丰富木材超疏水仿生改性理论体系。
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