研究背景
天然木材内因含有羟基等亲水基团,导致其吸水后产生膨胀、开裂、腐朽、变形等问题。一些环境因素,如湿度和酸雨,严重影响木材的耐用性和使用性能,对木制品造成损坏。将仿生疏水概念引入木材表面改良领域,在构建疏水表面的同时也赋予木材自清洁、耐化学性等特性,可提高木材在恶劣条件下的稳定性和耐久性,延长木材的使用寿命。
疏水木材的制备过程
实验方法与仪器:
本文采用KRÜSS DSA25接触角分析仪
DSA25S接触角分析仪图片
结果与讨论
1.接触角测试
如图1所示,处理前后木材表面接触角的变化。未改性木材表面的接触角为52.0°,这是由于木材表面的有大量亲水基团和丰富的孔隙结构,使木材表现出较强的亲水性,随着接触时间延长,接触角迅速下降,水滴很快渗入到木材中。经过疏水处理的木材试样,在180s内均保持在138.0°以上,表现出了优异的疏水性能。随着自组装次数的增加,TA-Fe III/木材试件的接触角从138.2°增加到了143.7°,TA-Fe III/Ag/木材试件的接触角从142.3°增加到了146.7°。在相同的处理次数下,TA-Fe III/Ag/木材试件的接触角高于TA-Fe III/木材试件,证明Ag纳米颗粒在木材表面沉积构建了良好的表面粗糙度,使得木材表面疏水性能得到明显提高。
2.化学耐久性测试
疏水木材表面的耐化学性是影响疏水表面的重要因素。研究表明,强酸、强碱、有机溶剂浸泡等恶劣环境下都会影响疏水木材的疏水效果,使得木材表面接触角降低,逐渐丧失疏水性能。将疏水木材分别浸没于不同的化学试剂中 ( pH=2. 0的HCI溶液,pH=12. 0的NaOH溶液,正己烷,丙酮,乙醇,DMF) 中24h,在紫外光照射以及用开水煮沸后,疏水木材接触角均高于135. 0°(图2) ,说明在恶劣环境下,疏水木材依然可以具有优异的稳定性和耐久性。将疏水木材进行超声清洗,木材表面的接触角几乎无变化,证明疏水涂层和木材间有稳固的粘合性能。以上结果证明,所制备的疏水木材即使在恶劣、严苛的条件下,也可以保持良好的疏水性,也证明了该疏水涂层的化学耐久性和环境稳定性。
图2 疏水木材耐化学性测试
结论
本研究基于TA-Fe Ⅲ多次自组装在木材表面构建疏水表面,在温和、环保且不会破坏试件本身的条件下,将涂层完全覆盖于基材表面。多次自组装和利用复合涂层二次反应活性还原Ag+粒子、接枝疏水长链,可以使得木材表面被涂层完全覆盖,并逐步完善木材表面的粗糙度,使得木材表面具有更加优异的疏水性能。随着自组装次数的增加,TA-Fe III /木材试件的接触角从138. 2°增加到了143.7°,TA-Fe III/Ag /木材试件的接触角从142.3°增加到了146.7°。此外,构建的仿生疏水表面具有优异的化学耐久性和环境稳定性,即使在经过恶劣环境后,疏水木材接触角均高于135.0°,依然可以保持优异的疏水性能。
[1]傅敏,李明剑,何文清等.基于TA-Fe~Ⅲ还原Ag离子构建木材疏水表面[J].化学研究与应用,2023,35(01):75-82.
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