CN104441091A - 一种利用3d打印技术制备超疏水木材的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用3D打印技术制备超疏水木材的方法，包括以下步骤：（1）以自然界中或人工构建的超疏水表面为模板，采用扫描电子显微镜对超疏水表面进行扫描，获得三维结构模型图；（2）将无机或有机纳米粒子分散于含低表面能有机物的溶液中进行改性处理，然后离心分离回收改性后的无机或有机纳米粒子，干燥，用作打印原料；（3）在锯材表面涂刷一层树脂或胶粘剂胶膜，进行预干；（4）将上述三维结构模型图导入3D打印机，以改性处理后的纳米粒子作为打印原料，对预干后的木材各个表面分别进行3D打印，对打印后制得的木材进行固化，即得到超疏水木材。本发明制备的超疏水木材具有良好的耐候性，方法工艺简单，适合工业化大面积生产。

Description

一种利用3D打印技术制备超疏水木材的方法

技术领域

本发明涉及3D打印领域，具体涉及利用3D打印技术制备超疏水木材的领域。

背景技术

3D打印，又称积层制造，属于快速成形技术的一种，它是一种通过读取数字模型文件，直接制造几乎任意形状三维实体的技术。3D打印技术使得模型或者零部件的生产、制作无需考虑生产工艺问题，可以快速打印出实物模型，从而缩短产品生产周期。因此，其在航天航海、生物医药、建筑设计、制造业等都有广阔的应用前景。

木材来源丰富，环保可再生，易于加工，广泛应用于社会经济建设与人类生活环境中。但木材由于其主要成分如纤维素、半纤维素等含有大量的吸水基团，表现出极强的吸水性，木材吸水后又容易被菌虫侵蚀、腐朽，产生尺寸变形等破坏，严重降低木材使用价值，限制使用范围，缩短使用寿命，导致木材资源大量浪费。如果赋予木材超疏水特性将显著提高木材的疏水能力，延长其使用寿命，节约木材资源，从而有利于环境保护。而现有的木材超疏水处理方法都需要复杂的工艺过程，处理周期长，成本高，如果能通过利用3D打印技术获得具有超疏水特性的木材，这对于本领域技术人员来说将具有革命性意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种利用3D打印技术制备超疏水木材的方法，该方法工艺简单、可大面积生产。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种利用3D打印技术制备超疏水木材的方法，包括以下步骤：

（1）以自然界中或人工构建的超疏水表面为模板，采用扫描电子显微镜对超疏水表面进行扫描，将扫描图片导入绘图软件获得三维结构模型图；

（2）将无机或有机纳米粒子分散于含低表面能有机物的溶液中进行改性处理，然后离心分离回收改性后的无机或有机纳米粒子，干燥，用作打印原料；

（3）锯切待处理木材，制得表面平整、光滑的锯材，然后在锯材表面涂刷一层树脂或胶粘剂胶膜，对涂胶后的木材进行预干；

（4）将上述三维结构模型图导入3D打印机（3D打印机可使用“喷墨”的方式。即使用打印机喷头将一层极薄的配置好的混合溶液喷涂基材上，此涂层然后被置于紫外线下进行处理。之后基材下降极小的距离，以供下一层堆叠上来，还可使用 “熔积成型”的技术，在喷头内装入配置好的混合液，然后通过沉积混合溶液的方式形成薄层。还可使用 “激光烧结”技术，将配置好的混合溶液喷撒在铸模托盘上形成一层极薄层，熔铸成指定形状，然后由喷出的液态粘合剂进行固化），以改性处理后的纳米粒子作为打印原料，对预干后的木材各个表面分别进行3D打印（3D打印过程即在基材上逐层构建微纳米结构的过程，通过将导入的模型切割成极薄层，甚至到单个粒子尺寸，然后通过累积打印，在基材将这些薄层堆积在基材上，最终形成类模型结构），对打印后制得的木材进行固化，即得到超疏水木材。

上述的制备超疏水木材的方法中，优选的，所述自然界中的超疏水表面为拥有超疏水特性的植物或昆虫表面。

上述的制备超疏水木材的方法中，优选的，所述超疏水表面为荷叶表面或芋头叶表面。

上述的制备超疏水木材的方法中，优选的，所述无机纳米粒子为直径为100~300nm的SiO₂、TiO₂或ZnO中的一种或多种混合纳米粒子，所述有机纳米粒子为聚苯乙烯或聚四氟乙烯纳米粒子。

上述的制备超疏水木材的方法中，优选的，所述含低表面能有机物的溶液中，其溶质为硬脂酸、乙烯基三乙氧基硅烷、全氟辛基三乙氧基硅烷或十八烷基三氯硅烷，溶剂为溶解前述溶质的醇类或醛类有机溶剂，溶质的质量分数为2%~10%。

上述的制备超疏水木材的方法中，优选的，所述改性处理过程中的温度为30~80℃，处理时间为1~4h，改性处理过程中同时利用超声波进行分散。

上述的制备超疏水木材的方法中，优选的，所述干燥为真空干燥，温度为40~80℃，时间为2~10h；所述树脂为酚醛树脂或环氧树脂，所述涂刷的方式为喷涂、辊涂或滴涂。

上述的制备超疏水木材的方法中，优选的，所述3D打印机设有一喷射孔，所述喷射孔装有孔径为10~100μm的喷嘴，且喷射时使用空气对打印原料加压，压力为0.2~0.7MPa。使喷射浓度及微粒释放量可控，分散均匀，最小每层打印厚度可达10μm。

上述的制备超疏水木材的方法中，优选的，所述喷嘴与木材间距离精度为10μm，所述喷嘴的平移精度为5μm。

上述的制备超疏水木材的方法中，优选的，所述固化的条件为紫外光固化、加热、微波或红外光固化。树脂预固化根据采用的树脂而定，固化温度为对应的最佳树脂固化温度。

本发明的有益效果为：本发明制备的超疏水木材具有良好的耐候性，无机纳米粒子对酸碱性液体及高低温都有良好的抵抗能力，同时通过引入树脂、胶粘剂等粘结力强的物质提高了纳米粒子与木材表面的机械结合强度。无机或有机纳米粒子与有机胶粘剂结合共同作用，在木材表面构建了高强、耐久型超疏水木材，并且本发明的方法工艺简单，适合工业化大面积生产。以疏水改性后的微纳米粒子为原料，模仿自然界超疏水表面来设计三维表面微观形貌结构，可以快速、大范围地在木材表面打印微纳米二级结构，从而获得具有超疏水特性的木材。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1

一种本发明的利用3D打印技术制备超疏水木材的方法，包括以下步骤：

步骤（1）：将采摘的新鲜荷叶，截取一块完好的表面，展平后采用高倍扫描电镜对荷叶表面微纳米结构进行扫描，将扫描图片导入绘图软件获得三维结构模型图，然后对模型图进行分层切割，将切割后的模型图倒入3D打印机，进行打印设置。3D打印机喷射孔装有孔径为10μm的喷嘴，且喷射时使用空气对打印原料加压，压力为0.2MPa，使喷射浓度及微粒释放量可控，分散均匀，最小每层打印厚度可达10μm；3D打印机喷嘴与木材间距离精度达10μm，喷嘴平移精度达5μm。

步骤（2）：将直径为80nm的TiO₂纳米粒子溶于质量分数为3%的乙烯基三乙氧基硅烷的无水乙醇溶液中，处理温度为50℃，采用超声波对纳米粒子溶液进行分散，分散1h后采用离心分离回收改性后的纳米粒子，然后40℃真空干燥10h，作为3D打印机原料。

步骤（3）：锯切待处理木材，制得表面平整、光滑的锯材，采用辊涂的方式在光滑的锯材表面覆盖一层酚醛树脂胶膜，对涂胶后的木材进行预干。

步骤（4）：以步骤（2）制得的低表面能纳米粒子作为打印原料，对预干后的木材各个表面分别进行3D打印，打印完成后在真空干燥箱内对处理表面进行干燥，60℃下干燥4h（即加热固化），加热固化成型后，即得高强耐光超疏水木材。该超疏水木材表面微观结构与荷叶一致，组成表面的物质为疏水性纳米TiO₂，类荷叶状微观结构与低表面能物质共同作用获得了水滴接触角大于150°，滚动角小于5°的超疏水木材。

实施例2

一种本发明的利用3D打印技术制备超疏水木材的方法，包括以下步骤：

步骤（1）：将采摘的新鲜芋头叶截取一块完好的表面，展平后采用高倍扫描电镜对芋头叶表面微纳米结构进行扫描，将扫描图片导入绘图软件获得三维结构模型图，然后对模型图进行分层切割，将切割后的模型图倒入3D打印机，进行打印设置。3D打印机喷射孔装有孔径为100μm的喷嘴，且喷射时使用空气对打印原料加压，压力为0.7MPa，使喷射浓度及微粒释放量可控，分散均匀，最小每层打印厚度可达10μm；3D打印机喷嘴与木材间距离精度达10μm，喷嘴平移精度达5μm。

步骤（2）：将直径为70nm的SiO₂纳米粒子溶于质量分数为2%的十八烷基三氯硅烷的无水乙醇溶液中，处理温度为60℃，采用超声波对纳米粒子溶液进行分散，分散1.5h后采用离心分离回收改性后的纳米粒子，然后60℃真空干燥6h，作为3D打印机原料。

步骤（3）：锯切待处理木材，制得表面平整、光滑的锯材，采用喷涂的方式在光滑的锯材表面覆盖一层环氧树脂胶膜，对涂胶后的木材进行预干。

步骤（4）：以步骤（2）制得的低表面能纳米粒子作为打印原料，对预干后的木材各个表面分别进行3D打印，打印完成后在真空干燥箱内对处理表面进行干燥，50℃下干燥6h（即加热固化），加热固化成型后，即得高强耐久型超疏水木材。该超疏水木材表面微观结构与芋头叶一致，组成表面的物质为疏水性纳米SiO₂，类芋头叶状微观结构与低表面能物质共同作用获得了水滴接触角大于150°，滚动角小于5°的超疏水木材。

实施例3

一种本发明的利用3D打印技术制备超疏水木材的方法，包括以下步骤：

步骤（1）：以疏水昆虫翅膀为模板（在其它实施例中，也可以用其它自然界中或人工构建的超疏水表面为模板），截取一块完好的疏水昆虫翅膀表面，展平后采用高倍扫描电镜对超疏水表面微纳米结构进行扫描，将扫描图片导入绘图软件获得三维结构模型图，然后对模型图进行分层切割，将切割后的模型图倒入3D打印机，进行打印设置。3D打印机喷射孔装有孔径为50μm的喷嘴，且喷射时使用空气对打印原料加压，压力为0.5MPa，使喷射浓度及微粒释放量可控，分散均匀，最小每层打印厚度可达10μm；3D打印机喷嘴与木材间距离精度达10μm，喷嘴平移精度达5μm。

步骤（2）：将直径为50nm的ZnO纳米粒子溶于质量分数为8%的硬脂酸的无水乙醇溶液中，处理温度为40℃，采用超声波对纳米粒子溶液进行分散，分散2h后采用离心分离回收改性后的纳米粒子，然后80℃真空干燥4h，作为3D打印机原料。

步骤（3）：锯切待处理木材，制得表面平整、光滑的锯材，采用喷涂的方式在光滑的锯材表面覆盖一层环氧树脂胶膜，对涂胶后的木材进行预干。

步骤（4）：将上述三维结构模型图导入3D打印机，以步骤（2）制得的低表面能纳米粒子作为打印原料，对预干后的木材各个表面分别进行3D打印，打印完成后在真空干燥箱内对处理表面进行干燥，80℃下干燥4h（即加热固化），加热固化成型后，即得高强防虫型超疏水木材。该超疏水木材表面微观结构与疏水昆虫翅膀表面一致，组成表面的物质为疏水性纳米ZnO，与低表面能物质共同作用获得了水滴接触角大于150°，滚动角小于5°的超疏水木材。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种利用3D打印技术制备超疏水木材的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）以自然界中或人工构建的超疏水表面为模板，采用扫描电子显微镜对超疏水表面进行扫描，将扫描图片导入绘图软件获得三维结构模型图；

（2）将无机或有机纳米粒子分散于含低表面能有机物的溶液中进行改性处理，然后离心分离回收改性后的无机或有机纳米粒子，干燥，用作打印原料；

（3）锯切待处理木材，制得表面平整、光滑的锯材，然后在锯材表面涂刷一层树脂或胶粘剂胶膜，对涂胶后的木材进行预干；

（4）将上述三维结构模型图导入3D打印机，以改性处理后的纳米粒子作为打印原料，对预干后的木材各个表面分别进行3D打印，对打印后制得的木材进行固化，即得到超疏水木材。

2.根据权利要求1所述的制备超疏水木材的方法，其特征在于，所述自然界中的超疏水表面为拥有超疏水特性的植物或昆虫表面。

3.根据权利要求2所述的制备超疏水木材的方法，其特征在于，所述超疏水表面为荷叶表面或芋头叶表面。

4.根据权利要求1所述的制备超疏水木材的方法，其特征在于，所述无机纳米粒子为直径为50~100nm的SiO₂、TiO₂或ZnO中的一种或多种混合纳米粒子，所述有机纳米粒子为聚苯乙烯或聚四氟乙烯纳米粒子。

5.根据权利要求1所述的制备超疏水木材的方法，其特征在于，所述含低表面能有机物的溶液中，其溶质为硬脂酸、乙烯基三乙氧基硅烷、全氟辛基三乙氧基硅烷或十八烷基三氯硅烷，溶剂为溶解前述溶质的醇类或醛类有机溶剂，溶质的质量分数为2%~10%。

6.根据权利要求1所述的制备超疏水木材的方法，其特征在于，所述改性处理过程中的温度为30~80℃，处理时间为1~4h，改性处理过程中同时利用超声波进行分散。

7.根据权利要求1~6中任意一项所述的制备超疏水木材的方法，其特征在于，所述干燥为真空干燥，温度为40~80℃，时间为2~10h；所述树脂为酚醛树脂或环氧树脂，所述涂刷的方式为喷涂、辊涂或滴涂。

8.根据权利要求1~6中任意一项所述的制备超疏水木材的方法，其特征在于，所述3D打印机设有一喷射孔，所述喷射孔装有孔径为10~100μm的喷嘴，且喷射时使用空气对打印原料加压，压力为0.2~0.7MPa。

9.根据权利要求8所述的制备超疏水木材的方法，其特征在于，所述喷嘴与木材间距离精度为10μm，所述喷嘴的平移精度为5μm。

10.根据权利要求1~6中任意一项所述的制备超疏水木材的方法，其特征在于，所述固化的条件为紫外光固化、加热、微波或红外光固化。