CN106863507A - 一种基于纳米二氧化钛提高木材疏水性及稳定性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于纳米二氧化钛提高木材疏水性及稳定性的方法，以低粘度的脲醛树脂、纳米石墨烯和纳米二氧化钛为材料，结合木材本身微米级的粗糙文理结构，采用溶胶‑凝胶法在木材表面搭建微纳米二级凹凸粗糙文理结构的薄膜，并在微纳米二级凹凸粗糙文理结构的薄膜上修饰疏水物质，使得木材表面附着一层疏水薄膜。本发明的优点：利用低粘度的脲醛树脂填塞木材细胞空腔，进而阻止水分的进入，同时木材的纤维化学基团与脲醛树脂发生化学反应，使得纤维素骨架化学键间相互结合，增强脲醛树脂与木材间的牢固度；利用纳米二氧化钛粒子及木材本身微米级的粗糙结构制备仿造荷叶表面的二级凸凹粗糙薄膜结构，达到阻止水分进入的目的。

Description

一种基于纳米二氧化钛提高木材疏水性及稳定性的方法
技术领域
本发明涉及一种木材改性处理方法，特别是涉及一种基于纳米二氧化钛提高木材疏水性及稳定性的方法。
背景技术
木材被广泛应用于建筑、家具制造和室内装饰等领域，但因其具有丰富的孔隙结构并含有大量的亲水性基团，使得木材具有很强的吸湿、吸水性，可引起木材干缩湿胀，导致产生翘曲、变形、开裂等缺陷，因此，在木材或木制品使用之前，一般需要做疏水防护处理。多数传统的疏水处理法，如化学试剂浸渍改性处理或表面涂饰，虽然在一定程度上可提高木材的疏水性，但无法从根本上抑制水分对木材的侵入，难以实现木材表面的长期保护。此外，化学改性在某种程度上会影响木材自身的结构和组成，影响木材的力学强度。
近年来世界学者对木材疏水处理技术做了大量的研究工作。针对木材的结构及化学组成，解决木材易吸水的方法大致分成两种：一、对木材进行整体处理；二、通过表面处理阻止木材与水分的接触。对木材的整体改性，国内外学者发表过很多报道。整体改性中化学改性主要包括：乙酰化处理、树脂处理改性、戊二醛处理改性、有机硅处理、热处理改性等等。其中对利用纳米溶胶浸渍处理、微乳液渗透处理、等离子放电处理等方法，文献中也有提到。采用纳米颗粒对基底进行微纳米粗糙化，即利用溶胶-凝胶法将纳米粒子引入基体表面，也可以成功的在材料表面上沉积疏水的无机-有机薄层通过这种方法，水分和水蒸气的吸收可在一定程度上得到降低，但是这种方法不能完全阻止水分的进入。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种基于纳米二氧化钛提高木材疏水性及稳定性的方法，其先用低粘度的脲醛树脂填塞木材的细胞空腔，同时木材的纤维化学基团与脲醛树脂发生了化学反应，使得纤维素骨架化学键间相互结合，增强脲醛树脂与木材间的牢固度。同时利用仿生原理，即利用纳米二氧化钛粒子及木材本身微米级的粗糙结构制备仿造荷叶表面的二级凸凹结构，同时利用石墨烯本身的特性，将纳米二氧化钛粒子与脲醛树脂紧密的结合在一起，增强了纳米二氧化钛粒子的附着力度，再利用疏水物质对凸凹结构进行修饰，使木材表面由亲水性变为疏水性，同时利用Ti02优良的紫外线吸收能力，提高木材的耐光老化性能，以获得具备疏水兼紫外线防护性能的功能性木材。
为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案是：以低粘度的脲醛树脂、纳米石墨烯和纳米二氧化钛为材料，结合木材本身微米级的粗糙文理结构，采用溶胶-凝胶法在木材表面搭建微纳米二级凹凸粗糙文理结构的薄膜，并在微纳米二级凹凸粗糙文理结构的薄膜上修饰疏水物质，使得木材表面附着一层疏水薄膜。
优选地，所述低粘度的脲醛树脂、纳米石墨烯和纳米二氧化钛的质量比为10-20:0.5-0.8:1。
进一步的，具体操作步骤为：
a、胶体溶液制备，将低粘度的脲醛树脂、纳米石墨烯和纳米二氧化钛按照比重混合并制成溶胶状备用；
b、木材干燥，将木材在90-100℃下干燥至恒重；
c、浸渍处理，将干燥后的木材置于密闭容器内，并往密闭容器内加入胶体溶液至没过木材，然后加压浸渍3-5h；
d、凝胶处理，经陈化5-8h后，对胶体溶液加热处理，使得木材表面形成一层微纳米二级凹凸粗糙文理结构薄膜；
e、疏水处理，取出木材，在微纳米二级凹凸粗糙文理结构薄膜上附着疏水物质；
f、烘干处理，先将木材置于30-50℃的烘箱中烘干至恒重，然后升温烘箱温度至90-100℃下烧结固化薄膜，即制得成品。
优选地，所述疏水物质为硬脂酸或HDTMS。
优选地，所述c步骤中，加压浸渍的压力为0.8-1MPa。
优选地，所述a步骤中，在制备胶体溶液过程中还可以加入纳米疏水剂。
本发明方法的优点体现在以下几个方面：
1、利用低粘度的脲醛树脂填塞木材的细胞空腔，进而阻止水分的进入。同时木材的纤维化学基团与脲醛树脂发生了化学反应，使得纤维素骨架化学键间相互结合，增强脲醛树脂与木材间的牢固度。
2、利用仿生原理，即利用纳米二氧化钛粒子及木材本身微米级的粗糙结构制备仿造荷叶表面的二级凸凹粗糙薄膜结构，达到了进一步阻止水分进入的目的。
3、增加了纳米石墨烯，在凝胶处理过程中，使得二级凸凹粗糙文理结构更加明显，更加贴紧荷叶表面文理结构。
4、石墨烯还起到了桥梁的作用，将纳米二氧化钛粒子与脲醛树脂紧密的结合在一起，增强了纳米二氧化钛粒子的附着力度，同时石墨烯又能增强薄膜的强度和耐磨性能
5、利用疏水物质对凸凹粗糙薄膜结构进行修饰，使木材表面由亲水性变为疏水性，其接触角达到150°以上。
6、利用Ti02优良的紫外线吸收能力，提高木材的耐光老化性能，以获得具备疏水兼紫外线防护性能的功能性木材。
具体实施方式
以杨木为例说明：
实施例1
首先将低粘度的脲醛树脂、纳米石墨烯和纳米二氧化钛按照质量比为10:0.5:1的比例混合并制成溶胶状备用；将木材在90-100℃下干燥至恒重；接着将干燥后的木材置于密闭容器内，并往密闭容器内加入胶体溶液至没过木材，然后在0.8-1MPa的压力下浸渍3-5h；经陈化5-8h后，对胶体溶液加热处理，使得木材表面形成一层微纳米二级凹凸粗糙文理结构薄膜；取出木材，在微纳米二级凹凸粗糙文理结构薄膜上附着硬脂酸；然后先将木材置于30-50℃的烘箱中烘干至恒重，然后升温烘箱温度至90-100℃下烧结固化薄膜，即制得成品。成品经测试，疏水性（接触角）为155°，耐光老化性（总色差值）为30%。
对比例1
本实施例中不加入纳米石墨烯物质，其他处理条件同实施例1。制得的成品经测试，疏水性（接触角）为132°，耐光老化性（总色差值）为40%，木材表面的强度及耐磨性能明显低于实施例1。
对比例2
本实施例中的疏水物质选用HDTMS，其他处理条件同实施例1。制得的改性木材成品经测试，疏水性（接触角）为160°，耐光老化性（总色差值）为30%。
对比例3
本实施例中还添加了SS-1/SS-11型水性纳米疏水剂，其他处理条件同实施例1。制得的改性木材成品经测试，疏水性（接触角）为170°，耐光老化性（总色差值）为30%。
对比例4
本实施例中将纳米二氧化钛替换成等量的纳米二氧化硅，他处理条件同实施例1。制得的改性木材成品经测试，疏水性（接触角）为121°，耐光老化性（总色差值）为65%。
对比例5
本实施例中将纳米二氧化钛替换成等量的纳米氧化锌，他处理条件同实施例1。制得的改性木材成品经测试，疏水性（接触角）为130°，耐光老化性（总色差值）为63%。

Claims (6)

1.一种基于纳米二氧化钛提高木材疏水性及稳定性的方法，其特征在于：以低粘度的脲醛树脂、纳米石墨烯和纳米二氧化钛为材料，结合木材本身微米级的粗糙文理结构，采用溶胶-凝胶法在木材表面搭建微纳米二级凹凸粗糙文理结构的薄膜，并在微纳米二级凹凸粗糙文理结构的薄膜上修饰疏水物质，使得木材表面附着一层疏水薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米二氧化钛提高木材疏水性及稳定性的方法，其特征在于：所述低粘度的脲醛树脂、纳米石墨烯和纳米二氧化钛的质量比为10-20:0.5-0.8:1。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米二氧化钛提高木材疏水性及稳定性的方法，其特征在于：具体操作步骤为：
a、胶体溶液制备，将低粘度的脲醛树脂、纳米石墨烯和纳米二氧化钛按照比重混合并制成溶胶状备用；
b、木材干燥，将木材在90-100℃下干燥至恒重；
c、浸渍处理，将干燥后的木材置于密闭容器内，并往密闭容器内加入胶体溶液至没过木材，然后加压浸渍3-5h；
d、凝胶处理，经陈化5-8h后，对胶体溶液加热处理，使得木材表面形成一层微纳米二级凹凸粗糙文理结构薄膜；
e、疏水处理，取出木材，在微纳米二级凹凸粗糙文理结构薄膜上附着疏水物质；
f、烘干处理，先将木材置于30-50℃的烘箱中烘干至恒重，然后升温烘箱温度至90-100℃下烧结固化薄膜，即制得成品。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于纳米二氧化钛提高木材疏水性及稳定性的方法，其特征在于：所述疏水物质为硬脂酸或HDTMS。
5.根据权利要求3所述的一种基于纳米二氧化钛提高木材疏水性及稳定性的方法，其特征在于：所述c步骤中，加压浸渍的压力为0.8-1MPa。
6.根据权利要求3所述的一种基于纳米二氧化钛提高木材疏水性及稳定性的方法，其特征在于：所述a步骤中，在制备胶体溶液过程中还可以加入纳米疏水剂。
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