CN106426447B - 无污染提高木材耐候性能和双疏性能的处理方法 - Google Patents

无污染提高木材耐候性能和双疏性能的处理方法 Download PDF

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Abstract

无污染提高木材耐候性能和双疏性能的处理方法，本发明涉及一种木材表面的处理方法，它为了解决现有改善木材耐候性和双疏性的方法所用周期长、所用有机原料具有毒性的问题。处理方法：一、对木材进行等离子清洗；二、放入磁控溅射仪器中预溅射；三、通入氧气和氩气，钛单质辉光被氧化成二氧化钛离子后，先在功率为300～400W下溅射处理，然后调节功率为100～150W，继续粒子溅射处理，得到溅射有二氧化钛层的木材；四、浸泡到十八烷基三氯硅烷溶液中，最后干燥，完成无污染提高木材耐候性能和双疏性能的处理方法。本发明所用的溅射材料钛单质无毒，整个溅射处理时间大幅缩短，提高了木材耐候性能处理的效率。

Description

无污染提高木材耐候性能和双疏性能的处理方法
技术领域
本发明涉及一种改善木材耐候性能、抗菌性能和双疏性能的处理方法。
背景技术
木材暴露在室外的天然环境中，经受着紫外线的光化降解作用、雨水的淋溶作用、水解作用、湿胀与干缩作用、风荷的侵蚀与微生物的腐蚀作用等，日久天长，其表面的颜色首先发生变化，一般说来，原来材色浅的木材略微变深，材色深的略微变浅，木材表面的颜色渐渐变成灰色。通常的处理方法耗时长，一般需要2～3天，甚至可能需要一周的时间，所用化学试剂多污染大且不均匀，大部分需要干燥，在干燥过程中木材可能会产生开裂等现象。木材表面容易吸收水及油等液体，造成木材易发霉、腐坏且尺寸稳定性差。通常的处理方法需要化学刻蚀，所需的试剂污染较大且处理时间较长。
中国专利申请号为CN 201010256230.6，名称为《木材-有机-无机杂化复合材料的制备方法》的专利中公开了一种木材-有机-无机杂化复合材料的制备方法。其中所制备的方法中所使用的原料硅烷偶联剂易燃而且对眼睛和皮肤有刺激性，所用的聚合单体具有毒性，存在巨大安全隐患。且所需干燥的步骤较多，时间较长，木材在此过程中极易产生弯曲开裂的情况。
中国专利申请号为CN 201310557706.3，名称为《一种可交联氟硅树脂及其制备与在超双疏材料上的应用》的专利中公开了一种水分散性可交联氟硅树脂及其制备方法与在超双疏材料上的应用，其中采用了大量有机试剂，多种试剂均毒性较大，不利于大规模工业生产。
中国专利申请号为CN 201310475985.9，名称为《一种抗菌木材及其制备方法》的专利中公开了一种抗菌木材及其制备方法，其制备过程包括依次对木材进行浸渍处理、固化处理和干燥处理。该专利浸渍过程需要真空加压，且时间达到30多小时，存在一定危险性。整体制备时间需要几天的时间，且步骤较多，不易大规模生产。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有改善木材耐候性和双疏性的方法所用周期长、所用有机原料具有毒性的问题，而提供一种无污染提高木材耐候性能和双疏性能的处理方法。
本发明无污染提高木材耐候性能和双疏性能的处理方法按下列步骤实现：
一、将木材放置于等离子清洁仪管腔中，将管腔中抽至真空，通入氩气，打开电源在辉光状态下进行等离子清洗，得到清洗后的木材；
二、将清洗后的木材放入磁控溅射仪器中，抽至真空后通入氧气，打开装有钛单质的射频电源，预溅射1～2分钟，得到预溅射的木材；
三、钛单质辉光被氧化成二氧化钛离子后，打开磁控溅射靶头的遮盖门，先在真空度为8.3×10-6MPa～1.0×10-5MPa，功率为300～400W，氧气流量为5～7sccm，氩气流量为9～13sccm的条件下进行粒子溅射处理，溅射时间为1～3分钟，然后调节功率为100～150W，继续粒子溅射处理1～3分钟，得到溅射有二氧化钛层的木材；
四、将步骤三得到的溅射有二氧化钛的木材浸泡到十八烷基三氯硅烷溶液中2～4小时，取出后在空气下干燥，完成无污染提高木材耐候性能和双疏性能的处理方法。
本发明先将单质钛氧化成二氧化钛，然后使用磁控溅射将二氧化钛离子沉积到木材表面。木材变色的主要原因是在日光中的紫外线光化降解了木材的组成成分。而二氧化钛是一种n型半导体材料，可以吸收日光中波长小于或等于387.5nm的光(紫外线)使得价带的电子获得光子而跃迁至导带。本发明采用磁控溅射的方法将二氧化钛附着在木材表面，得到的木材表面的二氧化钛粒子附着均匀且粒子小，吸收紫外光的能力更强，从而提高了木材耐候性的能力。而十八烷基三氯硅烷包含一个具有18个碳原子的有机长链，所以其为低表面能物质，将其附着在木材表面后，其碳长链会向外排列，从而降低木材表面能，水和油在其表面不会浸润，达到超双疏的效果。
本发明所用的溅射材料钛单质无毒，整个溅射处理时间大幅缩短，提高了木材耐候性能处理的效率。
附图说明
图1为实施例一中步骤一所用杨木素材表面的SEM图；
图2为实施例一得到的溅射二氧化钛后的杨木表面的SEM图；
图3为实施例一得到的溅射二氧化钛后的杨木耐候性测试中红绿指数(△a)测试图；
图4为实施例一得到的溅射二氧化钛后的杨木耐候性测试中黄蓝指数(△b)的测试图；
图5为实施例一得到的溅射二氧化钛后的杨木耐候性测试中明度(△L)的测试图；
图6为实施例一得到的溅射二氧化钛后的杨木耐候性测试中总方差(△E)的测试图；
图7为实施例一步骤四得到的木材抗菌实验测试图；
图8为实施例一步骤四得到的提高耐候性能和双疏性能木材的水滴接触角测试图；
图9为实施例一步骤四得到的提高耐候性能和双疏性能木材的油滴接触角测试图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式无污染提高木材耐候性能的处理方法按下列步骤实施：
一、将木材放置于等离子清洁仪管腔中，将管腔中抽至真空，通入氩气，打开电源在辉光状态下进行等离子清洗，得到清洗后的木材；
二、将清洗后的木材放入磁控溅射仪器中，抽至真空后通入氧气，打开装有钛单质的射频电源，预溅射1～2分钟，得到预溅射的木材；
三、钛单质辉光被氧化成二氧化钛离子后，打开磁控溅射靶头的遮盖门，先在真空度为8.3×10-6MPa～1.0×10-5MPa，功率为300～400W，氧气流量为5～7sccm，氩气流量为9～13sccm的条件下进行粒子溅射处理，溅射时间为1～3分钟，然后调节功率为100～150W，继续粒子溅射处理1～3分钟，得到溅射有二氧化钛层的木材；
四、将步骤三得到的溅射有二氧化钛的木材浸泡到十八烷基三氯硅烷溶液中2～4小时，取出后在空气下干燥，完成无污染提高木材耐候性能和双疏性能的处理方法。
本实施方式步骤一主要作用是对木材表面进行清洗，采用等离子清洗的方式清洗效果更好。步骤二的主要作用为预溅射，溅射的粒子直径均匀。步骤三待预溅射中钛单质辉光被氧化成二氧化钛离子后考虑到木材表面粗糙，先采用大功率溅射再调小功率，有利于二氧化钛粒子与木材表面更好的结合。步骤四的主要作用是在木材表面粗糙的基础之上附着疏水材料，提高木材的疏水角度。
具体实施方式二：本实施方式和具体实施方式一不同的是步骤一所述的木材为杨木、落叶松、樟子松、水曲柳、橡胶木或竹材。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式和具体实施方式一或二不同的是步骤二所述氧气的纯度大于99.99％。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式和具体实施方式一至三之一不同的是步骤二控制预溅射的功率为200W～300W。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式和具体实施方式一至四之一不同的是步骤三在真空度为1.0×10-5MPa，功率为350W，氧气流量为6sccm，氩气流量为11sccm的条件下进行粒子溅射处理。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式和具体实施方式一至五之一不同的是步骤三所述氧气的纯度大于99.99％，氩气的纯度大于99.99％。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式和具体实施方式一至六之一不同的是步骤三调节功率为100W，继续粒子溅射处理2分钟。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式和具体实施方式一至七之一不同的是步骤三得到溅射有厚度为5～15微米二氧化钛层的木材。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式和具体实施方式一至八之一不同的是步骤四中十八烷基三氯硅烷溶液的质量浓度为3％～4％。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
本实施方式所述的十八烷基三氯硅烷溶液为水溶液。
具体实施方式十：本实施方式和具体实施方式一至九之一不同的是步骤四在空气下干燥25～36小时。其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
实施例一：本实施例无污染提高木材耐候性能的处理方法按下列步骤实施：
一、将杨木放置于等离子清洁仪管腔中，将管腔中抽至真空，通入氩气(纯度为99.999％)，打开电源在辉光状态下进行等离子清洗5分钟，得到清洗后的木材；
二、将清洗后的木材放入磁控溅射仪器中，抽至真空后通入氧气(纯度为99.999％)，打开装有钛单质的射频电源，预溅射2分钟，得到预溅射的木材；
三、钛单质辉光被氧化成二氧化钛离子后1min，打开磁控溅射靶头的遮盖门，先在真空度为1.0×10-5MPa，功率为350W，氧气流量为6sccm，氩气流量为11sccm的条件下进行粒子溅射处理，溅射时间为2分钟，然后调节功率为100W，继续粒子溅射处理2分钟，得到溅射有二氧化钛层的木材；
四、将步骤三得到的溅射有二氧化钛的木材浸泡到质量浓度为2％十八烷基三氯硅烷水溶液中3小时，取出后在空气下干燥24小时，完成无污染提高木材耐候性能和双疏性能的处理方法。
图2为溅射有二氧化钛层的杨木表面的SEM图，可以看出木材表面的纹孔等通道已全部被覆盖，镀层均匀，表面存在微纳米级别的突起。由图3-图6说明在老化试验箱中老化120小时后，其中a代表木材素材，b代表溅射有二氧化钛层的木材，处理后木材的亮度、红绿指数及蓝绿指数的变化幅度均小于木材素材。由图7颜色变化总方差可以看出，处理之后的木材的颜色变化仅为木材素材的三分之一，较大的增加了木材的耐候性能。
本实施例步骤四得到的提高耐候性能和双疏性能后的木材经抗菌实验测试木材抗大肠杆菌的性能得到了提升，将大肠杆菌涂布在培养基后将样品放在培养基上，在恒温恒湿箱中培养24小时，测得其抑菌环直径为20.5mm，而未经处理的木材抑菌环直径为零。
经过双疏测试处理后的木材达到超疏水和超疏油的标准，经测试水滴的接触角达到151°，油滴的接触角达到147°，未经处理的木材的接触角仅为68°。

Claims (9)

1.无污染提高木材耐候性能和双疏性能的处理方法，其特征在于是按下列步骤实现：
一、将木材放置于等离子清洁仪管腔中，将管腔中抽至真空，通入氩气，打开电源在辉光状态下进行等离子清洗，得到清洗后的木材；
二、将清洗后的木材放入磁控溅射仪器中，抽至真空后通入氧气，打开装有钛单质的射频电源，预溅射1～2分钟，得到预溅射的木材；
三、钛单质辉光被氧化成二氧化钛离子后，打开磁控溅射靶头的遮盖门，先在真空度为1.0×10-5MPa，功率为350W，氧气流量为6sccm，氩气流量为11sccm的条件下进行粒子溅射处理，溅射时间为1～3分钟，然后调节功率为100～150W，继续粒子溅射处理1～3分钟，得到溅射有二氧化钛层的木材；
四、将步骤三得到的溅射有二氧化钛的木材浸泡到十八烷基三氯硅烷溶液中2～4小时，取出后在空气下干燥，完成无污染提高木材耐候性能和双疏性能的处理方法。
2.根据权利要求1所述的无污染提高木材耐候性能和双疏性能的处理方法，其特征在于步骤一所述的木材为杨木、落叶松、樟子松、水曲柳或橡胶木。
3.根据权利要求1所述的无污染提高木材耐候性能和双疏性能的处理方法，其特征在于步骤二所述氧气的纯度大于99.99％。
4.根据权利要求1所述的无污染提高木材耐候性能和双疏性能的处理方法，其特征在于步骤二控制预溅射的功率为200W～300W。
5.根据权利要求1所述的无污染提高木材耐候性能和双疏性能的处理方法，其特征在于步骤三所述氧气的纯度大于99.99％，氩气的纯度大于99.99％。
6.根据权利要求1所述的无污染提高木材耐候性能和双疏性能的处理方法，其特征在于步骤三调节功率为100W，继续粒子溅射处理2分钟。
7.根据权利要求1所述的无污染提高木材耐候性能和双疏性能的处理方法，其特征在于步骤三得到溅射有厚度为5～15微米二氧化钛层的木材。
8.根据权利要求1所述的无污染提高木材耐候性能和双疏性能的处理方法，其特征在于步骤四中十八烷基三氯硅烷溶液的质量浓度为3％～4％。
9.根据权利要求1所述的无污染提高木材耐候性能和双疏性能的处理方法，其特征在于步骤四在空气下干燥25～36小时。
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