【摘 要】
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对于科学研究而言,自然界既是做科学的一个优秀导师,也是一个与材料相统一的结构宝库。在研究和制备超浸润材料过程中,自然界更为人类提供了大量的遗态仿生对象,比如“荷叶效应”、“花瓣效应”等。本学位论文根据仿生学原理,受自然界遗态生物体超浸润现象的启发,在木材表面通过纳米压印技术构筑仿生物功能界面的微纳米形貌结构,制备了类似甚至超越自然界遗态生物体表面微纳米结构的遗态仿生超疏水木材。不但可以提高木材所固
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目,项目号 30471357; 云南省教育厅研究生项目,项目号 2019Y0117; 校级创新基金项目项目号 201919; 国家重点研发计划子项目,项目号 2016YFD060070203; 云南省应用基础研究计划项目青年项
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对于科学研究而言,自然界既是做科学的一个优秀导师,也是一个与材料相统一的结构宝库。在研究和制备超浸润材料过程中,自然界更为人类提供了大量的遗态仿生对象,比如“荷叶效应”、“花瓣效应”等。本学位论文根据仿生学原理,受自然界遗态生物体超浸润现象的启发,在木材表面通过纳米压印技术构筑仿生物功能界面的微纳米形貌结构,制备了类似甚至超越自然界遗态生物体表面微纳米结构的遗态仿生超疏水木材。不但可以提高木材所固有的特性,还赋予其新的奇异功能,实现木材高浮力、耐磨、耐液腐蚀和热稳定性等新型附加,拓宽木材的实践使用范围,增加木材的应用价值。从遗态仿生的理念出发,在木材表面制备多种具有功能性遗态仿生超疏水涂层,并对其功能进行系统的研究。本文主要研究内容如下8个部分:1.受“红色玫瑰花瓣表面特殊浸润性”启发,采用模板印刷法复型改性处理木材表面,得到与玫瑰花瓣表面结构相同的微纳米形貌结构,使木材具有高黏附超疏水特性。制备的遗态仿生高粘附超疏水木材不但没有改变木材的基本系能,还赋予木材表面高黏附超疏水特性,其表面的静态水接触角约为157.5°±0.5°,可以有效阻止木材吸收水分,同时还具备良好的热稳定性。2.受“花瓣效应”启发,采用一步溶剂热法和纳米压印技术在木材表面制备了坚固、超浮力、超疏水的遗态仿生PVB/SiO2涂层。通过静态水接触角(WCA)和砂磨试验测量评估类玫瑰花瓣状木材的超疏水性和坚固耐用性。制备的PVB/SiO2/木材表面的接触角为160°,表现出卓越的超疏水特性;同时对腐蚀性液体具有优异的耐久性以及热稳定性,表现出超强的耐久性和热稳定性。此外,所制备的PVB/SiO2/木材样品显示出很强的浮力。3.受“荷叶效应”启发,采用水热沉积和纳米压印技术以及氟烷基硅烷改性相结合的方法,在木材表面构建耐用的遗态仿生低黏附超疏水涂层。制备的遗态仿生超疏水TiO2/FAS-17-木材具有与荷叶类似的乳突状微纳米结构形貌,其表面的静态水接触角为155°,滚动角为6°,接近于荷叶表面的静态水接触角和滚动角,即试样具有优越的低粘附超疏水特性;同时,通过水接触角、滚转角和砂纸磨损试验对其稳定超疏水性进行了测试,结果表明超疏水TiO2/FAS-17-木材表面具有耐久性。4.受“莲花效应”启发,使用聚二甲基硅氧烷模板二次转印复型技术,在负载有聚乙烯醇缩丁醛涂层的白蜡木素材表面遗态仿生制备了类荷叶微纳米结构形貌,并赋予了木材表面自清洁超疏水特性。遗态仿生制备的类荷叶自清洁超疏水木材表面具有类荷叶表面自清洁超疏水微纳米乳突结构形貌。相比之下,遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材不但没有改变白蜡木素材原有的色彩纹理,其表面静态水接触角接近于遗态材料荷叶表面的接触角与滚动角,表现出超疏水性能;同时,其表面的石墨粉能被水滴冲掉,具有自清洁特性。5.受“芭蕉叶微纳米结构自清洁超疏水特性”启发,采用溶剂热沉积PVB/SiO2涂层在木质表面的羟基纤维素木质素纤维上,并使用纳米压印技术在木材表面上复制了芭蕉叶表面的微纳米结构形貌。该纳米膜具有极好的性能,并且具有极高的耐水性。通过简便,低成本,高效且可重现的方法实现拒斥性和自清洁。微观/纳米仿生结构已成功复制到木材表面,且所制备的遗态仿生木材不仅表现出超疏水性能,还表现出优异的自清洁能力。另外,所制备的仿生木材具有热稳定性能,其性能优于原始木材。6.受“稻草叶表面各向异性超疏水”启发,通过溶剂热沉积,PVB/SiO2涂层成功地沉积在木材表面上,利用纳米压印术在木材表面复制了茭草的微/纳米结构,具有极佳的超疏水性能。制备了微/纳米仿生结构(茭草)在木材表面成功复制。相比之下,所制备的仿生木材不仅表现出超疏水性能,水接触角(WCA)为155°,还具有优异的自清洁能力,滑动角为6°。此外,所制备的仿生木材具有热稳定性能,优于原木材。7.受“贻贝层层自组装”启发,采用Stober法与溶液自组装的方法在二氧化硅球表面接枝十八烷基三氯硅烷,再采用滴涂的方法在木材表面制备聚二甲基硅氧烷和SiO2涂层。在木材表面沉积了纳米SiO2-PDMS涂层,改变了木材的润湿性与稳定性。SiO2-PDMS超疏水木材不但没有改变木材的色彩纹理,还使木材表面具有低黏附超疏水特性,接触角约为158°,滚动角为6°;通过砂纸磨损实验,SiO2-PDMS超疏水木材仍然保持了超疏水性,说明SiO2-PDMS超疏水木材具有良好的机械稳定性。8.受“海水中珍珠层生物矿化”启发,通过低温水热法在杨木表面水热沉积了超亲水CaCO3涂层。为确定CaCO3纳米晶体在杨木表面的生长条件,研究了不同水热时间对CaCO3水热生长的影响。杨木表面采用水热矿化法分别生长1~24h,得到了一层仿生超亲水纳米CaCO3涂层,再用十七氟癸基三乙氧基硅烷(FAS-17)对其进行接枝改性处理,使杨木具有稳定的超疏水特性。制备的FAS-17改性CaCO3/杨木表面具有超疏水性能,其表面的静态水接触角为158°;同时还具有良好的热稳定性。
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