CN106553249A - 制备超疏水趋磁性木材表面的方法及其木材 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备超疏水趋磁性木材表面的方法，包括以下步骤：将聚二甲基硅氧烷与固化剂混合，形成第一混合物；将聚二甲基硅氧烷与磁性纳米粒子混合，形成第二混合物；在超疏水表面上涂覆第一混合物，进行第一固化后用氟硅烷浸润，之后得到第一混合物层；将第二混合物涂覆于木材表面，将涂覆有第二混合物的木材表面覆盖于第一混合物层的正面，进行第二固化；从木材表面剥离去除其他物质，得到超疏水趋磁性木材表面。本发明提供的制备超疏水趋磁性木材表面的方法及其木材，将超疏水特性应用于木材资源中，改变木材表面的亲水性，从而不仅可以有效防止木材的耐候性劣化；而且对于木材的高附加值利用和功能化拓展具有重要的意义。

Description

制备超疏水趋磁性木材表面的方法及其木材
技术领域
本发明涉及固体表面技术领域，具体涉及一种制备超疏水趋磁性木材表面的方法及其木材。
背景技术
作为现代社会的重要组成部分之一，木材因其表面存在大量的羟基而具有亲水性，但该亲水性严重制约着其在某些特定领域中的应用。原因在于：木材表面层极易吸收水或水蒸气，随后被吸收的水分在毛细管的吸收作用下使木材细胞壁发生润涨；在膨胀和收缩作用下，木材表面与木材内部之间形成湿度梯度，该湿度梯度作用于木材上，使得木材表面和木材内部之间因应力不平衡而最终导致木材表面扭曲、翘曲和龟裂等。
出淤泥而不染，濯清涟而不妖；荷叶的“自清洁”功能使其可用于防雪、防污染、抗氧化以及防止电流传导等，而该“自清洁”功能得益于荷叶具有超疏水表面。除荷叶外，自然界中还存在许多该类天然超疏水物质，如蝴蝶翅膀、水黾腿等。如果该类超疏水特性可以应用于工农业生产和人们的日常生活，那么其将具有极其广阔的应用前景。如果建筑物的外墙、露天的广告牌等具有类似荷叶的表面，则其可以保持清洁。
基于此，有效地将荷叶的“自清洁”功能与日常生活中的木材资源相结合，对木材的高附加值利用和功能化拓展具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明旨在提供一种制备超疏水趋磁性木材表面的方法及其木材，以将超疏水特性应用于木材资源中，改变木材表面的亲水性，从而不仅可以有效防止木材的耐候性劣化；而且对于木材的高附加值利用和功能化拓展具有重要的意义。
为此，本发明提供以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种制备超疏水趋磁性木材表面的方法，包括以下步骤：S101：将聚二甲基硅氧烷与固化剂按(8-15)：1的重量比混合均匀，形成第一混合物；将聚二甲基硅氧烷与磁性纳米粒子按10：(0.5-10)的重量比混合均匀，形成第二混合物；S102：选取具有超疏水表面的物质，在超疏水表面上涂覆第一混合物，从而在超疏水表面上形成第一混合物层；S103：将S102得到的产物进行第一固化后用氟硅烷浸润，之后剥离除去超疏水表面，得到第一混合物层；其中，与超疏水表面相贴合的面为第一混合物层的正面；S104：将第二混合物涂覆于木材表面，并在其上覆盖S103得到的第一混合物层，使第一混合物层的正面与第二混合物贴合，然后进行第二固化；S105：从木材表面剥离去除除木材之外其他物质，得到超疏水趋磁性木材表面。
聚二甲基硅氧烷(PDMS)，也称为二甲基硅油，是一种疏水类的有机硅物料；其为无色或浅黄色液体、无味、透明度高，具有耐热性、耐寒性、防水性、表面张力小。将聚二甲基硅氧烷与固化剂按(8-15)：1的重量比混合均匀后，涂覆于超疏水表面后进行第一固化，然后用氟硅烷浸润，即用氟硅烷进行表面修饰，从而通过软印刷技术得到具有超疏水表面反结构的第一混合物层，即聚二甲基硅氧烷层；其中，具有超疏水表面反结构的面，即与超疏水表面相贴合的面为第一混合物层的正面。将聚二甲基硅氧烷与磁性纳米粒子按10：(0.5-10)的重量比混合均匀后涂覆于木材表面，从而将磁性纳米粒子的特性赋予木材表面，使木材具有趋磁性；将涂覆有第二混合物的木材表面覆盖于第一混合物层的正面，然后进行第二固化，即在软印刷转写过程中掺杂入磁性粒子；之后剥离去除除木材之外其他物质；最终得到具有超疏水和趋磁性的木材表面。具体地，本发明选用道康宁Sylgard 184硅橡胶作为固化剂。
在本发明的进一步实施方式中，S102中，第一混合物层的厚度为2mm-5mm，优选为3mm；选取具有超疏水表面的物质之后，并在超疏水表面上涂覆第一混合物之前，还包括步骤：用乙醇清洗超疏水表面并晾干，然后将晾干后的超疏水表面固定于载玻片上。将超疏水表面固定于载玻片上，即让软印刷过程在载玻片的辅助作用下进行，从而在更有利于实际操作的同时提高软印刷的质量，使得在第一混合物层的正面得到的超疏水表面反结构更清晰。
在本发明的进一步实施方式中，S103中，第一固化的温度为25℃-150℃，时间为1h-5h；用氟硅烷浸润具体为：在温度为25℃-130℃的条件下浸润3h-10h；S103后还包括：将第一混合物层的背面固定于另一载玻片上。将第一混合物层的背面固定于另一载玻片上，有助于后续木材表面的软印刷转写过程的进行。具体地，本发明的氟硅烷选用十七氟癸基三乙氧基硅烷。
在本发明的进一步实施方式中，S101中，将聚二甲基硅氧烷与磁性纳米粒子按10：(0.5-10)的重量比混合均匀具体为：将聚二甲基硅氧烷与磁性纳米粒子按10：(0.5-10)的重量比混合，然后在-100℃-100℃下搅拌0.01h-100h。
在本发明的进一步实施方式中，S104中，第二固化的温度为25℃-100℃，时间为1h-5h；第二混合物层的厚度为2mm-5mm，优选为3mm。
在本发明的进一步实施方式中，磁性纳米粒子的粒径为1nm-100nm；且磁性纳米粒子为纳米Fe3O4、纳米CoFe2O4和纳米MnFe2O4中的一种或多种。
在本发明的进一步实施方式中，超疏水表面的大小与木材表面的大小相匹配。
在本发明的进一步实施方式中，具有超疏水表面的物质选自具有超疏水特性的植物叶片或花瓣，尤其是选自荷叶、芋头叶、玫瑰花花瓣和月季花花瓣中的一种或多种的组合。
第二方面，根据本发明提供的方法制备得到的具有超疏水趋磁性表面的木材。
本发明的上述技术方案具有以下优点：
(1)申请人经过悉心研究发现：通过软印刷技术，使聚二甲基硅氧烷在木材表面创建类有机生物体的超疏水表面，并利用磁性纳米粒子与聚二甲基硅氧烷的共混在木材表面形成仿生超疏水趋磁性表面。即利用软印刷技术在木材表面制备仿生超疏水结构，并在软印刷转写过程中掺杂入磁性粒子，从而使木材具有超疏水趋磁性表面。
(2)通过本发明提供的方法，不仅可以赋予木材超疏水、自清洁性能；而且将磁性纳米粒子应用于制备超疏水趋磁性木材表面的方法中，借助磁性纳米粒子的小尺寸效应和表面效应可以赋予木材众多新的特殊性能，从而实现木材的高附加值利用。
(3)本发明提供的制备方法可高效地利用低质木材资源，不仅可以有效防止木材的耐候性劣化，而且可以拓宽低质木材的用途，提高其使用价值，为高效利用低质木材资源提供新的思路和途径。
(4)材料表面的浸润性大小可由接触角衡量，接触角大于150°的定义为超疏水，小于5°的定义为超亲水；通过本发明提供的制备方法，可以成功制备出接触角大于150°的木材表面，从而使木材具有优异的疏水性，进而使其具有自清洁，耐油污等优点。
(5)本发明提供的制作方法操作简单、易于操作可控制；且成本低廉。
附图说明
图1为本发明实施例中的超疏水趋磁性木材复合材料的宏观图；
图2为本发明实施例中的超疏水趋磁性木材复合材料的SEM图；
图3为本发明实施例中的超疏水趋磁性木材复合材料被磁铁吸至悬于空中的宏观图；
图4为本发明实施例中的超疏水趋磁性木材复合材料超疏水性能的宏观图和接触角测试图；
图5为本发明实施例中的制备超疏水趋磁性木材表面的方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚的说明本发明的技术方案，因此只作为实例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规试剂商店购买得到的。
以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，数据为三次重复实验的平均值或平均值±标准差。
本发明提供一种制备超疏水趋磁性木材表面的方法，如图5所示，包括以下步骤：
S101：将聚二甲基硅氧烷与固化剂按(8-15)：1的重量比混合均匀，形成第一混合物；将聚二甲基硅氧烷与磁性纳米粒子按10：(0.5-10)的重量比混合均匀，形成第二混合物。其中，将聚二甲基硅氧烷与磁性纳米粒子按10：(0.5-10)的重量比混合均匀优选为：将聚二甲基硅氧烷与磁性纳米粒子按10：(0.5-10)的重量比混合，然后在-100℃-100℃下搅拌0.01h-100h；磁性纳米粒子的粒径优选为1nm-100nm；且磁性纳米粒子优选为纳米Fe3O4、纳米CoFe2O4和纳米MnFe2O4中的一种或多种。
S102：选取具有超疏水表面的物质，在超疏水表面上涂覆第一混合物，从而在超疏水表面上形成第一混合物层。其中，第一混合物层的厚度为2mm-5mm，优选为3mm。
S103：将S102得到的产物进行第一固化后用氟硅烷浸润，之后剥离除去超疏水表面，得到第一混合物层；其中，与超疏水表面相贴合的面为第一混合物层的正面。第一固化的温度优选为25℃-150℃，时间优选为1h-5h；用氟硅烷浸润优选为：在温度为25℃-130℃的条件下浸润3h-10h。
S104：将第二混合物涂覆于木材表面，并在其上覆盖S103得到的第一混合物层，使第一混合物层的正面与第二混合物贴合，然后进行第二固化。其中，第二固化的温度优选为25℃-100℃，时间优选为1h-5h；第二混合物层的厚度为2mm-5mm，优选为3mm。
S105：从木材表面剥离去除除木材之外其他物质，得到超疏水趋磁性木材表面。
优选地，；选取具有超疏水表面的物质之后，并在超疏水表面上涂覆第一混合物之前，还包括步骤：用乙醇清洗超疏水表面并晾干，然后将晾干后的超疏水表面固定于载玻片上。将超疏水表面固定于载玻片上，即使得软印刷过程在载玻片的辅助作用下进行，在更有利于实际操作的同时使印刷质量更高，即在第一混合物层的正面得到的超疏水表面反结构更清晰。
优选地，S103后还包括：将第一混合物层的背面固定于另一载玻片上。将第一混合物层的背面固定于另一载玻片上，有助于后续木材表面的软印刷撰写过程的进行。
优选地，超疏水表面的大小与木材表面的大小相匹配。
优选地，具有超疏水表面的物质具有超疏水特性的植物叶片或花瓣，尤其是选自荷叶、芋头叶、玫瑰花花瓣和月季花花瓣中的一种或多种的组合。
下面结合具体实施例进行说明。
实施例一
本发明提供一种制备超疏水趋磁性木材表面的方法，包括以下步骤：
S101：将聚二甲基硅氧烷与Sylgard 184按10：1的重量比混合均匀，形成第一混合物；将聚二甲基硅氧烷与粒径为30nm-60nm的Fe3O4按10:10的重量比混合，在-100℃下搅拌50h，形成第二混合物。
S102：截取5cm×5cm的荷叶表面，用乙醇清洗表面后晾干，将晾干后的荷叶固定于载玻片上，然后在固定于载玻片上的荷叶表面上涂覆第一混合物，在晾干后的荷叶表面上形成3mm的第一混合物层。
S103：将S102得到的产物在25℃下固化5h，然后用十七氟癸基三乙氧基硅烷在100℃下浸润固化后的产物5h，之后剥离除去荷叶，得到第一混合物层；其中，与荷叶相贴合的面为第一混合物层的正面。
S104：将第二混合物涂覆于5cm×5cm的木材表面上，形成3mm的第二混合物层，将涂覆有第二混合物的木材表面覆盖于S103得到的第一混合物层的正面，在50℃下固化3h。
S105：从木材表面剥离去除除木材之外其他物质，得到具有超疏水趋磁性木材表面的木材。
图1为本实施例得到的具有超疏水趋磁性木材表面的木材宏观图，图2为该材料的扫描电子显微镜(SEM)图，从图中可以看出，木材表面已被赋予超疏水表面的结构。
实施例二
本发明提供一种制备超疏水趋磁性木材表面的方法，包括以下步骤：
S101：将聚二甲基硅氧烷与Sylgard 184按8：1的重量比混合均匀，形成第一混合物；将聚二甲基硅氧烷与粒径为1nm-100nm的CoFe2O4按10:0.5的重量比混合，在0℃下搅拌30h，形成第二混合物。
S102：截取3cm×3cm的芋头叶，用乙醇清洗表面后晾干，将晾干后的芋头叶固定于载玻片上，然后在固定于载玻片上的芋头叶表面上涂覆第一混合物，在晾干后的芋头叶表面上形成2mm的第一混合物层。
S103：将S102得到的产物在100℃下固化3h，然后用十七氟癸基三乙氧基硅烷在130℃下浸润固化后的产物3h，之后剥离除去芋头叶，得到第一混合物层；其中，与芋头叶相贴合的面为第一混合物层的正面。
S104：将第二混合物涂覆于3cm×3cm的木材表面上，形成5mm的第二混合物层，将涂覆有第二混合物的木材表面覆盖于S103得到的第一混合物层的正面，在100℃下固化0.01h。
S105：从木材表面剥离去除除木材之外其他物质，得到具有超疏水趋磁性木材表面的木材。
实施例三
本发明提供一种制备超疏水趋磁性木材表面的方法，包括以下步骤：
S101：将聚二甲基硅氧烷与Sylgard 184按15：1的重量比混合均匀，形成第一混合物；将聚二甲基硅氧烷与粒径为20nm-80nm的MnFe2O4按10:5的重量比混合，在100℃下搅拌0.01h，形成第二混合物。
S102：截取3cm×3cm的月季花花瓣，用乙醇清洗表面后晾干，将晾干后的月季花花瓣固定于载玻片上，然后在固定于载玻片上的月季花花瓣表面上涂覆第一混合物，在晾干后的月季花花瓣表面上形成5mm的第一混合物层。
S103：将S102得到的产物在150℃下固化1h，然后用十七氟癸基三乙氧基硅烷在60℃下浸润固化后的产物7h，之后剥离除去月季花花瓣，得到第一混合物层；其中，与月季花花瓣相贴合的面为第一混合物层的正面。
S104：将第二混合物涂覆于3cm×3cm的木材表面上，形成2mm的第二混合物层；将涂覆有第二混合物的木材表面覆盖于S103得到的第一混合物层的正面，在30℃下固化30min。
S105：从木材表面剥离去除除木材之外其他物质，得到具有超疏水趋磁性木材表面的木材。
另外，为了进一步验证本发明实施例得到的木材的性质，对其进行磁性测试和疏水性测试：
(一)磁性测试
对实施例至实施例三制备得到的木材分别进行磁性测试，采用磁铁对各实施例得到的木材进行吸引；实验发现：各实施例得到的木材均可被磁铁吸至悬于空中。
图3为本发明实施例中的超疏水趋磁性木材复合材料被磁铁吸至悬于空中的宏观图；从图中可以看出，采用本发明提供的方法制备得到的木材，可以被磁铁吸至悬于空中，说明其木材被赋予趋磁性。
(二)疏水性测试
对实施例一至实施例三得到的木材进行疏水性测试。具体测试方法为：将各实施例得到的木材分别浸泡于水中，观察其状态；其次，分别测定木材表面水滴的接触角，然后判断其疏水性。
图4中的(1)、(2)和(3)分别为本发明实施例中的超疏水趋磁性木材复合材料超疏水性能的宏观图和接触角测试图；从图中可以看出，采用本发明提供的方法制备得到的木材，将其浸泡于水中后均能浮于水面；在接触角的测试中，各实施例中水滴在木材表面上的接触角分别为153±1°，150±2°和152±2°。众所周知，材料表面的浸润性大小可由接触角衡量，接触角大于150°的定义为超疏水，小于5°的定义为超亲水。因此，本发明得到的木材具有超疏水性。
由此可见，本发明提供的制备超疏水趋磁性木材表面的方法，可以改变木材表面的亲水性，使经过处理后的木材表面兼具超疏水和趋磁性。
当然，除了实施例一至实施例三中列举的情况，其他固化温度和时间、原料组分间的重量比、磁性纳米粒子以及超疏水表面等都是可以的。
本发明提供的制备超疏水趋磁性木材表面的方法及其木材，将超疏水特性应用于木材资源中，改变了木材表面的亲水性，从而不仅可以有效防止木材的耐候性劣化；而且对于木材的高附加值利用和功能化拓展具有重要的意义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种制备超疏水趋磁性木材表面的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101：将聚二甲基硅氧烷与固化剂按(8-15)：1的重量比混合均匀，形成第一混合物；将聚二甲基硅氧烷与磁性纳米粒子按10：(0.5-10)的重量比混合均匀，形成第二混合物；
S102：选取具有超疏水表面的物质，在所述超疏水表面上涂覆所述第一混合物，从而在所述超疏水表面上形成第一混合物层；
S103：将所述S102得到的产物进行第一固化后用氟硅烷浸润，之后得到第一混合物层；其中，与超疏水表面相贴合的面为第一混合物层的正面；
S104：将所述第二混合物涂覆于木材表面，并在其上覆盖所述S103得到的第一混合物层，使所述第一混合物层的正面与所述第二混合物贴合，然后进行第二固化；
S105：从所述木材表面剥离去除除木材之外其他物质，得到超疏水趋磁性木材表面。
2.根据权利要求1所述的制备超疏水趋磁性木材表面的方法，其特征在于：
所述S102中，所述第一混合物层的厚度为2mm-5mm；
所述选取具有超疏水表面的物质之后，所述并在所述超疏水表面上涂覆所述第一混合物之前，还包括步骤：
用乙醇清洗超疏水表面并晾干，然后将晾干后的超疏水表面固定于载玻片上。
3.根据权利要求2所述的制备超疏水趋磁性木材表面的方法，其特征在于：
所述S103中，所述第一固化的温度为25℃-150℃，时间为1h-5h；
所述用氟硅烷浸润具体为：在温度为25℃-130℃的条件下浸润3h-10h；
所述S103后还包括：将所述第一混合物层的背面固定于另一所述载玻片上。
4.根据权利要求1所述的制备超疏水趋磁性木材表面的方法，其特征在于：
所述S101中，所述将聚二甲基硅氧烷与磁性纳米粒子按10：(0.5-10)的重量比混合均匀具体为：将聚二甲基硅氧烷与磁性纳米粒子按10：(0.5-10)的重量比混合，然后在-100℃-100℃下搅拌0.01h-100h。
5.根据权利要求1所述的制备超疏水趋磁性木材表面的方法，其特征在于：
所述S104中，所述第二固化的温度为25℃-100℃，时间为1h-5h；所述第二混合物层的厚度为2mm-5mm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的制备超疏水趋磁性木材表面的方法，其特征在于：
所述磁性纳米粒子的粒径为1nm-100nm；且所述磁性纳米粒子为纳米Fe3O4、纳米CoFe2O4和纳米MnFe2O4中的一种或多种。
7.根据权利要求1-5任一项所述的制备超疏水趋磁性木材表面的方法，其特征在于：
所述超疏水表面的大小与所述木材表面的大小相匹配。
8.根据权利要求1-5任一项所述的制备超疏水趋磁性木材表面的方法，其特征在于：
所述具有超疏水表面的物质选自具有超疏水特性的植物叶片或花瓣，尤其是选自荷叶、芋头叶、玫瑰花花瓣和月季花花瓣中的一种或多种的组合。
9.按照权利要求1-8中任一项所述的方法制备得到的具有超疏水趋磁性表面的木材。
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