电子束辐射制备木材表面超疏水涂层及性能研究

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木材表面构筑超疏水涂层,不仅能有效防止水分浸入,避免木材因吸潮吸水而出现变形、开裂、变色和腐烂等现象,而且能赋予木材表面自清洁、防腐、防污等特性。虽然很多策略已被证明可用于构建超疏水表面,但大多方法需要繁琐的步骤,耗时和昂贵的制备过程。此外,木材表面超疏水涂层的机械耐磨性与化学耐久性依然是阻碍超疏水木材大规模应用的关键因素。本研究以钛酸四丁酯(TBOT)为前驱体,通过溶胶-凝胶法在木材表面构建TiO2基微/纳二元粗糙结构,使用羟基封端聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行低表面能修饰,添加的单体γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MAPS)用于参与聚合反应,后借助电子束(Electron Beam,EB)辐照技术引发自由基聚合反应固化木材表面超疏水涂层,以期获得耐磨稳定性、化学耐久性等性能良好的超疏水木材。主要内容如下:(1)以杨木为研究对象,研究了电子束辐照制备木材表面超疏水涂层的适宜制备条件,并采用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外变换光谱仪(FT-IR)分析了处理后杨木表面的微观结构及官能团。结果表明:纳米TiO2粒子成功负载在杨木表面(直径~500 nm),当TBOT的浓度为0.4%、PDMS添加浓度为0.5%、MAPS加入浓度为0.2%(浓度梯度为体积分数)、电子束辐照吸收剂量为5 kGy时为最佳制备条件,可在杨木表面获得最佳疏水性能,相应的接触角~166.16,滚动角~1.9°。(2)研究了电子束辐照处理对杨木表面超疏水涂层的影响规律以及超疏水杨木的基本性能。采用SEM、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)表征了最佳工艺参数下制得的疏水杨木、辐照杨木;并通过一系列实验探究了辐照制备的超疏水杨木疏水性能和自清洁性能、热稳定性、化学稳定性、抗紫外性能和时效性。测试结果揭示了电子束辐照制备超疏水杨木的作用规律。实验结果表明:超疏水涂层能有效延缓杨木的热降解速率,得到的超疏水杨木能抵抗10~60℃的水滴,pH值为2-12的液滴,可在pH=2、pH=12的溶液腐蚀1 h,乙醇、丙酮、环己烷、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)腐蚀2 h后保持超疏水性能。此外,超疏水杨木在自然环境中90天后其表面超疏水性能无明显下降,在紫外光照射18天后表面无明显变色,且依然保持超疏水性能。(3)研究了电子束辐照制备超疏水木材对不同树种木材的普遍适用性,此外,选用市场上性能优异的超疏水木器涂料对这三种树种的木材表面进行了疏水处理,从疏水性、自清洁性、耐磨性、耐超声清洗性、耐酸碱性等方面对比了辐照制备的木材表面超疏水涂层与涂装制备的超疏水涂层性能。结果表明,辐照制备超疏水木材具有普适性,相应的接触角均>164°且上述各项性能均优于涂装制备的超疏水木材。
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