[发明专利]一种基于溶凝胶法制备超疏水木材的方法

说明书

技术领域

本发明属于一种基于溶凝胶法制备超疏水木材的方法。

背景技术

木材是一种可再生、可再循环利用和可自然降解的绿色材料和生物资源，它具有 纹理美观、色泽天然、质感舒适、可塑性好、易于加工等优点，被广泛应用于建筑、家具制造 和室内装饰等领域。但是木材组分中的纤维素和半纤维素富含游离羟基，加之细胞壁纳米 空隙的存在，使得木材具有很强的吸湿/水能力，导致木材易干缩湿胀，尺寸稳定性差，引起 木材变形、翘曲和开裂。目前，对木材防腐处理主要依靠于在木材表面涂防水防腐油漆，但 油漆层与木材表面粘结性差，易脱落，效果仍不理想。

超疏水表面是一种水接触角大于150°，滚动角小于10°的表面。荷叶表面属于典型 的超疏水表面，水滴在其表面容易滚动且能够带走表面附着的灰尘等杂质从而使其具备自 清洁效果。

传统的木材疏水处理方法，如乙酰化、热处理、硅烷化处理等，只能在一定程度上 减缓木材对水分的吸收，但无法从根本上抵御水分特别是液态水对木材的侵入。自然界普 遍存在的超疏水现象（如植物叶片表面、蜻蜓翅膀、水黾的腿）给木材疏水化改性提供了重 要的启示。荷叶表面属于典型的超疏水表面（表面水接触角大于150°，滚动角小于10°），水 滴在其表面容易滚动且能够带走表面附着的灰尘等杂质从而使其具备自清洁效果。如果能 在木材基底上构建类似荷叶表面那样的微/纳米双重粗糙结构，并在粗糙表面修饰低表面 能物质，形成稳固耐久的超疏水膜，使木材表面由亲水性变为超疏水性，水滴不能浸润木材 表面，木材表面始终保持干燥，则可以有效地抵御液态水的侵入，从而可以避免木材因吸水 而导致的干缩湿胀、生物降解等问题。近年来，随着纳米科学技术的快速发展，以及仿生学 研究的兴起，木材超疏水功能性改良也成逐渐为一个研究热点，超疏水木材的制备以及相 关技术的研发也逐渐增多。如中国专利（CN101234498A）公开了一种超疏水木材及其制备 方法，借助特定的模具将疏水的蜂蜡粉末淹没木材，并在一定的压力和温度下，使蜂蜡固定 于木材中，木材本体的孔隙中充满蜂蜡。获得的超疏水木材水接触角为150-170°，滚动角小 于10°。中国专利（申请号201410653267）公开了一种利用3D打印技术制备超疏水木材的方 法，其特征在于以自然界中或人工构建的超疏水表面为模板，将其表面图案导入3D打印机， 以疏水改性无机或有机纳米粒子作为打印原料，对木材各个表面分别进行3D打印，获得超 疏水木材。除此之外，化学气相沉积法、水热法、等离子体法、以及表面接枝共聚法用于制备 超疏水木材的研究也有报道。从以上专利和研究报道可以看出，超疏水木材的制备工艺比 较复杂，而且等离子体聚合、化学气相沉积法以及3D打印技术所用设备或原料比较昂贵，所 涉及的处理工艺复杂，使用成本高，超疏水表面寿命短，抗酸碱侵蚀性差，易污染，质量差， 难于推广，难以实现超疏水木材的规模化制备和生产。此外，超疏水木材在实际应用中还必 须考虑超疏水膜结构的抗酸碱侵蚀性等问题。目前，制备的超疏水木材表面抗酸碱侵蚀性 差；此外，外界环境中的灰尘、油性物质等容易污染超疏水表面，使其逐渐失去超疏水性能， 且难以实现大面积木材超疏水表面的制备。因此，发明一种工艺简单、且易大面积推广的超 疏水木材制备技术显得很有必要。

发明内容

本发明的目的是设计一种基于溶凝胶法制备超疏水木材的方法,能使经过该方 法处理的木材具有抗酸碱侵蚀的超疏水表面，具有操作简单，易于实现，制备和使用价格低 廉，节能环保，有良好的抵抗酸碱侵蚀的能力以及高湿环境下的稳定性和使用寿命长的优 点。

为此,本发明的方法有如下步骤：

(1)硅溶胶合成；

按氨水：无水乙醇：正硅酸乙酯的体积比为1：15～17：1的量份备料；

采用St?ber溶胶-凝胶法，以正硅酸乙酯为反应前驱体，乙醇为溶剂，氨水为催化剂，按 照一定的比例混合，常温条件下制备单分散纳米二氧化硅溶胶；包括，

向质量浓度为25%的氨水中加入其体积15～17倍的无水乙醇，在50℃条件下磁力搅拌 30min；

然后再向上述溶液中缓慢加入与氨水等体积的的正硅酸乙酯，继续搅拌2h，制成淡蓝 色的单分散纳米二氧化硅溶胶；

（2）单分散纳米二氧化硅溶胶的疏水改性；