聚多巴胺粘附木材超疏水表面仿生构建及性能表征

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木材是一种天然生物质多孔复合材料,表面含有大量羟基等亲水性基团,对水具有较强的敏感性,能够吸收、储藏外界的水分,导致木材变形,发霉与腐朽。木材经超疏水处理后,可以有效提高其防水、防霉与自清洁等性能,具有重要现实意义。受到自然界中“荷叶效应”微-纳米双尺度表面构造的启发,超疏水木材表面的微-纳米结构可通过负载无机纳米粒子实现,因此,提高无机纳米粒子与木材之间的界面稳固性是制备超疏水木材亟需解决的关键问题。本文基于聚多巴胺(Polydopamine PDA)具有较强的生物粘附性与较多的反应活性位点,在木材表面设计并构造出稳固的微-纳米结构,进一步地通过表面低功能化,获得具有高稳固性的超疏水木材表面。研究结果如下:(1)基于环氧/氨基体系设计高稳固性超疏水木材表面通过聚多巴胺涂层上富含氨基与酚羟基等活性基团,设计超疏水木材表面结构。采用多巴胺溶液自聚合反应在木材的表面沉积一层聚多巴胺涂层,其次,在硅烷偶联剂γ―氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)与环氧交联剂乙二醇二缩水甘油醚(EDGE)的共同作用下,把纳米二氧化硅(SiO2)以共价键的形式固定在木材表面,经过十八烷基三氯硅烷(OTS)低表面能处理制备超疏水木材。结果表明,木材表面水接触角为156.6°,滚动角4.7°,超疏水木材表面具有明显的粗糙结构,纳米SiO2被聚多巴胺与硅烷偶联剂以及交联剂通过氨基与环氧反应固定在木材的表面,超疏水木材表面的表面稳固性与化学稳定性有所提高。(2)一步法/两步法制备超疏水木材表面通过在多巴胺自聚的过程中,添加硅烷偶联剂γ-巯丙基三甲氧基硅烷(KH580)与纳米三氧化二铝(Al2O3)(一步法)或KH580接枝的Al2O3(两步法),聚多巴胺及其衍生物与硅烷偶联剂之间发生席夫碱和迈克尔加成反应,把Al2O3通过共价/非共价作用牢牢固定在木材的表面,构造出稳固的微-纳米粗糙结构,构造超疏水木材表面。结果表明,一步法制备的木材表面呈现出蜂窝状结,接触角为155.2°;两步法制备的木材表面呈现出层状结构,接触角为152.9°,一步法制备的超疏水木材表面具有更合理的微-纳米粗糙,XPS与TGA分析表明KH580与聚多巴胺存在共价作用,因此木材表现出良好的表面稳固性与化学稳定性。(3)聚多巴胺刻蚀构建微-纳米粗糙制备超疏水木材本文采用氢氧化钠(NaOH)与甲基硅酸钠(SMS)两种强碱性溶液分别刻蚀PDA木材涂层,解决了无机纳米粒子与木材之间界面结合性能差的问题,制备的超疏水木材水接触角最高达到157.4°。通过SEM、AFM观察表明,PDA在强碱性环境中的脱落是整层脱落的行为,形成了明显的微纳米粗糙结构,SMS水解生成低聚或聚合的聚合硅醇烷,使得SMS强碱性溶液刻蚀的超疏水木材表现出更高的粗糙度以及接触角,该超疏水木材表面具有高稳固性,超疏水木材表面化学稳定性测试表明,由于强碱环境中PDA易于脱落的聚合物已被去除,超疏水表面表现出良好的耐酸碱以及耐有机溶剂性能。
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