气相辅助迁移法构建超疏水木材及其调控机理研究

摘要

木材作为一种可再生资源，具有强度高、韧性大、易加工等特点。然而在开放的环境尤其在交变湿热的环境中时，木材易吸水吸潮导致开裂、霉变、腐朽、变色、降解等缺陷，降低了其使用寿命。受到大自然的启发，通过在木材基底构建超疏水表面，提高其疏水性，同时赋予其自清洁、热稳定性、耐化学腐蚀等特性，可以达到延长其服务寿命的目的。目前，构建超疏水表面的方法很多，但是存在工艺复杂，设备昂贵、成本较高、超疏水材的机械稳定性差等问题。因此，该论文提出以商业化的纳米二氧化硅、乙烯基三乙氧基硅烷为原料，使用化学气相沉积法修饰纳米粒子并借助反应器内产生的气压为驱动力引发疏水粒子的迁移、排列，从而获得微纳米级二维的超疏水粗糙结构。同时，气压驱动赋予木材足够厚度的超疏水涂层，提高了木材的机械稳定性。最终，通过简便的气相辅助迁移法获得高强超疏水木材，主要结论如下:
　　(1)经过二氧化硅纳米粒子与乙烯基三乙氧基硅烷处理后，木材表面的水接触角由初始的60°上升至154°，且具有接近0°的滚动角。采用电子扫描电镜、X射线衍射分析了木材表面处理后的微观形貌、化学成分等。结果表明，乙烯基三乙氧基硅烷修饰后的纳米二氧化硅粒径为200 nm～300 nm，生长后的疏水二氧化硅粒子均匀地分散于木材表面及内部表层，粒子的随机排列赋予处理材类似荷叶的二维微纳米级超疏水结构。
　　(2)对木材表面超疏水涂层的构建工艺进行了探究，结果表明氢氧化钠的加入量及二氧化硅与乙烯基三乙氧基硅烷的摩尔比对构建超疏水表面的影响最为显著;当沉积时间为1.5 h，沉积温度为100℃(径切面为140℃)，单位面积取液量为1.5 ml/cm2，氢氧化钠加入量为12 ml，SiO2与VTES摩尔比为1∶1时，可在木材横截面与径切面表面获得最佳疏水性能;不同因素对木材横切面、径切面疏水性能的影响规律大致相同，但对两切面宏观形貌影响区别较大:径切面超疏水涂层的透明度远低于横切面超疏水涂层的透明度。
　　(3)基于对显著影响因素的探究，获得超疏水表面构建机理:二氧化硅为构建超疏水结构的骨架物质，乙烯基三乙氧基硅烷具有修饰疏水结构降低其表面能的作用。同时，乙烯基三乙氧基硅烷的聚合产物接枝到纳米二氧化硅表面，可有效避免粒子团聚、加大粒子间隙，进而促使二氧化硅粒子排列成具有微纳米二维度的粗糙结构，赋予处理材超疏水性能。因此，乙烯基三乙氧基硅烷具有导向二氧化硅粒子分散的作用。氢氧化钠为乙烯基三乙氧基硅烷提供合适的水解、缩聚条件。此外，氢氧化钠具有活化基材表面反应基团的作用，从而使其接枝足量的二氧化硅用于疏水结构的构建。
　　(4)对超疏水木材的耐久性进行检测，结果表明，超疏水木材可承受在12，000Pa的高压下被砂纸磨损150 mm及在3000Pa的高压下被砂纸磨损1050mm，同时，被刀片反复刮磨后仍保持其超疏水性能。超疏水木材可抵抗酸雨、碱雨腐蚀25 h，海水腐蚀15 h;超疏水木材的疏水性不受温度的影响，可支撑0～100℃的水滴呈球形存在，此外，被沸水蒸煮3h后，表面仍有高于150°的接触角;超疏水涂层可有效延迟木材的热降解速率;超疏水木材可通过自身的自清洁性能有效清洁表面的灰尘等污染物。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．2．1 荷叶

1．2．2 水黾

1．3 水滴接触角理论

1．3．1 静态接触角及Young氏方程

1．3．2 Wenzel与Oassie-Baxter模型

1．3．3 接触角滞后

1．4 木材超疏水仿生构建的迫切性

1．5 木材超疏水仿生构建的方法

1．6 仿生构建超疏水木材亟待解决的问题

1．7 本论文的研究内容与技术路线

1．7．1 研究内容

1．7．2 技术路线

2 气相辅助迁移法构建超疏水木材及其表面调控研究

2．1 引言

2．2 气相辅助迁移法构建超疏水木材

2．2．1 材料与方法

2．2．2 实验方法

2．2．3 结果与分析

2．3 不同反应条件对木材各表面疏水性能的影响

2．3．1 沉积时间对超疏水木材疏水性能的影响

2．3．2 沉积温度对超疏水木材疏水性能的影响

2．3．3 氢氧化钠加入量对超疏水木材疏水性能的影响

2．3．4 单位面积取液量对超疏水木材疏水性能的影响

2．3．5 SiO2与VTES的摩尔比对超疏水木材疏水性能的影响

2．4 本章小结

3 气相辅助迁移法构建超疏水表面机理研究

3．2．2 实验方法

3．2．3 结果与分析

3．3 氢氧化钠对构建超疏水木材的作用机理研究

3．3．1 实验材料

3．3．2 实验方法

3．3．3 结果与分析

3．4 本章小结

4 超疏水木材的耐久性检测

4．2．1 实验材料与方法

4．2．2 结果与分析

4．3 化学稳定性检测

4．3．1 实验材料与方法

4．3．2 结果与分析

4．4 热稳定性能检测

4．4．1 实验材料与方法

4．4．2 结果与分析

4．5 自清洁性能(防污性能)检测

4．5．1 实验材料与方法

4．5．2 结果与分析

4．6 本章小结

5 结论

参考文献

攻读学位期间主要的学术成果

致谢