一種基于溶凝膠法制備超疏水木材的方法
【專利說明】一種基于溶凝膠法制備超疏水木材的方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于一種基于溶凝膠法制備超疏水木材的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]木材是一種可再生、可再循環(huán)利用和可自然降解的綠色材料和生物資源，它具有紋理美觀、色澤天然、質(zhì)感舒適、可塑性好、易于加工等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑、家具制造和室內(nèi)裝飾等領(lǐng)域。但是木材組分中的纖維素和半纖維素富含游離羥基，加之細(xì)胞壁納米空隙的存在，使得木材具有很強(qiáng)的吸濕/水能力，導(dǎo)致木材易干縮濕脹，尺寸穩(wěn)定性差，引起木材變形、翹曲和開裂。目前，對木材防腐處理主要依靠于在木材表面涂防水防腐油漆，但油漆層與木材表面粘結(jié)性差，易脫落，效果仍不理想。
[0004]超疏水表面是一種水接觸角大于150°，滾動(dòng)角小于10°的表面。荷葉表面屬于典型的超疏水表面，水滴在其表面容易滾動(dòng)且能夠帶走表面附著的灰塵等雜質(zhì)從而使其具備自清潔效果。
[0005]傳統(tǒng)的木材疏水處理方法，如乙酰化、熱處理、硅烷化處理等，只能在一定程度上減緩木材對水分的吸收，但無法從根本上抵御水分特別是液態(tài)水對木材的侵入。自然界普遍存在的超疏水現(xiàn)象(如植物葉片表面、蜻蜓翅膀、水黽的腿)給木材疏水化改性提供了重要的啟示。荷葉表面屬于典型的超疏水表面(表面水接觸角大于150°，滾動(dòng)角小于10°)，水滴在其表面容易滾動(dòng)且能夠帶走表面附著的灰塵等雜質(zhì)從而使其具備自清潔效果。如果能在木材基底上構(gòu)建類似荷葉表面那樣的微/納米雙重粗糙結(jié)構(gòu)，并在粗糙表面修飾低表面能物質(zhì)，形成穩(wěn)固耐久的超疏水膜，使木材表面由親水性變?yōu)槌杷?，水滴不能浸潤木材表面，木材表面始終保持干燥，則可以有效地抵御液態(tài)水的侵入，從而可以避免木材因吸水而導(dǎo)致的干縮濕脹、生物降解等問題。近年來，隨著納米科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，以及仿生學(xué)研究的興起，木材超疏水功能性改良也成逐漸為一個(gè)研究熱點(diǎn)，超疏水木材的制備以及相關(guān)技術(shù)的研發(fā)也逐漸增多。如中國專利(CN 101234498A)公開了一種超疏水木材及其制備方法，借助特定的模具將疏水的蜂蠟粉末淹沒木材，并在一定的壓力和溫度下，使蜂蠟固定于木材中，木材本體的孔隙中充滿蜂蠟。獲得的超疏水木材水接觸角為150-170°，滾動(dòng)角小于10°。中國專利(申請?zhí)?01410653267)公開了一種利用3D打印技術(shù)制備超疏水木材的方法，其特征在于以自然界中或人工構(gòu)建的超疏水表面為模板，將其表面圖案導(dǎo)入3D打印機(jī)，以疏水改性無機(jī)或有機(jī)納米粒子作為打印原料，對木材各個(gè)表面分別進(jìn)行3D打印，獲得超疏水木材。除此之外，化學(xué)氣相沉積法、水熱法、等離子體法、以及表面接枝共聚法用于制備超疏水木材的研究也有報(bào)道。從以上專利和研究報(bào)道可以看出，超疏水木材的制備工藝比較復(fù)雜，而且等離子體聚合、化學(xué)氣相沉積法以及3D打印技術(shù)所用設(shè)備或原料比較昂貴，所涉及的處理工藝復(fù)雜，使用成本高，超疏水表面壽命短，抗酸堿侵蝕性差，易污染，質(zhì)量差，難于推廣，難以實(shí)現(xiàn)超疏水木材的規(guī)?；苽浜蜕a(chǎn)。此外，超疏水木材在實(shí)際應(yīng)用中還必須考慮超疏水膜結(jié)構(gòu)的抗酸堿侵蝕性等問題。目前，制備的超疏水木材表面抗酸堿侵蝕性差;此外，外界環(huán)境中的灰塵、油性物質(zhì)等容易污染超疏水表面，使其逐漸失去超疏水性能，且難以實(shí)現(xiàn)大面積木材超疏水表面的制備。因此，發(fā)明一種工藝簡單、且易大面積推廣的超疏水木材制備技術(shù)顯得很有必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種基于溶凝膠法制備超疏水木材的方法，能使經(jīng)過該方法處理的木材具有抗酸堿侵蝕的超疏水表面，具有操作簡單，易于實(shí)現(xiàn)，制備和使用價(jià)格低廉，節(jié)能環(huán)保，有良好的抵抗酸堿侵蝕的能力以及高濕環(huán)境下的穩(wěn)定性和使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)。
[0007]為此，本發(fā)明的方法有如下步驟:
(1)硅溶膠合成；
按氨水:無水乙醇:正硅酸乙酯的體積比為1:15?17:1的量份備料；
采用StSber溶膠-凝膠法，以正硅酸乙酯為反應(yīng)前驅(qū)體，乙醇為溶劑，氨水為催化劑，按照一定的比例混合，常溫條件下制備單分散納米二氧化硅溶膠;包括，
向質(zhì)量濃度為25%的氨水中加入其體積15?17倍的無水乙醇，在50°C條件下磁力攪拌30 min；
然后再向上述溶液中緩慢加入與氨水等體積的的正硅酸乙酯，繼續(xù)攪拌2 h，制成淡藍(lán)色的單分散納米二氧化硅溶膠；
(2)單分散納米二氧化硅溶膠的疏水改性；
用低表面能物質(zhì)十六烷基三甲氧基硅烷或三乙氧基-1H，IH，2H，2H-十七氟癸基硅烷，對合成的單分散納米二氧化硅溶膠進(jìn)行疏水改性，同時(shí)疏水劑促進(jìn)納米粒子相互聚集，促其形成二氧化娃納米粒子聚集體;包括，
向以上合成的單分散納米二氧化硅溶膠中加入占其質(zhì)量0.5%?1%的三乙氧基-1H，1H，2H，2H-十七氟癸基硅烷，或占其質(zhì)量1%?3%的十六烷基三甲氧基硅烷，50°C條件下繼續(xù)攪拌反應(yīng)2h，對單分散納米二氧化硅溶膠進(jìn)行疏水改性，得到疏水硅溶膠；
(3)木材覆膜處理；
將疏水改性硅溶膠溶液采用浸漬，或噴涂工藝涂覆于木材表面，再經(jīng)過溫度100?1030C下烘箱干燥，使疏水硅溶膠在木材表面固化形成穩(wěn)定的膜層，使木材表面獲得超疏水膜層;包括，
去除木材表面的雜質(zhì)和污染物；
然后木材在75?85°C下干燥5 h;把清洗好的木材表面置入改性硅溶膠中進(jìn)行浸漬處理，處理時(shí)間30?60 min，然后將處理木材放入100?103°C烘箱中干燥3 h，使改性硅溶膠在木材表面固化形成穩(wěn)定的膜層，獲得超疏水木材；
或用噴槍對木材表面進(jìn)行疏水硅溶膠的噴涂，噴槍與木材表面垂直，距離10?15cm，均勻噴涂5s，待噴涂層自然晾干30s，再噴涂下一層，共重復(fù)噴涂3?5次，然后將噴涂處理后的木材放100?103 °C的烘箱中干燥3 h，即得到超疏水木材。
[0008]所述的納米二氧化娃的納米粒子的尺寸為50?100 nm。
[0009]所述的疏水劑不僅具有降低納米粒子的表面自由能的作用，還作為粘結(jié)劑促使納米粒子聚集形成更大尺寸的納米粒子聚集體(300 nm~lym)o
[0010]所述的木材表面超疏水薄膜具有微米與納米結(jié)構(gòu)并存的雙重結(jié)構(gòu)。
[0011 ]所述的超疏水木材上的水滴在木材表面的接觸角為150°?156°，滾動(dòng)角小于10°。
[0012]上述方法達(dá)到了本發(fā)明的目的。
[0013]本發(fā)明能使經(jīng)過該方法處理的木材具有抗酸堿侵蝕的超疏水表面，具有操作簡單，易于實(shí)現(xiàn)，制備和使用價(jià)格低廉，節(jié)能環(huán)保，有良好的抵抗酸堿侵蝕的能力以及高濕環(huán)境下的穩(wěn)定性和使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)。
[0014]本發(fā)明的木材表面超疏水薄膜，是表面具有微米與納米結(jié)構(gòu)并存的雙重粗糙結(jié)構(gòu)，其中納米粒子的粒徑介于50?100 nm，納米粒子聚集體尺寸介于300 nm?Ιμπι。水滴在木材表面的接觸角為150°?156°，滾動(dòng)角小于10°。
[0015]本發(fā)明的具有雙重粗糙結(jié)構(gòu)的超疏水薄膜，暴露于高濕環(huán)境(98%相對濕度，室溫)下長達(dá)2個(gè)月，水接觸角基本不變，超疏水性能穩(wěn)定;超疏水薄膜經(jīng)過強(qiáng)酸(鹽酸，ρΗ=2)和強(qiáng)堿(氫氧化鈉，ρΗ=12)浸泡10 h，水接觸角基本不變，超疏水膜具有抵抗強(qiáng)酸、強(qiáng)堿侵蝕的能力。
[0016]本發(fā)明的制備方法操作簡單，處理?xiàng)l件溫和，不需要任何昂貴設(shè)備;制備過程中不會(huì)產(chǎn)生污染物，具有一定的環(huán)境友好性;制備出的超疏水薄膜具有良好的抵抗酸堿侵蝕的能力以及高濕環(huán)境下的穩(wěn)定性;采用噴涂技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超疏水木材的規(guī)?；a(chǎn)，具有良好的工業(yè)化應(yīng)用前景。
[0017]本發(fā)明制備的木材由于具有良好的疏水、自清潔、防污等性能，超疏水木材可以應(yīng)用于浴室內(nèi)裝修、園林景觀建筑、木柵欄、露臺(tái)地板等場合，市場前景廣闊。
【具體實(shí)施方式】
[0018]一種基于溶凝膠法制備超疏水木材的方法，步驟如下:
(1)硅溶膠合成；
按氨水:無水乙醇:正硅酸乙酯的體積比為1:15?17:1的量份備料；
采用StSber溶膠-凝膠法，以正硅酸乙酯為反應(yīng)前驅(qū)體，乙醇為溶劑，氨水為催化劑，按照一定的比例混合，