木材表面彩色超疏水涂层构建与性能研究

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木材中木质素、纤维素和半纤维素均含有大量的亲水性基团,以及木材本身的多孔结构使得木材易吸水吸湿进而产生形变、霉变、腐朽、变色等缺陷,针对该缺陷,本论文制备了一种彩色超疏水涂层具有优异的耐腐蚀性、耐磨性、耐高温防冻、抗紫外老化等优点,可以使木材具有稳定的颜色和超疏水性能。彩色超疏水木材呈现出五彩缤纷的颜色,可被广泛应用于工艺品、建筑、厨卫家具、广告招牌等领域,具有很好的装饰作用。目前木材表面构建超疏水涂层的方法有很多,但这些方法涉及大量有机溶剂和含氟化合物的使用,引起环境问题,随着世界对环保绿色涂层的新要求,减少有害有机溶剂和有毒氟化物的使用是未来制备超疏水涂层的必然趋势。本论文以木材作为基材,用水作为溶剂,金属氧化物作为颜色颗粒构建粗糙表面,引入环保型粘合剂聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为低表面修饰剂,将三者共混制备得到彩色超疏水涂料,将涂料涂覆到木材表面构建得到彩色超疏水涂层。主要结论如下:(1)对经过金属氧化物和PDMS处理后的木材表面疏水性能进行探究。不同金属氧化物可以赋予木材相应的颜色,木材表面水滴接触角由初始的28.7°提高至150°以上,最高达到162.0°,滚动角为2°,具有较好的超疏水性能。采用扫描电子显微镜(SEM)和傅里叶红外光谱(FTIR)分析木材表面彩色超疏水涂层的微观形貌与化学成分,结果表明,经过PDMS修饰后的疏水金属氧化物颗粒均匀分布在木材表面构建了二维微纳米超疏水结构。(2)对木材表面彩色超疏水涂层的制备工艺进行探究。PDMS的添加量对处理木材表面疏水性能的影响最为显著,金属氧化物种类对处理木材表面颜色影响最为显著。当溶剂水为50 mL,PDMS添加量为5 g,金属氧化物为0.5 g时,可在木材横截面上得到具有最佳疏水性能的彩色超疏水涂层。对木材表面涂层进行自清洁测试和色差分析,结果表明涂层具有良好的自清洁性能,且经过不同金属氧化物处理的木材表面涂层呈现不同的明度(L*)值、红绿轴色品指数(a*)值、黄蓝轴色品指数(b*)值。(3)对木材表面彩色超疏水涂层的颜色调控进行探究。通过改变两种金属氧化物之间的配比,制备得到具有不同颜色梯度的彩色超疏水木材,水滴接触角均在150°以上,且滚动角小于10°。采用SEM、FTIR红外光谱、X射线光电子能谱(XPS)分析木材表面彩色超疏水涂层的微观形貌与化学成分,结果表明,经过PDMS修饰后的复合金属氧化物颗粒均匀分布在木材表面构建了二维微纳米超疏水结构。对木材表面涂层进行自清洁测试和色差分析,结果表明,涂层具有良好的自清洁性能,超疏水木材会因为金属氧化物配比的变化而呈现不同的L*、a*、b*值,实现对彩色超疏水木材表面颜色梯度的调控。(4)研究木材表面彩色超疏水涂层的机械稳定性、化学稳定性、热稳定性和抗紫外老化能力。通过对生活中常见的破坏形式进行模拟,如手擦、酸雨、高热、紫外强光照射等,以期全面评价彩色超疏水木材在实际生活中的应用。在20000 Pa的高压下,彩色超疏水木材在800目的砂纸表面磨损105 cm后仍保持超疏水性,表明其具有较好的机械稳定性。彩色超疏水木材在pH=1-12的水溶液中放置30 min后依然具有较好的超疏水性能且颜色没有变化,表明其具有较好的化学稳定性。彩色超疏水木材在120℃和0℃环境下放置2 h后,接触角依旧保持在150°以上,表明其具有较好的热稳定性。同时彩色超疏水木材表面的灰尘污染物能被水滴带走,表明其具有较好的自清洁防污性能。以上性能提高了木材在手工工艺品、木制装饰品、户外庭院、建筑、室内装饰等领域的应用价值,具有广泛的应用前景。
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