一種超疏水木材及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及木材改性領域，尤其涉及一種超疏水木材及其制備方法。
【背景技術】
[0002]木材作為古老而又年輕的綠色環(huán)保材料，廣泛應用于日常生活中，如木結構房屋、木船、木雕等。木材主要是由纖維素、半纖維素、木質素等組成，纖維素、半纖維素富含具有強吸濕性的羥基等基團，因此木材具有很強的吸水性，導致其易腐爛、尺寸穩(wěn)定性差。木材的這些性質使得木材的使用壽命受到很多環(huán)境因素的制約，如潮濕的空氣、酸雨等。木材超疏水處理，賦予木材表面防水、防污、自清潔、抑菌等多種功能，將拓寬木材在生產、生活中的應用范圍，延長木材的使用壽命，受到了學者們的廣泛關注。
[0003]迄今為止，木材超疏水處理方法一般分兩步，第一步在木材表面構建微納米級粗糙結構，第二步在粗糙結構上修飾低表面能物質?，F有的處理方法存在很多缺陷:1、工藝復雜，生產成本高，制備的超疏水木材生物毒性大；2、構建的粗糙結構脆弱，達不到持久超疏水的作用；3、目前制備方法只能以木材橫切面為基底達到超疏水效果，未見有報道在木材的弦切面與徑切面上制備出超疏水效果；4、目前制備的超疏水木材的耐磨性差；5、鮮有方法可以大面積構建超疏水表面。5、所制備的超疏水木材的功能性不強。因此，采用簡便的物理或化學方法，使用廣泛易得的廉價材料，大面積制備耐久、耐磨的功能性超疏水木材具有極大的現實意義。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種耐久、耐磨的功能性超疏水木材及其制備方法。
[0005]為解決上述技術問題，本發(fā)明提出的技術方案為:
[0006]一種超疏水木材，其表面覆蓋有復合膜層，所述復合膜層是由硅烷偶聯劑發(fā)生水解、縮聚后包覆納米粒子，沉積形成；復合膜層通過羥基作用與木材之間產生化學鍵合；復合膜層含有均勻的微米級溝槽及納米級突起，并自組裝有低表面能物質，所述超疏水木材的水滴接觸角達150°?156°，滾動角小于4° ;所述納米粒子為納米S12、納米T12、納米Al2O3、納米ZnO和納米Fe3O4中的一種或幾種。
[0007]上述的超疏水木材，優(yōu)選的，所述低表面能物質為硅烷偶聯劑。
[0008]上述的超疏水木材，優(yōu)選的，所述娃燒偶聯劑為乙稀基二乙氧基娃燒。該娃燒偶聯劑的沸點低，不需很高的溫度即可從液相轉為氣相，從而無需苛刻的條件亦可實現對納米粒子的包覆。
[0009]上述的超疏水木材，優(yōu)選的，所述微納米級溝槽的尺寸為10nm?5 μ m，所述納米級突起的尺寸為20nm?10nm0
[0010]作為一個總的發(fā)明構思，本發(fā)明還提供一種上述的超疏水木材的制備方法，包括以下步驟:
[0011]I)對木材進行堿處理；
[0012]2)將反應液經數次氣相沉積反應沉積在堿處理后的木材表面，直到木材表面滾動角低于10°，即得到所述超疏水木材；
[0013]其中每次氣相沉積反應過程中木材與反應液的體積比為1:0.5?1:2 ;所述反應液是由0.2?0.5重量份納米粒子、2?5體積份硅烷偶聯劑和40?80體積份無水乙醇，并經超聲震蕩后形成分散均勻的溶液，所述重量份和體積份的單位比例對應關系為g/ml。
[0014]上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟I)中，木材堿處理的具體操作方法為:將木材浸泡于堿溶液中18h?24h后，然后將堿溶液浸泡后的木材放入去離子水中用超聲波清洗5?15min，最后對清洗后的木材進行真空干燥。采用堿溶液液浸泡處理木材，使木材表面暴露更多的羥基基團，該基團引導納米粒子在木材表面形核和生長。
[0015]上述的制備方法，優(yōu)選的，所述堿溶液為lwt%? wt7%的氫氧化鈉溶液或lwt%? wt7%的氫氧化鉀溶液。堿溶液的濃度在lwt%? wt7%之間時處理木材可使堿溶液的反應活性、滲透性提高至最優(yōu)，從而有利于制備具有一定深度的、在木材內部及表面沉積的超疏水物質。
[0016]上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟2)中，氣相沉積反應的具體操作方法為:將堿處理后的木材和反應液放入稱量瓶中，并將稱量瓶置于廣口瓶中，封蓋后于鼓風干燥箱中，加熱進行反應，待反應液完全轉為氣體即完成反應。將半密封態(tài)的廣口瓶放入鼓風干燥箱中加熱，反應液中的液體吸熱變?yōu)闅怏w分子，同時帶走納米粒子，氣體分子在高溫下激烈運動，相互碰撞，從而避免納米粒子間團聚；同時硅烷偶聯劑發(fā)生水解、縮聚并包覆在納米粒子表面，發(fā)生有序排列并沉積到木材基底，硅烷偶聯劑的引入不僅引進低表面能基團硅烷基，而且起到阻礙納米粒子團聚的作用。被包覆的納米粒子有序排列并沉積在木材基底，構建出具有低表面能的微納米級粗糙結構，賦予木材水滴接觸角達150°?156°，滾動角小于4°的超疏水功能。其中，稱量瓶起到控制液體表面積的作用，半密封態(tài)的廣口瓶可控制液體表面上的氣流速度，二者協同作用調節(jié)反應液的蒸發(fā)速率。進一步的，所述稱量瓶與廣口瓶的體積比為1:7?I:30o
[0017]上述的制備方法，優(yōu)選的，所述鼓風干燥箱的溫度控制為80°C?130°C，加熱進行反應的時間為Ih?3h。進一步優(yōu)選的，鼓風干燥箱的溫度控制為90°C?130°C，加熱進行反應的時間為Ih?2h。
[0018]上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟2)中，超聲震蕩的時間為30min?60min。
[0019]上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟2)中，氣相沉積反應沉積的次數為I?4次。隨著沉積次數的增多，木材表面納米粒子的沉積密度越大，動態(tài)接觸角越小。
[0020]與現有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0021]I)本發(fā)明的超疏水木材制備方法具有步驟簡單、反應條件易于實現、制備周期短的特點，并且可以在橫切面、徑切面、弦切面進行大面積制備，這是因為堿液處理使木材三個表面暴露更多活性基團，增強了反應活性；無需后續(xù)修飾，無需后續(xù)清洗、干燥試件，能源消耗少，反應流程短，制備效率高，成本較低，清潔無污染，一步解決因木材親水特性導致的尺寸變形、材質降等、應用受限等技術難題。
[0022]2)本發(fā)明的超疏水木材具有強耐磨性，在8kPa的外力下對超疏水木材表面進行膠帶剝離實驗后，超疏水木材的接觸角仍高于150° ;使用刀片在超疏水木材表面垂直纖維方向摩擦數次至刮掉一定厚度的木材(6?8mg/cm2)，其表面仍具有超疏水性能。本發(fā)明制備的超疏水木材的超疏水性能并非停留在木材表面，而具有一定株度；超疏水木材表面磨損后，仍保持超疏水性能，賦予本發(fā)明的超疏水木材更大的實際應用意義。
[0023]3)本發(fā)明的超疏水木材中的復合膜層中的納米粒子為多種，且制備的超疏水木材均有一定的功能性，因而可以根據不同的使用條件制備不同的功能性超疏水木材，極為顯著地提高產品附加值，拓寬其使用范圍:例如采用納米S1jIj備的超疏水木材具有耐酸堿性，耐熱老化性，阻燃等性能；采用T1jIj備的超疏水木材具有良好的抗紫外線性能；采用ZnO制備的超疏水木材具有良好的防蟻特性；采用Fe3O4制備的超疏水木材具有磁性。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明實施例1超疏水木材表面的掃描電鏡照片(SEM)。
[0025]圖2為未預處理木材為基底所構建膜層與本發(fā)明實施例1超疏水木材的表面復合膜層的傅里葉紅外光譜比較圖(FTIR)。
[0026]圖3為未預處理木材為基底所構建膜層的接觸角測試圖。
[0027]圖4為本發(fā)明實施例1超疏水木材表面復合膜層的接觸角測試圖。
【具體實施方式】
[0028]為了便于理解本發(fā)明，下文將結合說明書附圖和較佳的實施例對本發(fā)明作更全面、細致地描述，但本發(fā)明的保護范圍并不限于以下具體的實施例。
[0029]除非另有定義，下文中所使用的所有專業(yè)術語與本領域技術人員通常理解的含義相同。本文中所使用的專業(yè)術語只是為了描述具體實施例的目的，并不是旨在限制本發(fā)明的保護范圍。
[0030]除有特別說明，本發(fā)明中用到的各種試劑、原料均為可以從市場上購買的商品或者可以通過公知的方法制得的產品。
[0031]實施例1:
[0032]—種本發(fā)明的超疏水木材，其表面覆蓋有復合膜層，復合膜層是由乙烯基三乙氧基硅烷發(fā)生水解、縮聚包覆納米S12粒子，沉積形成；復合膜層通過羥基作用與木材之間產生化學鍵合；復合膜層含有均勾的200nm?4um微米級溝槽及30nm?60nm納米級突起，并自組裝有低表面能物質乙烯基三乙氧基硅烷。超疏水木材的水滴接觸角達154°，滾動角接近O。。
[0033]本實施例的超疏水木材的制備方法，包括以下步驟:
[0034]I)將鋸切好的木材[規(guī)格(LXRXT):1mmX3mmX 10mm]浸泡于1界1:%的氫氧化鈉溶液中24h，然后將浸泡后的木材放入去離子水中超聲清洗5min，再將清洗后的木材置于真空條件下干燥，最后將干燥后的放在室內環(huán)境下平衡。
[0035]2)稱取0.2g納米Si02、3ml乙烯基三乙氧基硅烷和50ml無水乙醇并混合，然后在超聲條件下震蕩30min制成分散均勻的反應液；