一种基于溶凝胶法制备超疏水木材的方法
【专利说明】一种基于溶凝胶法制备超疏水木材的方法
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技术领域
[0002]本发明属于一种基于溶凝胶法制备超疏水木材的方法。
【背景技术】
[0003]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，被广泛应用于建筑、家具制造和室内装饰等领域。但是木材组分中的纤维素和半纤维素富含游离羟基，加之细胞壁纳米空隙的存在，使得木材具有很强的吸湿/水能力，导致木材易干缩湿胀，尺寸稳定性差，引起木材变形、翘曲和开裂。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。
[0004]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。
[0005]传统的木材疏水处理方法，如乙酰化、热处理、硅烷化处理等，只能在一定程度上减缓木材对水分的吸收，但无法从根本上抵御水分特别是液态水对木材的侵入。自然界普遍存在的超疏水现象(如植物叶片表面、蜻蜓翅膀、水黾的腿)给木材疏水化改性提供了重要的启示。荷叶表面属于典型的超疏水表面(表面水接触角大于150°，滚动角小于10°)，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。如果能在木材基底上构建类似荷叶表面那样的微/纳米双重粗糙结构，并在粗糙表面修饰低表面能物质，形成稳固耐久的超疏水膜，使木材表面由亲水性变为超疏水性，水滴不能浸润木材表面，木材表面始终保持干燥，则可以有效地抵御液态水的侵入，从而可以避免木材因吸水而导致的干缩湿胀、生物降解等问题。近年来，随着纳米科学技术的快速发展，以及仿生学研究的兴起，木材超疏水功能性改良也成逐渐为一个研究热点，超疏水木材的制备以及相关技术的研发也逐渐增多。如中国专利(CN 101234498A)公开了一种超疏水木材及其制备方法，借助特定的模具将疏水的蜂蜡粉末淹没木材，并在一定的压力和温度下，使蜂蜡固定于木材中，木材本体的孔隙中充满蜂蜡。获得的超疏水木材水接触角为150-170°，滚动角小于10°。中国专利(申请号201410653267)公开了一种利用3D打印技术制备超疏水木材的方法，其特征在于以自然界中或人工构建的超疏水表面为模板，将其表面图案导入3D打印机，以疏水改性无机或有机纳米粒子作为打印原料，对木材各个表面分别进行3D打印，获得超疏水木材。除此之外，化学气相沉积法、水热法、等离子体法、以及表面接枝共聚法用于制备超疏水木材的研究也有报道。从以上专利和研究报道可以看出，超疏水木材的制备工艺比较复杂，而且等离子体聚合、化学气相沉积法以及3D打印技术所用设备或原料比较昂贵，所涉及的处理工艺复杂，使用成本高，超疏水表面寿命短，抗酸碱侵蚀性差，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抗酸碱侵蚀性等问题。目前，制备的超疏水木材表面抗酸碱侵蚀性差;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，且难以实现大面积木材超疏水表面的制备。因此，发明一种工艺简单、且易大面积推广的超疏水木材制备技术显得很有必要。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是设计一种基于溶凝胶法制备超疏水木材的方法，能使经过该方法处理的木材具有抗酸碱侵蚀的超疏水表面，具有操作简单，易于实现，制备和使用价格低廉，节能环保，有良好的抵抗酸碱侵蚀的能力以及高湿环境下的稳定性和使用寿命长的优点。
[0007]为此，本发明的方法有如下步骤:
(1)硅溶胶合成；
按氨水:无水乙醇:正硅酸乙酯的体积比为1:15?17:1的量份备料；
采用StSber溶胶-凝胶法，以正硅酸乙酯为反应前驱体，乙醇为溶剂，氨水为催化剂，按照一定的比例混合，常温条件下制备单分散纳米二氧化硅溶胶;包括，
向质量浓度为25%的氨水中加入其体积15?17倍的无水乙醇，在50°C条件下磁力搅拌30 min；
然后再向上述溶液中缓慢加入与氨水等体积的的正硅酸乙酯，继续搅拌2 h，制成淡蓝色的单分散纳米二氧化硅溶胶；
(2)单分散纳米二氧化硅溶胶的疏水改性；
用低表面能物质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，对合成的单分散纳米二氧化硅溶胶进行疏水改性，同时疏水剂促进纳米粒子相互聚集，促其形成二氧化娃纳米粒子聚集体;包括，
向以上合成的单分散纳米二氧化硅溶胶中加入占其质量0.5%?1%的三乙氧基-1H，1H，2H，2H-十七氟癸基硅烷，或占其质量1%?3%的十六烷基三甲氧基硅烷，50°C条件下继续搅拌反应2h，对单分散纳米二氧化硅溶胶进行疏水改性，得到疏水硅溶胶；
(3)木材覆膜处理；
将疏水改性硅溶胶溶液采用浸渍，或喷涂工艺涂覆于木材表面，再经过温度100?1030C下烘箱干燥，使疏水硅溶胶在木材表面固化形成稳定的膜层，使木材表面获得超疏水膜层;包括，
去除木材表面的杂质和污染物；
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胶中进行浸渍处理，处理时间30?60 min，然后将处理木材放入100?103°C烘箱中干燥3 h，使改性硅溶胶在木材表面固化形成稳定的膜层，获得超疏水木材；
或用喷枪对木材表面进行疏水硅溶胶的喷涂，喷枪与木材表面垂直，距离10?15cm，均匀喷涂5s，待喷涂层自然晾干30s，再喷涂下一层，共重复喷涂3?5次，然后将喷涂处理后的木材放100?103 °C的烘箱中干燥3 h，即得到超疏水木材。
[0008]所述的纳米二氧化娃的纳米粒子的尺寸为50?100 nm。
[0009]所述的疏水剂不仅具有降低纳米粒子的表面自由能的作用，还作为粘结剂促使纳米粒子聚集形成更大尺寸的纳米粒子聚集体(300 nm~lym)o
[0010]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结构。
[0011 ]所述的超疏水木材上的水滴在木材表面的接触角为150°?156°，滚动角小于10°。
[0012]上述方法达到了本发明的目的。
[0013]本发明能使经过该方法处理的木材具有抗酸碱侵蚀的超疏水表面，具有操作简单，易于实现，制备和使用价格低廉，节能环保，有良好的抵抗酸碱侵蚀的能力以及高湿环境下的稳定性和使用寿命长的优点。
[0014]本发明的木材表面超疏水薄膜，是表面具有微米与纳米结构并存的双重粗糙结构，其中纳米粒子的粒径介于50?100 nm，纳米粒子聚集体尺寸介于300 nm?Ιμπι。水滴在木材表面的接触角为150°?156°，滚动角小于10°。
[0015]本发明的具有双重粗糙结构的超疏水薄膜，暴露于高湿环境(98%相对湿度，室温)下长达2个月，水接触角基本不变，超疏水性能稳定;超疏水薄膜经过强酸(盐酸，ρΗ=2)和强碱(氢氧化钠，ρΗ=12)浸泡10 h，水接触角基本不变，超疏水膜具有抵抗强酸、强碱侵蚀的能力。
[0016]本发明的制备方法操作简单，处理条件温和，不需要任何昂贵设备;制备过程中不会产生污染物，具有一定的环境友好性;制备出的超疏水薄膜具有良好的抵抗酸碱侵蚀的能力以及高湿环境下的稳定性;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。
[0017]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】
[0018]一种基于溶凝胶法制备超疏水木材的方法，步骤如下:
(1)硅溶胶合成；
按氨水:无水乙醇:正硅酸乙酯的体积比为1:15?17:1的量份备料；
采用StSber溶胶-凝胶法，以正硅酸乙酯为反应前驱体，乙醇为溶剂，氨水为催化剂，按照一定的比例混合，