CN112045808A - 一种仿生超疏水性木材及其制备方法 - Google Patents

一种仿生超疏水性木材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用纳米粒子和疏水剂构建仿生超疏水性木材及其制备方法，超疏水性木材的制备步骤如下：(1)在木材表面涂覆一层聚多巴胺涂层；(2)使用硅烷偶联剂、纳米粒子与交联剂在涂覆聚多巴胺涂层的木材表面构建微纳米粗糙结构；(3)使用疏水剂物质对改性木材进行低表面功能化处理；超疏水性木材的水接触角达150～160°，且具备稳固、耐受的优良性能。本发明的优点在于：本发明的方案设计合理，能够简单高效地在木材表面构建微纳米粗糙结构及引入疏水基团，所制备的超疏水性木材具备优良的超疏水性、稳固性以及耐受性，并且通过仿生的方法给未来的发展提供新思路，该制备工艺简单、能耗低，具有良好的经济效应。

Description

一种仿生超疏水性木材及其制备方法
技术领域
本发明属于木材改性领域，具体涉及一种仿生超疏水性木材及其制备方法。
背景技术
一直以来，人类的生活离不开木材的使用，木材作为使用历史最为悠久，文化底蕴最为丰富的天然可再生材料，具备独特的使用价值及优良的可持续利用性，被广泛运用在木结构建筑设计、室内外装饰和家具生产制造等领域。然而，木材属于多孔性材料，其组成物质纤维素与半纤维素含有大量的亲水性羟基，容易吸水破坏，真菌腐朽，极大地限制了木材的推广使用，因此，对木材进行疏水化处理引起了广大研究人员的注意。
基于仿生“荷叶效应”，在木材表面均匀地负载一定层数的无机纳米粒子，增加粗糙度的同时也在液体与固体间形成微小空腔，因液体与空气间高达180°的接触角，捕捉的空气可赋予木材表面一定的疏水特性。疏水剂物质常用的就是引入硅氧烷类和含氟聚合物。通过化学手段进行改性，从而阻止羟基与氢键形成作用，主要是将木材中天然的羟基转化成疏水的乙酰基，同时可产生酯的增容效应，提高了木材的尺寸稳定性。
对于超疏水性木材的构建，中国专利申请201510260258.X公开了一种超疏水木材，其表面覆盖有复合膜层，复合膜层是由硅烷偶联剂发生水解、缩聚后包覆纳米粒子，沉积形成；复合膜层通过羟基作用与木材之间产生化学键合；复合膜层含有均匀的微米级沟槽及纳米级突起，并自组装有低表面能物质；超疏水木材的水滴接触角达150°～156°，滚动角小于4°，该发明的超疏水木材耐水性能强，制备方法步骤比较简单。
此外，中国专利发明申请201610634795.0公开一种超疏水木材及其制备方法。该制备方法为：木材原料经过两级浸泡；其中，第一处理液为马来松香或马来松香和AlCl3溶解于乙醇中所得的溶液，第二处理液为钛酸四丁酯、氨水、去离子水和无水乙醇的混合溶液，处理结束后得到所述超疏水木材。该方法制备的木材具有良好超疏水性，且制备工艺简单，具有良好经济效益和极大推广应用价值。但上述的中国专利申请实验方案的纳米粒子均无法在木材表面实现稳固粘附。
发明内容
针对现有超疏水性木材构建存在的不足，本发明目的在于提供一种稳固、耐受的仿生超疏水性木材及其制备方法，制备步骤如下：
(1)在木材表面涂覆一层聚多巴胺涂层；
(2)使用硅烷偶联剂、纳米粒子与交联剂在涂覆聚多巴胺涂层的木材表面构建微纳米粗糙结构；
(3)使用疏水剂物质对改性木材进行低表面能处理。
步骤(1)中，在木材表面涂覆聚多巴胺涂层的工艺为，清洗干燥后的木材置于反应釜中，按质量百分比添加0.1％～0.5％的盐酸多巴胺溶液，用三羟甲基氨基甲烷(Tris)调节溶液的pH为8.5～9，在温度为50～60℃下反应15～20小时，后取出在无水乙醇溶液中清洗一遍，去离子水清洗两遍，并于80℃恒温干燥箱中干燥24小时，得到涂覆聚多巴胺涂层的木材。
步骤(2)中，硅烷偶联剂、纳米粒子与交联剂在涂覆聚多巴胺涂层的木材表面构建微纳米粗糙结构的工艺为，将步骤(1)所得木材置于反应釜中，添加纳米粒子0.5～5份，95％的乙醇溶液80份，偶联剂1～5份，反应温度为70～80℃，一定时间后添加交联剂5～10份，继续反应2～5小时，完成后用无水乙醇清洗3遍晾干得到表面构建微纳米粗糙结构的聚多巴胺涂层木材。
步骤(3)中，疏水剂物质对改性木材进行低表面能处理的工艺为，将步骤(2)中的木材置于浓度为1％～5％的疏水剂/正己烷溶液，在室温下搅拌1～5小时，取出正己烷清洗3遍自然风干，得到超疏水性木材。
所述步骤(1)中的木材为樟子松、马尾松、银杉以及云杉其中一种。
所述步骤(2)的偶联剂为分子结构式带氨基的3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)。
所述步骤(2)的纳米粒子为纳米二氧化硅、纳米二氧化钛以及三氧化铝其中一种。
所述步骤(2)的交联剂为乙二醇二缩水甘油醚(EGDE)、环氧氯丙烷(ECH)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)以及丙三醇二缩水甘油醚(PTGE)其中一种
所述步骤(2)的添加交联剂的时间为反应2～5小时后。
所述步骤(3)的疏水剂为十八烷基三氯硅烷(OTS)、乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)以及十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)其中一种。
本发明的基本原理为，KH550改性后的纳米二氧化硅与涂覆聚多巴胺层的木材在EGDE的开环聚合作用下，实现了粒子物质间化学键的紧密结合，使得纳米二氧化硅得以稳固粘附在木材表面。
本发明的优点在于：本发明的一种仿生超疏水性木材及其制备方法，设计合理，能够简单高效地在木材表面构建微纳米粗糙结构及引入疏水基团，所制备的超疏水性木材具备优良的超疏水性、稳固性以及耐受性，并且通过仿生的方法给未来的发展提供新思路，该制备工艺简单、能耗低，具有良好的经济效应。
附图说明
图1为本发明实施例1超疏水性木材的构建机理图。
图2为本发明实施例1超疏水性木材的宏观图片及接触角图片。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明的具体实施方式作详细说明，所举实例仅用于解释本发明，并不限制本发明的使用范围。在以下实施例子中，单一溶液浓度为质量百分比，多种物质混合为重量份。
实施例1：
(1)木材表面聚多巴胺涂层的涂覆
清洗干燥处理后的木材置于400g质量百分比浓度为0.2％的盐酸多巴胺溶液中，用Tris调节溶液的pH为8.5，在水浴温度60℃下搅拌时间20小时，反应结束后用无水乙醇清洗一遍，去离子水清洗两遍，并于80℃恒温干燥箱中干燥24小时，得到涂覆聚多巴胺涂层的木材。
(2)硅烷偶联剂、纳米粒子与交联剂在涂覆聚多巴胺涂层的木材表面微纳米粗糙结构的构建
将步骤(1)所得木材置于反应釜中，添加纳米粒子2份，95％的乙醇溶液86份，偶联剂2份，反应温度为80℃，反应4个小时后添加交联剂EDGE 10份，继续反应4小时，完成后用无水乙醇清洗3遍晾干得到表面构建微纳米粗糙结构的聚多巴胺涂层木材。
(3)疏水剂物质对改性木材进行的低表面能处理
将步骤(2)所得的木材置于50g质量百分比浓度为2％的OTS/正己烷溶液，在室温下搅拌2小时后取出，使用正己烷清洗3遍自然风干，得到超疏水性木材。
实施例2：
(1)木材表面聚多巴胺涂层的涂覆
清洗干燥处理后的木材置于400g质量百分比浓度为0.2％的盐酸多巴胺溶液中，用Tris调节溶液的pH为9，在水浴温度60℃下搅拌时间10小时，反应结束后用无水乙醇清洗一遍，去离子水清洗两遍，并于80℃恒温干燥箱中干燥24小时，得到涂覆聚多巴胺涂层的木材。
(2)硅烷偶联剂、纳米粒子与交联剂在涂覆聚多巴胺涂层的木材表面微纳米粗糙结构的构建
将步骤(1)所得木材置于反应釜中，添加纳米粒子1份，95％的乙醇溶液87份，偶联剂2份，反应温度为80℃，反应4个小时后添加交联剂EDGE 10份，继续反应4小时，完成后用无水乙醇清洗3遍晾干得到表面构建微纳米粗糙结构的聚多巴胺涂层木材。
(3)疏水剂物质对改性木材进行的低表面功能化处理
将步骤(2)所得的木材置于50g质量百分比浓度为2％的HDTMS/正己烷溶液，在室温下搅拌2小时后取出，使用正己烷清洗3遍自然风干，得到超疏水性。
实施例3：
(1)木材表面聚多巴胺涂层的涂覆
清洗干燥处理后的木材置于400g质量百分比浓度为0.2％的盐酸多巴胺溶液中，用Tris调节溶液的pH为8.5，在水浴温度60℃下搅拌时间20小时，反应结束后用无水乙醇清洗一遍，去离子水清洗两遍，并于80℃恒温干燥箱中干燥24小时，得到涂覆聚多巴胺涂层的木材。
(2)硅烷偶联剂、纳米粒子与交联剂在涂覆聚多巴胺涂层的木材表面微纳米粗糙结构的构建
将步骤(1)所得木材置于反应釜中，添加纳米粒子0.5份，95％的乙醇溶液87.5份，偶联剂2份，反应温度为80℃，反应4个小时后添加交联剂GMA 10份，继续反应4小时，完成后用无水乙醇清洗3遍晾干得到表面构建微纳米粗糙结构的聚多巴胺涂层木材。
(3)疏水剂物质对改性木材进行的低表面能处理
将步骤(2)所得的木材置于50g质量百分比浓度为2％的OTS/正己烷溶液，在室温下搅拌2小时后取出，使用正己烷清洗3遍自然风干，得到超疏水性。
实施例4：
(1)木材表面聚多巴胺涂层的涂覆
清洗干燥处理后的木材置于400g质量百分比浓度为0.2％的盐酸多巴胺溶液中，用Tris调节溶液的pH为8.5，在水浴温度60℃下搅拌时间20小时，反应结束后用无水乙醇清洗一遍，去离子水清洗两遍，并于80℃恒温干燥箱中干燥24小时，得到涂覆聚多巴胺涂层的木材。
(2)硅烷偶联剂、纳米粒子与交联剂在涂覆聚多巴胺涂层的木材表面微纳米粗糙结构的构建
将步骤(1)所得木材置于反应釜中，添加纳米粒子1.5份，95％的乙醇溶液91.5份，偶联剂2份，反应温度为80℃，反应4个小时后添加交联剂EDGE 5份，继续反应4小时，完成后用无水乙醇清洗3遍晾干得到表面构建微纳米粗糙结构的聚多巴胺涂层木材。
(3)疏水剂物质对改性木材进行的低表面能处理
将步骤(2)所得的木材置于50g质量百分比浓度为2％的OTS/正己烷溶液，在室温下搅拌2小时后取出，使用正己烷清洗3遍自然风干，得到超疏水性。
对照例1：
取同样工艺清洗干燥处理后的木材，不做任何其他处理作为对照组。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在发明基础上，可以对此作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种仿生超疏水性木材，其特征在于，制备步骤如下：
(1)在木材表面涂覆聚多巴胺涂层；
(2)使用硅烷偶联剂、纳米粒子与交联剂在涂覆聚多巴胺涂层的木材表面构建微纳米粗糙结构；
(3)使用疏水剂物质对改性木材进行低表面能处理。
2.根据权利要求1所述的一种仿生超疏水性木材，其特征在于：所述步骤(1)中的工艺为，清洗干燥后的木材置于反应釜中，按质量百分比添加0.1％～0.5％的盐酸多巴胺溶液，用三羟甲基氨基甲烷(Tris)调节溶液的pH为8.5～9，在温度为50～60℃下反应15～20小时，后取出在无水乙醇溶液中清洗一遍，清水清洗两遍，并于80℃恒温干燥箱中干燥24小时，得到涂覆聚多巴胺涂层的木材。
3.根据权利要求1所述的一种仿生超疏水性木材，其特征在于：所述步骤(2)的工艺为，将权利要求2所得的木材置于反应釜中，添加纳米粒子0.5～5份，95％的乙醇溶液80份，偶联剂1～5份，反应温度为70～80℃，一定时间后添加交联剂5～10份，继续反应2～5小时，完成后用无水乙醇清洗3遍晾干得到表面构建微纳米粗糙结构的聚多巴胺涂层木材。
4.根据权利要求1所述的一种仿生超疏水性木材，其特征在于：所述步骤(3)的工艺为，将权利要求3所述木材置于质量百分比浓度为1％～5％的疏水剂/正己烷溶液，在室温下搅拌1～5小时，取出正己烷清洗3遍自然风干，得到超疏水性木材。
5.根据权利要求2所述的一种仿生超疏水性木材，其特征在于：所述的木材为樟子松、马尾松、银杉以及云杉其中一种。
6.根据权利要求3所述的一种仿生超疏水性木材，其特征在于：所述的偶联剂为分子结构式带氨基的3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)。
7.根据权利要求3所述的一种仿生超疏水性木材，其特征在于：所述的纳米粒子为纳米二氧化硅、纳米二氧化钛以及三氧化铝其中一种。
8.根据权利要求3所述的一种仿生超疏水性木材，其特征在于：所述的交联剂为乙二醇二缩水甘油醚(EGDE)、环氧氯丙烷(ECH)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)以及丙三醇二缩水甘油醚(PTGE)其中一种。
9.根据权利要求3所述的一种仿生超疏水性木材，其特征在于：所述的添加交联剂的时间为反应2～5小时后。
10.根据权利要求4所述的一种仿生超疏水性木材，其特征在于：所述的疏水剂为十八烷基三氯硅烷(OTS)、乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)以及十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)其中一种。
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