一種提高木材表面超疏水膜機械穩定性的方法
【專利說明】一種提高木材表面超疏水膜機械穩定性的方法
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技術領域
[0002]本發明屬于一種提高木材表面超疏水膜機械穩定性的方法。
【背景技術】
[0003]木材是一種可再生、可再循環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、質感舒適、可塑性好、易于加工等優點。但木材也存在一些缺陷，如由于含水率的變化產生干縮、濕脹，從而引起構件尺寸及形狀的變化和強度的降低，易霉變腐朽，易被蟲菌蛀蝕，易燃燒等。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且能夠帶走表面附著的灰塵等雜質從而使其具備自清潔效果。
[0005]由于具備良好的疏水、自清潔、防污等功能，仿生超疏水表面制備技術的研究也成為熱點。對于親水性的木材而言，木材表面超疏水改性是獲得集防水、防霉防腐、自清潔性能為一體的木材功能化改良新途徑。
[0006]近年來，受“荷葉效應”的啟示，國內外學者針對超疏水木材也開展了一些初步研究和探索。目前，制備超疏水木材表面的方法主要有溶膠凝膠法、水熱法、化學氣相沉積法以及其他方法(如濕化學法、等離子體法、表面接枝共聚)ο雖然超疏水木材的制備方法很多，但有些方法如等離子體聚合、化學氣相沉積法以及接枝共聚法所涉及的處理工藝復雜，所用設備或原料昂貴，使用成本高，超疏水表面壽命短，不耐磨，易污染，質量差，難于推廣，難以實現超疏水木材的規模化制備和生產。此外，超疏水木材在實際應用中還必須考慮超疏水膜結構的機械穩定性、耐磨性等問題。目前，制備的超疏水木材表面膜層中無機納米粒子(如Si02納米球、ZnO納米棒)與木材表面大多是點接觸，納米粒子及其聚集體在外力作用下(摩擦、水洗)容易脫落;此外，外界環境中的灰塵、油性物質等容易污染超疏水表面，使其逐漸失去超疏水性能。超疏水膜的機械穩定性和穩定性一直是限制超疏水木材實際應用的“瓶頸”問題。因此，開發具有高機械強度的超疏水表面制備技術是超疏水木材得以推廣應用的關鍵。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是設計一種提高木材表面超疏水膜機械穩定性的方法，能使經過該方法處理的木材具有高機械強度的超疏水表面，具有操作簡單，易于實現，制備和使用價格低廉，穩定性和耐久性好，耐機械磨擦和紫外光輻照，使用壽命長的優點。
[0008]為此，本發明的方法有如下步驟:
(I)在木材表面預制環氧樹脂底層，包括， 以四氫呋喃為溶劑，配置質量百分比濃度為35%?45%的環氧樹脂溶液；
去除木材表面的雜質和污染物；
將木材在103 土 2°C下干燥5h;
用環氧樹脂溶液對木材進行浸漬涂膜，浸漬涂膜時間為10?15 min，重復3次，再將浸漬涂膜處理后的木材在75°C?85°C溫度下，烘干固化，獲得帶環氧樹脂底層的木材；
(2)配制二氧化硅納米粒子/環氧樹脂/三乙氧基-1!1，1!1，2!1，2!1-十七氟癸基硅烷有機-無機復合涂膜溶液；
將粒徑10?20 nm的二氧化硅納米粒子分散于四氫呋喃溶劑中，每克納米二氧化硅溶于75?85ml四氫呋喃溶劑中，并添加質量為二氧化硅I?2倍的三乙氧基-1H，1H，2H，2H-十七氟癸基硅烷，在50?600C條件下磁力攪拌2 h，得到溶液A;
將質量為納米二氧化硅I?2倍的環氧樹脂溶于四氫呋喃溶劑中，以每克環氧樹脂用10?15 ml四氫呋喃溶劑計，磁力攪拌20?25 min，得到溶液B;
將溶液A與溶液B混合，得混合液，在混合液中添加與環氧樹脂等質量的三乙氧基-1H，IH，2H，2H-十七氟癸基硅烷，并超聲分散I?1.5 h，得到溶液C;
將占環氧樹脂質量13%的固化劑溶于四氫呋喃溶劑中，以每克固化劑用90?I 1ml四氫呋喃溶劑計，磁力攪拌20?25min得到溶液D;
將溶液C與溶液D混合，在低溫5?6。C下，超聲分散0.5?I h，獲得疏水二氧化硅納米粒子/環氧樹脂/三乙氧基-1H，1H，2H，2H-十七氟癸基硅烷有機-無機復合涂膜溶液；
(3)將帶環氧樹脂底層的木材置于涂膜溶液中進行浸漬處理，處理時間10?12min，取出后在空氣中晾干10?20 min，再置入涂膜溶液中進行第二次浸漬涂膜處理，共重復浸漬涂膜處理10次，而后將浸漬涂膜處理的木材放入80°C烘箱中干燥3 h，即得到超疏水性木材；
或用噴槍對帶環氧樹脂底層的木材表面進行涂膜溶液的噴涂，噴槍與木材表面垂直，距離10?15cm，均勻噴涂5秒，待噴涂層自然晾干30s，再噴涂下一層，共重復噴涂8?10次，然后將噴涂處理后的木材放入80 °C烘箱中干燥3 h，即得到超疏水性木材。
[0009]所述的超疏水性木材表面構建了一層厚度為8-10μπι的環氧樹脂底層，填充木材表面的凹凸不平、坑洼結構。
[0010]所述的超疏水性木材表面的超疏水薄膜層，具有微米與納米結構并存的雙重粗糙結構，其中環氧樹脂具有很強的粘黏性，使得二氧化硅納米粒子及其聚集體與木材表面產生很強的結合力，賦予涂層良好的機械穩定性。
[0011]所述的超疏水性木材表面的超疏水薄膜層是采用多次浸漬涂膜的方式獲得，膜層厚度為6-10 μπι。
[0012]所述的超疏水木材上的水滴在木材表面的接觸角為152°?156°，滾動角小于5°。
[0013]上述方法達到了本發明的目的。
[0014]本發明能使經過該方法處理的木材具有高機械強度的超疏水表面，具有操作簡單，易于實現，制備和使用價格低廉，穩定性和耐久性好，耐機械磨擦和紫外光輻照，使用壽命長的優點。
[0015]本發明使木材表面具超疏水薄膜層，是表面具有微米與納米結構并存的雙重粗糙結構，膜層厚度為6?10 Mi，其中環氧樹脂具有很強的粘黏性，使得S12納米粒子及其聚集體與木材表面產生很強的結合力，賦予涂層良好的穩定性;氟化硅烷(FAS)具有極低的表面自由能，可以確保涂層的疏水性能。水滴在木材表面的接觸角為152°-156°，滾動角小于5°。
[0016]本發明的木材表面超疏水薄膜層，在承載5kPa壓力的情況下，經過1500目砂紙反復磨擦10次(每次磨擦距離25cm)，超疏水膜層的雙重粗糙結構及其化學組成基本不變。超疏水性能依然保持良好(靜態接觸角大于150°，滾動角小于6°)，制備的超疏水膜層具有良好的機械穩定性。此外，制備的超疏水薄膜層能抵抗鋒利刀片反復刻劃，手指觸摸、摁壓，噴水沖擊以及紫外光輻照等多種破壞處理，依然保持良好的超疏水性能。
[0017]本發明用于改善木材表面超疏水膜機械穩定性的方法，操作簡單，易于實現。所用的環氧樹脂是廣泛常用的聚合物材料，價格低廉，粘結強度高，穩定性較好。該方法克服了以往方法制備的超疏水木材膜層機械穩定性較差、使用壽命較短的問題，制備的超疏水木材可耐機械磨擦(如手指觸摸、砂紙磨損)以及紫外光輻照，具有良好的機械穩定性和耐久性，使得疏水木材的實際應用成為可能;采用噴涂技術可以實現超疏水木材的規模化生產，具有良好的工業化應用前景。
[0018]本發明制備的木材由于具有良好的疏水、自清潔、防污等性能，超疏水木材可以應用于浴室內裝修、園林景觀建筑、木柵欄、露臺地板等場合，市場前景廣闊。
【具體實施方式】
[0019]—種提高木材表面超疏水膜機械穩定性的方法，步驟如下:
(1)在木材表面預制環氧樹脂底層，包括，
以四氫呋喃為溶劑，配置質量百分比濃度為35%?45%的環氧樹脂溶液；
去除木材表面的雜質和污染物；
將木材在103 土 2°C下干燥5h;
用環氧樹脂溶液對木材進行浸漬涂膜，浸漬涂膜時間為10?15 min，重復3次，再將浸漬涂膜處理后的木材在75°C?85°C溫度下，烘干固化，獲得帶環氧樹脂底層的木材；
(2)配制二氧化硅納米粒子/環氧樹脂/三乙氧基-1!1，1!1，2!1，2!1-十七氟癸基硅烷有機-無機復合涂膜溶液；
將粒徑10?20 nm的二氧化硅納米粒子分散于四氫呋喃溶劑中，每克納米二氧化硅溶于75?85ml四氫呋喃溶劑中，并添加質量為二氧化硅I?2倍的三乙氧基-1H，1H，2H，2H-十七氟癸基硅烷，在50?600C條件下磁力攪拌2 h，得到溶液A;
將質量為納米二氧化硅I?2倍的環氧樹脂溶于四氫呋喃溶劑中，以每克環氧樹脂用10?15 ml四氫呋喃溶劑計，磁力攪拌20?25 min，得到溶液B;
將溶液A與溶液B混合，得混合液，在混合液中添加與環氧樹脂等質量的三乙氧基-1H，IH，2H，2H-十七氟癸基硅烷，并超聲分散I?1.5 h，得到溶液C;
將占環氧樹脂質量13%的固化劑溶于四氫呋喃