CN105563577A - 一种提高木材表面超疏水膜机械稳定性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于一种提高木材表面超疏水膜机械稳定性的方法，步骤是（1）在木材表面涂覆一层透明环氧树脂底层，填充木材表面坑洼结构，获得平滑表面；（2）配制二氧化硅纳米粒子/环氧树脂/三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十七氟癸基硅烷有机-无机复合涂膜溶液；（3）将上述复合溶液对预置环氧树脂底层的木材进行多次浸渍涂膜处理，获得足够的涂层厚度，加热固化，即得到超疏水木材。本发明能使经过该方法处理的木材具有高机械强度的超疏水表面，具有良好的机械稳定性和耐久性。该方法解决了以往方法制备的超疏水木材膜层机械稳定性较差、使用寿命较短的问题，操作简单，易于实现，成本低廉，可规模化生产，具有良好的应用前景。

Description

一种提高木材表面超疏水膜机械稳定性的方法
技术领域
本发明属于一种提高木材表面超疏水膜机械稳定性的方法。
背景技术
木材是一种可再生、可再循环利用和可自然降解的绿色材料和生物资源，它具有纹理美观、色泽天然、质感舒适、可塑性好、易于加工等优点。但木材也存在一些缺陷，如由于含水率的变化产生干缩、湿胀，从而引起构件尺寸及形状的变化和强度的降低，易霉变腐朽，易被虫菌蛀蚀，易燃烧等。目前，对木材防腐处理主要依靠于在木材表面涂防水防腐油漆，但油漆层与木材表面粘结性差，易脱落，效果仍不理想。
超疏水表面是一种水接触角大于150°，滚动角小于10°的表面。荷叶表面属于典型的超疏水表面，水滴在其表面容易滚动且能够带走表面附着的灰尘等杂质从而使其具备自清洁效果。
由于具备良好的疏水、自清洁、防污等功能，仿生超疏水表面制备技术的研究也成为热点。对于亲水性的木材而言，木材表面超疏水改性是获得集防水、防霉防腐、自清洁性能为一体的木材功能化改良新途径。
近年来，受“荷叶效应”的启示，国内外学者针对超疏水木材也开展了一些初步研究和探索。目前，制备超疏水木材表面的方法主要有溶胶凝胶法、水热法、化学气相沉积法以及其他方法（如湿化学法、等离子体法、表面接枝共聚）。虽然超疏水木材的制备方法很多，但有些方法如等离子体聚合、化学气相沉积法以及接枝共聚法所涉及的处理工艺复杂，所用设备或原料昂贵，使用成本高，超疏水表面寿命短，不耐磨，易污染，质量差，难于推广，难以实现超疏水木材的规模化制备和生产。此外，超疏水木材在实际应用中还必须考虑超疏水膜结构的机械稳定性、耐磨性等问题。目前，制备的超疏水木材表面膜层中无机纳米粒子（如SiO2纳米球、ZnO纳米棒）与木材表面大多是点接触，纳米粒子及其聚集体在外力作用下（摩擦、水洗）容易脱落；此外，外界环境中的灰尘、油性物质等容易污染超疏水表面，使其逐渐失去超疏水性能。超疏水膜的机械稳定性和稳定性一直是限制超疏水木材实际应用的“瓶颈”问题。因此，开发具有高机械强度的超疏水表面制备技术是超疏水木材得以推广应用的关键。
发明内容
本发明的目的是设计一种提高木材表面超疏水膜机械稳定性的方法,能使经过该方法处理的木材具有高机械强度的超疏水表面，具有操作简单，易于实现，制备和使用价格低廉，稳定性和耐久性好，耐机械磨擦和紫外光辐照，使用寿命长的优点。
为此,本发明的方法有如下步骤：
（1）在木材表面预制环氧树脂底层,包括,
以四氢呋喃为溶剂，配置质量百分比浓度为35%～45%的环氧树脂溶液；
去除木材表面的杂质和污染物；
将木材在103±2℃下干燥5h；
用环氧树脂溶液对木材进行浸渍涂膜，浸渍涂膜时间为10～15min，重复3次，再将浸渍涂膜处理后的木材在75℃～85℃温度下，烘干固化，获得带环氧树脂底层的木材；
（2）配制二氧化硅纳米粒子/环氧树脂/三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十七氟癸基硅烷有机-无机复合涂膜溶液；
将粒径10～20nm的二氧化硅纳米粒子分散于四氢呋喃溶剂中，每克纳米二氧化硅溶于75～85ml四氢呋喃溶剂中，并添加质量为二氧化硅1~2倍的三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十七氟癸基硅烷，在50～60℃条件下磁力搅拌2h，得到溶液A；
将质量为纳米二氧化硅1～2倍的环氧树脂溶于四氢呋喃溶剂中，以每克环氧树脂用10～15ml四氢呋喃溶剂计，磁力搅拌20～25min，得到溶液B；
将溶液A与溶液B混合，得混合液，在混合液中添加与环氧树脂等质量的三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十七氟癸基硅烷，并超声分散1～1.5h，得到溶液C；
将占环氧树脂质量13%的固化剂溶于四氢呋喃溶剂中，以每克固化剂用90～110ml四氢呋喃溶剂计，磁力搅拌20～25min得到溶液D；
将溶液C与溶液D混合，在低温5～6°C下，超声分散0.5～1h，获得疏水二氧化硅纳米粒子/环氧树脂/三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十七氟癸基硅烷有机-无机复合涂膜溶液；
（3）将带环氧树脂底层的木材置于涂膜溶液中进行浸渍处理，处理时间10～12min，取出后在空气中晾干10～20min，再置入涂膜溶液中进行第二次浸渍涂膜处理，共重复浸渍涂膜处理10次，而后将浸渍涂膜处理的木材放入80℃烘箱中干燥3h，即得到超疏水性木材；
或用喷枪对带环氧树脂底层的木材表面进行涂膜溶液的喷涂，喷枪与木材表面垂直，距离10～15cm，均匀喷涂5秒，待喷涂层自然晾干30s，再喷涂下一层，共重复喷涂8～10次，然后将喷涂处理后的木材放入80℃烘箱中干燥3h，即得到超疏水性木材。
所述的超疏水性木材表面构建了一层厚度为8-10μm的环氧树脂底层，填充木材表面的凹凸不平、坑洼结构。
所述的超疏水性木材表面的超疏水薄膜层，具有微米与纳米结构并存的双重粗糙结构，其中环氧树脂具有很强的粘黏性，使得二氧化硅纳米粒子及其聚集体与木材表面产生很强的结合力，赋予涂层良好的机械稳定性。
所述的超疏水性木材表面的超疏水薄膜层是采用多次浸渍涂膜的方式获得，膜层厚度为6-10μm。
所述的超疏水木材上的水滴在木材表面的接触角为152°～156°，滚动角小于5°。
上述方法达到了本发明的目的。
本发明能使经过该方法处理的木材具有高机械强度的超疏水表面，具有操作简单，易于实现，制备和使用价格低廉，稳定性和耐久性好，耐机械磨擦和紫外光辐照，使用寿命长的优点。
本发明使木材表面具超疏水薄膜层，是表面具有微米与纳米结构并存的双重粗糙结构，膜层厚度为6～10μm，其中环氧树脂具有很强的粘黏性，使得SiO2纳米粒子及其聚集体与木材表面产生很强的结合力，赋予涂层良好的稳定性；氟化硅烷（FAS）具有极低的表面自由能，可以确保涂层的疏水性能。水滴在木材表面的接触角为152°-156°，滚动角小于5°。
本发明的木材表面超疏水薄膜层，在承载5kPa压力的情况下，经过1500目砂纸反复磨擦10次（每次磨擦距离25cm），超疏水膜层的双重粗糙结构及其化学组成基本不变。超疏水性能依然保持良好（静态接触角大于150°，滚动角小于6°），制备的超疏水膜层具有良好的机械稳定性。此外，制备的超疏水薄膜层能抵抗锋利刀片反复刻划，手指触摸、摁压，喷水冲击以及紫外光辐照等多种破坏处理，依然保持良好的超疏水性能。
本发明用于改善木材表面超疏水膜机械稳定性的方法，操作简单，易于实现。所用的环氧树脂是广泛常用的聚合物材料，价格低廉，粘结强度高，稳定性较好。该方法克服了以往方法制备的超疏水木材膜层机械稳定性较差、使用寿命较短的问题，制备的超疏水木材可耐机械磨擦（如手指触摸、砂纸磨损）以及紫外光辐照，具有良好的机械稳定性和耐久性，使得疏水木材的实际应用成为可能；采用喷涂技术可以实现超疏水木材的规模化生产，具有良好的工业化应用前景。
本发明制备的木材由于具有良好的疏水、自清洁、防污等性能，超疏水木材可以应用于浴室内装修、园林景观建筑、木栅栏、露台地板等场合，市场前景广阔。
具体实施方式
一种提高木材表面超疏水膜机械稳定性的方法，步骤如下：
（1）在木材表面预制环氧树脂底层,包括,
以四氢呋喃为溶剂，配置质量百分比浓度为35%～45%的环氧树脂溶液；
去除木材表面的杂质和污染物；
将木材在103±2℃下干燥5h；
用环氧树脂溶液对木材进行浸渍涂膜，浸渍涂膜时间为10～15min，重复3次，再将浸渍涂膜处理后的木材在75℃～85℃温度下，烘干固化，获得带环氧树脂底层的木材；
（2）配制二氧化硅纳米粒子/环氧树脂/三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十七氟癸基硅烷有机-无机复合涂膜溶液；
将粒径10～20nm的二氧化硅纳米粒子分散于四氢呋喃溶剂中，每克纳米二氧化硅溶于75～85ml四氢呋喃溶剂中，并添加质量为二氧化硅1~2倍的三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十七氟癸基硅烷，在50～60℃条件下磁力搅拌2h，得到溶液A；
将质量为纳米二氧化硅1～2倍的环氧树脂溶于四氢呋喃溶剂中，以每克环氧树脂用10～15ml四氢呋喃溶剂计，磁力搅拌20～25min，得到溶液B；
将溶液A与溶液B混合，得混合液，在混合液中添加与环氧树脂等质量的三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十七氟癸基硅烷，并超声分散1～1.5h，得到溶液C；
将占环氧树脂质量13%的固化剂溶于四氢呋喃溶剂中，以每克固化剂用90～110ml四氢呋喃溶剂计，磁力搅拌20～25min得到溶液D；
将溶液C与溶液D混合，在低温5～6°C下，超声分散0.5～1h，获得疏水二氧化硅纳米粒子/环氧树脂/三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十七氟癸基硅烷有机-无机复合涂膜溶液；
（3）将带环氧树脂底层的木材置于涂膜溶液中进行浸渍处理，处理时间10～12min，取出后在空气中晾干10～20min，再置入涂膜溶液中进行第二次浸渍涂膜处理，共重复浸渍涂膜处理10次，而后将浸渍涂膜处理的木材放入80℃烘箱中干燥3h，即得到超疏水性木材；
或用喷枪对带环氧树脂底层的木材表面进行涂膜溶液的喷涂，喷枪与木材表面垂直，距离10～15cm，均匀喷涂5秒，待喷涂层自然晾干30s，再喷涂下一层，共重复喷涂8～10次，然后将喷涂处理后的木材放入80℃烘箱中干燥3h，即得到超疏水性木材。
所述的超疏水性木材表面构建了一层厚度为8-10μm的环氧树脂底层，填充木材表面的凹凸不平、坑洼结构，避免了木材基底本身带来的问题。
所述的木材表面超疏水薄膜，具有微米与纳米结构并存的双重粗糙结构，其中环氧树脂具有很强的粘黏性，使得二氧化硅纳米粒子及其聚集体与木材表面产生很强的结合力，赋予涂层良好的机械稳定性。
所述的木材表面超疏水薄膜是采用多次浸渍涂膜的方式获得，膜层厚度为6-10μm，以确保涂层具有持续、稳定的超疏水性能。
所述的超疏水木材上的水滴在木材表面的接触角为152°～156°，滚动角小于5°。
所述的超疏水木材，在承载5kPa压力的情况下，经过1500目砂纸反复磨擦10次（每次磨擦距离25cm），超疏水膜的双重粗糙结构及其化学组成基本不变，超疏水性能依然保持良好（静态接触角大于150°，滚动角小于6°）。
制备的超疏水薄膜能抵抗锋利刀片反复刻划，手指触摸、摁压，喷水冲击以及紫外光辐照等多种破坏处理，依然保持良好的超疏水性能。
实施例1：
以四氢呋喃（THF）为溶剂，配置浓度为40%的环氧树脂溶液，用于在木材表面构建环氧树脂底层。将尺寸为20mm×20mm×20mm(径向×纵向×弦向)的木块置入无水乙醇中，超声清洗10min，去除木材表面的杂质和污染物，然后在103℃下干燥5h。采用以上环氧树脂溶液对木材进行浸渍涂膜，浸渍涂膜时间为10min，重复3次，并于80°C下烘干固化。
将0.5g二氧化硅（SiO2）纳米粒子（粒径10-20nm）分散于40ml四氢呋喃（THF）中，并添加1g三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十七氟癸基硅烷（FAS），在50℃条件下磁力搅拌2h，得到溶液A。
将1g环氧树脂溶于10ml四氢呋喃中，磁力搅拌20min得到溶液B。
将溶液A与溶液B混合，并添加1g三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十七氟癸基硅烷，并超声分散1h，得到溶液C。
将0.13g固化剂溶于10ml四氢呋喃中，磁力搅拌20min得到溶液D。
将溶液C与溶液D混合，在6°C低温下，超声分散1h，得到涂膜溶液。
将预置环氧树脂底层的木材置于以上涂膜溶液中进行浸渍处理，处理时间10min，取出后空气中晾干15min，重复浸渍涂膜10次，然后将处理木材放入80℃烘箱中干燥3h，即得到超疏水木材。
制备的超疏水木材在承载5kPa压力的情况下，经过1500目砂纸反复磨擦10次（每次磨擦距离25cm），超疏水性能依然保持良好，水滴在木材表面的接触角约153°，滚动角约5°，超疏水膜具有良好的机械稳定性。
实施例2：按实施例1的操作方法与步骤，将浸渍涂膜处理方式改为喷涂。喷枪与木材表面垂直，距离10-15cm，喷涂5秒，待涂层自然晾干30s，再喷涂下一层，共喷涂10次，然后将喷涂处理木材放入80℃烘箱中干燥3h，同样获得具有良好机械稳定性的超疏水膜。超疏水木材经过砂纸反复磨擦10次后，其超疏水性能依然保持，水滴在木材表面的接触角约152°，滚动角约为8°。
总之，本发明能使经过该方法处理的木材具有高机械强度的超疏水表面，具有操作简单，易于实现，制备和使用价格低廉，稳定性和耐久性好，耐机械磨擦和紫外光辐照，使用寿命长的优点。

Claims (5)

1.一种提高木材表面超疏水膜机械稳定性的方法,其特征在于：步骤如下,
（1）在木材表面预制环氧树脂底层,包括,
以四氢呋喃为溶剂，配置质量百分比浓度为35%～45%的环氧树脂溶液；
去除木材表面的杂质和污染物；
将木材在103±2℃下干燥5h；
用环氧树脂溶液对木材进行浸渍涂膜，浸渍涂膜时间为10～15min，重复3次，再将浸渍涂膜处理后的木材在75℃～85℃温度下，烘干固化，获得带环氧树脂底层的木材；
（2）配制二氧化硅纳米粒子/环氧树脂/三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十七氟癸基硅烷有机-无机复合涂膜溶液；
将粒径10～20nm的二氧化硅纳米粒子分散于四氢呋喃溶剂中，每克纳米二氧化硅溶于75～85ml四氢呋喃溶剂中，并添加质量为二氧化硅1~2倍的三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十七氟癸基硅烷，在50～60℃条件下磁力搅拌2h，得到溶液A；
将质量为纳米二氧化硅1～2倍的环氧树脂溶于四氢呋喃溶剂中，以每克环氧树脂用10～15ml四氢呋喃溶剂计，磁力搅拌20～25min，得到溶液B；
将溶液A与溶液B混合，得混合液，在混合液中添加与环氧树脂等质量的三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十七氟癸基硅烷，并超声分散1～1.5h，得到溶液C；
将占环氧树脂质量13%的固化剂溶于四氢呋喃溶剂中，以每克固化剂用90～110ml四氢呋喃溶剂计，磁力搅拌20～25min得到溶液D；
将溶液C与溶液D混合，在低温5～6°C下，超声分散0.5～1h，获得疏水二氧化硅纳米粒子/环氧树脂/三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十七氟癸基硅烷有机-无机复合涂膜溶液；
（3）将带环氧树脂底层的木材置于涂膜溶液中进行浸渍处理，处理时间10～12min，取出后在空气中晾干10～20min，再置入涂膜溶液中进行第二次浸渍涂膜处理，共重复浸渍涂膜处理10次，而后将浸渍涂膜处理的木材放入80℃烘箱中干燥3h，即得到超疏水性木材；
或用喷枪对带环氧树脂底层的木材表面进行涂膜溶液的喷涂，喷枪与木材表面垂直，距离10～15cm，均匀喷涂5秒，待喷涂层自然晾干30s，再喷涂下一层，共重复喷涂8～10次，然后将喷涂处理后的木材放入80℃烘箱中干燥3h，即得到超疏水性木材。
2.按权利要求1所述的一种提高木材表面超疏水膜机械稳定性的方法,其特征在于：所述的超疏水性木材表面构建了一层厚度为8-10μm的环氧树脂底层，填充木材表面的凹凸不平、坑洼结构。
3.按权利要求1所述的一种提高木材表面超疏水膜机械稳定性的方法,其特征在于：所述的超疏水性木材表面的超疏水薄膜层，具有微米与纳米结构并存的双重粗糙结构，其中环氧树脂具有很强的粘黏性，使得二氧化硅纳米粒子及其聚集体与木材表面产生很强的结合力，赋予涂层良好的机械稳定性。
4.按权利要求1所述的一种提高木材表面超疏水膜机械稳定性的方法,其特征在于：所述的超疏水性木材表面的超疏水薄膜层是采用多次浸渍涂膜的方式获得，膜层厚度为6-10μm。
5.按权利要求1所述的一种提高木材表面超疏水膜机械稳定性的方法,其特征在于：所述的超疏水木材上的水滴在木材表面的接触角为152°～156°，滚动角小于5°。
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