基于气相辅助迁移法的木材超疏水表面稳定性调控与功能化修饰

来源 :中南林业科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:muyue3122
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仿生超疏水处理能够有效避免木材因吸水吸湿引起的变形、开裂、变色、腐朽等系列问题,还能赋予其导电、阻燃、抗菌、磁性、自清洁等功能,对木材的高值应用与功能拓展具有十分重要的意义。高效制备方法与高强机械稳定性是实现超疏水木材生产应用的关键。本研究基于仿生学原理,提出气相辅助迁移法仿生构建木材超疏水表面,分别从物理、化学的角度出发,设计出多孔缓冲结构、碱液驱动等方式调控超疏水涂层机械强度及其与木材的界面结合强度,获得高强超疏水木材;研究了气相辅助迁移法对纳米粒子、修饰剂等的普适性,揭示了基于气相辅助迁移法的超疏水表面仿生构建机制,解析了超疏水表面机械稳定性的增强机制;在此基础上,发展了自修复、光降解、阻燃等系列功能型木材超疏水表面,并探究了超疏增效催化机制、纤维迁移修复损伤机制等。论文主要结论如下:(1)气相辅助迁移法可以实现木材超疏水表面的仿生构建,使其表面水接触角达到153.0°、滚动角达到1.8°。气相辅助迁移法通过气相驱动调控纳米粒子在3维空间的分布、生长与修饰,形成超疏水表面所需的具有低表面能的微纳米分级结构。所获木材超疏水表面不但超疏水,而且超疏咖啡、牛奶、红酒、酱油和可乐。此外,气相辅助迁移法对不同种类与性质的纳米粒子(如SiO2与BiOCl等)、修饰剂(如有机硅氧烷与含氟修饰剂)、基底材料(如玻璃与竹材等)具有普遍适用性。(2)基于气相辅助迁移法,以热驱动造孔的方式制备了环氧树脂为骨架的多孔缓冲结构。该结构是超疏水结构与增强结构的集成结构,具有水接触角为156°,滚动角小于10°的超疏水表面,能够有效增强超疏水木材的机械稳定性。基于多孔缓冲集成结构的超疏水木材,经受600目砂纸在2 kPa、5 kPa、10 kPa负载下分别磨损300 cm、160 cm、110 cm,经受手指按压、刷子刷、刀刻、砂纸打磨等不同形式的连续磨损及60kg重量的人持续踩踏1h后,均保持150°以上的接触角与低于10°的滚动角,表现出高强的耐磨性与机械强度。超疏水木材的高强机械稳定性是由于多孔缓冲结构可以同时提高超疏水涂层的机械强度及其与木材的界面结合强度,并且有效分散冲击力。(3)基于气相辅助迁移法,借助碱液调节木材表面活性位点及其表面微纳结构,可以有效调控木材超疏水表面的机械稳定性。当在反应体系中加入24 mL 0.1 mol/L的氢氧化钠水溶液时,所获木材超疏水表面可以承受270 cm的磨损距离,而当加入量为6 mL时,同等条件下,所获木材超疏水表面仅能承受60 cm的磨损距离。傅里叶红外光谱仪(FTIR)分析与扫描电子显微镜(SEM)分析表明,氢氧化钠通过调控木材表面与反应环境的羟基数量调节木材表面疏水二氧化硅粒子的生长修饰及其锚固量,支持木材锚固由高密度疏水二氧化硅组装的超疏水结构,从而借助结构再生机制提高超疏水表面机械稳定性。(4)通过调控反应体系功能组分的种类,制备了自修复、自降解、阻燃等各类多功能超疏水木材。所获多功能超疏水木材能够利用纤维的“热响应性”,协同修复组分,实现低表面能物质降解、结构磨损、大尺度划痕等不同类型损伤的自修复;能够高效率降解罗丹明B(Rh B),且具有可重复使用性:在第14个催化降解循环时,其降解效率依然高于97%。此外,超疏水性与催化降解性具有协同增效作用:相同条件下,超疏水性能够将Rh B催化降解效率提高>10%。同时,催化降解性能可以通过光催化提高超疏水性对有机物污染的抵抗能力;具有优异的阻燃性,与未处理木材相比,第二峰值热释放速率降低了49.3%,总热释放量降低了34.5%。(5)超疏水处理对木材尺寸稳定性、力学性能、热稳定性等性能影响显著。超疏水处理能够提高木材的尺寸稳定性,使其泡水后质量变化率降低了 72.38%,最大尺寸变化所需时间增加了约20天,体积变化率降低了29.33%;显著影响木材的力学性能,使其顺纹抗压强度、横纹抗压弹性模量分别提高21.94%、11.11%,使其抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压弹性模量、横纹抗压强度分别降低16.05%、4.18%、39.93%、27.11%;提升木材的热稳定性,将其起始热解温度提高100℃,出现最大失重速率的温度提高30℃,材料残余量提高6.45%;增强木材的耐紫老化性能,使木材经紫外长时间照射后的综合色差指数变化降低72.5%。
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