超疏水性木材的仿生研究

仿生超疏水性表面的研究是化学模拟生物体系研究中的一个新领域。荷叶等植物叶面的超疏水现象为在不同基底上制备仿生超疏水性表面提供了有趣的自然现象和实践基础。本课题根据这一仿生研究的思路，首先在木材基底表面构建微纳结构，形成微纳观的表面粗糙度，然后对其表面进行自组装化学修饰以降低其表面能,从而得到超疏水性木材。这种超疏水性木材既有较大的静态接触角,又具有较小的滑动角，具有类似荷叶表面滴水不沾的性质，有自清洁、防雨雪、防污染、防腐和抗氧化等优良性能，同时原位生成的无机质可以改善木材的耐久性能，如防腐、防虫、阻燃等等，应用前景广阔。.拟解决的科学问题：分析多步反应过程中，木材表面微纳结构形成时的化学反应历程及其与木材界面间的反应原理，探讨粗糙表面自组装化学修饰的作用及其形成仿生超疏水表面的理论体系。

超疏水表面是一类与水的接触角大于150o而滚动角小于10o的表面，其因在基础研究和潜在的工业应用方面具有重大的价值而引起了人们极大的兴趣。一般来说，超疏水表面可以通过在疏水材料表面构建合适的粗糙度或利用特殊的低表面能物质修饰粗糙表面而获得。本论文中，我们报道了四种不同的超疏水木质基表面，主要研究内容如下：. （1）通过湿化学沉积过程在木质基表面原位合成超疏水性氧化锌涂层。分析结果表明：微米尺寸粗糙度的片状粒子规整有序地分布在木质基表面上，由硬脂酸和表面氧化锌粒子生成的疏水硬脂酸锌单分子层吸附在了氧化锌涂层表面，这个过程使得木质基表面由原来的亲水性转变为了超疏水性，其接触角最高可达到153°，滚动角小于5°。当超疏水木质基在60℃的温度下放置一个月或浸泡在去离子水中一个星期，表面仍然维持超疏水性。. （2）通过采用正硅酸乙酯的溶胶-凝胶过程和十三氟辛基三乙氧基硅烷（POTS）的低表面能处理得到了超疏水木质基表面。分析结果表明：亚微米尺度的二氧化硅粒子（200-300 nm）规整有序地堆砌在了木质基表面上，在二氧化硅粒子构建高表面粗糙度和POTS修饰低表面能的共同作用下，木质基表面由原来的亲水性变成了超疏水性，其接触角最高可达到161°，滚动角小于2°。 . （3）通过碱性热液反应过程在木质基表面原位合成球状的α-FeOOH涂层，经十八烷基三氯硅烷（OTS）表面修饰后，得到超疏水性的木质基表面。处理样品的疏水性能通过测量接触角（CA）和滚动角(SA)的大小来表征。超疏水样品的环境稳定性和耐腐蚀性能也得以研究。研究结果表明：具有微纳米结构的球状α-FeOOH涂层均匀一致地沉积在了木质基表面，OTS分子跟α-FeOOH涂层发生了化学结合。超疏水样品的接触角最高可达158°，滚动角大约4°。处理样品放置在空气环境中三个月，或于室温条件下浸泡在PH=12的氢氧化钠或PH=2的盐酸溶液中2小时仍维持超疏水性。. （4）通过简单的滴涂法在木质基表面合成了稳定的超疏水性二氧化硅/聚苯乙烯复合涂层，该涂层的接触角最高可达到153°，滚动角小于5°。扫描电镜（SEM）观察表明复合涂层具有二维等级结构的粗糙度，由微米尺度的乳突和亚微米尺度的颗粒组成。