CN104493930A - 提高超疏水木材化学稳定性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了提高超疏水木材化学稳定性的方法，它属于木材表面功能化改性领域。方法：一、将无水乙醇、钛酸丁酯和冰醋酸混匀搅拌，逐滴滴加pH缓冲溶液，滴加完毕后室温下搅拌，静置；二、取工业碳酸钙溶解于去离子水中，室温下磁力搅拌，然后缓慢滴加二氧化钛前驱体溶液，磁力搅拌，静置，得到乳浊液；三、木材依次用去离子水、无水乙醇、去离子水冲洗；四、然后浸泡于乳浊液中，烘干；步骤五、重复步骤四的操作；步骤六、然后用60℃的硬脂酸乙醇溶液浸泡，干燥。本发明处理后的木材超疏水化学稳定性提高。

Description

提高超疏水木材化学稳定性的方法
技术领域
本发明属于木材表面功能化改性领域；具体涉及提高超疏水木材化学稳定性的方法。
背景技术
木材作为一种传统的材料，在建筑、家具等方面具有广泛的应用，对人类生活起着很大的支持作用。传统木材因其在与水长时间接触或者在湿度较高环境中放置时间较长等条件下，易发生腐蚀、霉变等现象，大大减少木材使用寿命，影响木材使用效能。因此，疏水木材的发明成为木材科研领域的迫切需求。超疏水木材，因水在其表面的静态接触角大于150°，滚动角小于10°，从而具有良好的疏水性能，使木材在防腐、自清洁、延长使用寿命等方面表现优异，成为人们热捧的对象。现有的疏水木材制备工艺，如利用蜂蜡处理木材，利用木材表面生成纳米无机粒子等普遍具有疏水表面化学性能欠佳(表面化学稳定性和耐久性欠佳)，使用寿命不长等缺陷，如何提高疏水木材的耐久性成为该研究领域的另一重要课题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种提高超疏水木材化学稳定性的方法。
本发明中提高超疏水木材化学稳定性的方法是通过下述步骤实现的：
步骤一、将30mL无水乙醇、10mL钛酸丁酯和2mL冰醋酸混匀搅拌，逐滴滴加pH缓冲溶液，所述pH缓冲溶液由0.5mL硝酸、10mL无水乙醇和3mL去离子水配制，滴加完毕后室温下搅拌1h，静置24h，得到二氧化钛前驱体溶液；
步骤二、取1g工业碳酸钙溶解于150mL去离子水中，室温下磁力搅拌0.5h，然后缓慢滴加20mL二氧化钛前驱体溶液，磁力搅拌3h，随后静置24h，得到乳浊液(乳浊液中碳酸钙0.4μm～1μm；二氧化钛10nm～50nm)；
步骤三、木材依次用去离子水、无水乙醇、去离子水冲洗；
步骤四、然后浸泡于步骤二获得的乳浊液中，烘干；
步骤五、重复步骤四的操作数次；
步骤六、然后用60℃的浓度为1.5％～2％(m/v)硬脂酸乙醇溶液浸泡，干燥，即实现了提高超疏水木材的化学稳定性的提高。
本发明的方法适用木材可以是松木、桦木、楸木、红橡、白橡、柞木、水曲柳、榆木、杨木等。
步骤一滴加速度为1～2滴/s。
步骤二滴加速度为≤1滴/s；目的是为了让二氧化钛前驱体溶液水解完全，并充分包覆在碳酸钙颗粒的表面。
步骤四所述的浸泡时间为24h。
步骤四在60℃条件下烘干0.5h～1h。
步骤五所述重复次数为3～4次。
步骤六所述的浸泡5h～6h。
步骤六在50～70℃条件下干燥1h～2h。
本发明的优点在于：
1、本发明的方法简单，只需要几步简单的浸泡便可以完成，不需要任何复杂的设备，原料易得，生产周期短，所有的反应过程的一个周期仅需72h便可完成。
2、处理后的木材具有不粘水性。本方法获得的超疏水木材因其与水接触角大于150°，滚动角小于10°，从而使其具有优异的疏水性能和良好的自清洁性能。
3、处理后的木材具有较好的耐久性。该方法制备的超疏水木材克服了以往制备的超疏水木材表面化学性能欠佳，使用寿命不长等缺陷，提高了超疏水木材的耐久性，具有良好的应用前景。
碳酸钙溶解于去离子水中，会在表面形成羟基结构。二氧化钛前驱体滴入水中，会进一步进行水解，从而在表面也形成羟基结构。进而，碳酸钙就可以和水解后的二氧化钛通过氢键键合在一起，形成稳定的二氧化钛包覆碳酸钙型微纳二级结构。当木材浸渍于溶液中后，包覆型微纳米粒子表面的羟基能与木材表面的羟基反应，起到氢键键合的作用，从而包覆型微纳米粒子能牢固的附着在木材表面。这就使得木材表面形成了稳定的粗糙结构——微纳二级结构，从而使超疏水木材的化学稳定性大幅提高。
4、本发明无需复杂的专用设备。
附图说明
图1是原始木材表面的低倍电镜照片(SEM)；
图2是原始木材表面的高倍电镜照片(SEM)；
图3是制得的超疏水木材表面的低倍电镜照片(SEM)；
图4是制得到的超疏水木材表面的高倍电镜照片(SEM)；
图5是制得的超疏水木材水接触角(155°)照片；
图6是pH值为1到14的水滴滴在超疏水木材表面所形成的水接触角变化曲线图；
图7是超疏水木材在紫外灯下照射不同时间(从0分钟到300分钟)所形成的水接触角变化曲线图；
图8是超疏水木材存储于不同时间(从0天到180天)后所形成的水接触角变化曲线图；
图9是原始木材以及超疏水木材宏观颜色对比照片，左侧是具体实施方式一方法处理后的杨木，右侧是未经处理的杨木(原始木材)。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式中提高超疏水木材化学稳定性的方法是通过下述步骤实现的：
步骤一、将30mL无水乙醇、10mL钛酸丁酯和2mL冰醋酸混匀搅拌，以1滴/s的速度滴加pH缓冲溶液，所述pH缓冲溶液由0.5mL硝酸、10mL无水乙醇和3mL去离子水配制，滴加完毕后室温下搅拌1h，静置24h，得到二氧化钛前驱体溶液；
步骤二、取1g工业碳酸钙溶解于150mL去离子水中，室温下磁力搅拌0.5h，然后以1滴/s的速度滴加20mL二氧化钛前驱体溶液，磁力搅拌3h，随后静置24h，得到乳浊液；
步骤三、杨木依次用去离子水、无水乙醇、去离子水冲洗；
步骤四、然后浸泡于步骤二获得的乳浊液中,浸泡时间为24小时，在60℃条件下烘干0.5h；
步骤五、重复步骤四的操作3次；
步骤六、然后用60℃的浓度为1.5％(m/v)硬脂酸乙醇溶液(硬脂酸溶于无水乙醇)浸泡6h，在70℃条件下干燥1h，即实现了提高超疏水木材的化学稳定性。
对本实施方式进行下述试验验证发明效果：
一、白度与色差，结果见表1：
表1是原始木材以及超疏水木材白度与色差分析表
从表1可以看出，超疏水木材单板较原始木材单板有轻微的发白现象，这是碳酸钙以及二氧化钛共同作用的结果(碳酸钙与二氧化钛均为纯白色)，其次，超疏水木材单板与原始木材单板在色差上有较为明显的区别，这主要是由二氧化钛反射部分自然光所造成。
二、扫描电镜：
图1和图2分别从不同放大倍数的扫描电镜下观察了原始杨木单板，发现原始杨木单板表面结构较为平滑，没有粗糙的微纳米结构，故而呈现出亲水的效果。
图3和图4分别从不同放大倍数的扫描电镜下观察了超疏水杨木单板，发现超疏水杨木单板表面结构粗糙，附着有微纳米尺度的二氧化钛包覆碳酸钙粒子，从而呈现出超疏水的效果。
三、接触角：
图5是超疏水杨木单板水接触角照片，说明制备的超疏水杨木单板能够呈现出良好的超疏水效果，并且水滴的接触角为155°。
图6展示了不同pH水滴滴于超疏水杨木单板表面的水接触角度数变化，从而可以看出只有在强酸(pH＝1)和强碱(pH＝12)的情况下，超疏水木材表面才呈现出疏水的效果，其他的pH条件下，均为良好的超疏水效果，证实了超疏水杨木单板化学的稳定性。
图7展示了超疏水杨木单板在不同时间紫外光照射下水接触角度数的变化，从而可以看出，紫外光照射对于超疏水杨木单板的影响是可以忽略不计的，紫外光照射并没有改变超疏水杨木单板的超疏水效果，证实了超疏水杨木单板化学的稳定性。
图8展示了超疏水杨木单板在不同存储时间下的水接触角度数变化，从而可以看出，存储时间并没有改变超疏水杨木单板的超疏水性，超疏水杨木单板在经过半年的贮存后依旧保持良好的超疏水效果，证实了超疏水杨木单板化学的稳定性。并且为以后日常生活使用提供了可能性。
四、颜色比对：
图9从宏观照片上展示了超疏水杨木单板与原始杨木单板颜色的差别，可以看出，超疏水杨木单板的颜色更加的饱和，同表1相对比，虽然白度有所增加，但是色度的改变更加的重要，使得超疏水杨木单板呈现出来的颜色让人感觉到更加的舒适。这种颜色的细微改变并不是单纯的发白，而是从宏观上呈现出乳白色，更易让人接受，也为以后实际生活中的应用提供了色彩的可靠性。
本实施方式方法简单，只需要几步简单的浸泡便可以完成，不需要任何复杂的设备，原料易得，生产周期短，所有的反应过程的一个周期仅需72h便可完成。
处理后的木材具有不粘水性。与水接触角大于150°，滚动角小于10°，从而使其具有优异的疏水性能和良好的自清洁性能。
处理后的木材具有较好的耐久性。碳酸钙溶解于去离子水中，会在表面形成羟基结构。二氧化钛前驱体滴入水中，会进一步进行水解，从而在表面也形成羟基结构。进而，碳酸钙就可以和水解后的二氧化钛通过氢键键合在一起，形成稳定的二氧化钛包覆碳酸钙型微纳二级结构。当木材浸渍于溶液中后，包覆型微纳米粒子表面的羟基能与木材表面的羟基反应，起到氢键键合的作用，从而包覆型微纳米粒子能牢固的附着在木材表面。这就使得木材表面形成了稳定的粗糙结构——微纳二级结构，从而使超疏水木材的化学稳定性大幅提高。

Claims (9)

1.提高超疏水木材化学稳定性的方法，其特征在于提高超疏水木材化学稳定性的方法是通过下述步骤实现的：
步骤一、将30mL无水乙醇、10mL钛酸丁酯和2mL冰醋酸混匀搅拌，逐滴滴加pH缓冲溶液，所述pH缓冲溶液由0.5mL硝酸、10mL无水乙醇和3mL去离子水配制，滴加完毕后室温下搅拌1h，静置24h，得到二氧化钛前驱体溶液；
步骤二、取1g工业碳酸钙溶解于150mL去离子水中，室温下磁力搅拌0.5h，然后缓慢滴加20mL二氧化钛前驱体溶液，磁力搅拌3h，随后静置24h，得到乳浊液；
步骤三、木材依次用去离子水、无水乙醇、去离子水冲洗；
步骤四、然后浸泡于步骤二获得的乳浊液中，烘干；
步骤五、重复步骤四的操作数次；
步骤六、然后用60℃的浓度为1.5％～2％(m/v)硬脂酸乙醇溶液浸泡，干燥，即实现了提高超疏水木材的化学稳定性。
2.根据权利要求1所述的提高超疏水木材化学稳定性的方法，其特征在于步骤三所述的木材为松木、桦木、楸木、红橡、白橡、柞木、水曲柳、榆木或杨木。
3.根据权利要求1所述的提高超疏水木材化学稳定性的方法，其特征在于步骤一滴加速度为1～2滴/s。
4.根据权利要求1所述的提高超疏水木材化学稳定性的方法，其特征在于步骤二滴加速度为≤1滴/s。
5.根据权利要求1所述的提高超疏水木材化学稳定性的方法，其特征在于步骤四所述的浸泡时间为24h。
6.根据权利要求1所述的提高超疏水木材化学稳定性的方法，其特征在于步骤四在60℃条件下烘干0.5h～1h。
7.根据权利要求1所述的提高超疏水木材化学稳定性的方法，其特征在于步骤五所述重复次数为3～4次。
8.根据权利要求1所述的提高超疏水木材化学稳定性的方法，其特征在于步骤六所述的浸泡时间为5h～6h。
9.根据权利要求1所述的提高超疏水木材化学稳定性的方法，其特征在于步骤六在50～70℃条件下干燥1h～2h。
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