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木材表面遗态仿生构建类荷叶自清洁超疏水微/纳米结构—维科号

花匠小妙招
2025-03-02 08:56

木材是大自然赋予人类最宝贵的木质基材料，但多孔性、各向异性以及大量亲水基团的存在，使木材在工程和工业领域的实际应用中容易发生腐朽、霉变、开裂变形以及虫蛀等，同时，还具有在特定条件下易燃等天然缺陷。

主要成分为纤维素、半纤维和木质素的木材具有很强的吸水性和干缩湿胀特性，即水分对木材的稳定性影响很大。

木材吸收水分后易导致木材或者木制品发生变形，从而产生开裂等严重缺陷。因此，对木材进行疏水改性很有必要。
目前，制备超疏水木材的方法主要有气相辅助迁移、低温水热沉积、溶胶材胶、硅烷化改性、层层自组装、乙酰化处理、涂覆、等离子体处理以及模板软印刷技术等。其中，用模板软印刷技术得到超疏水木材主要是模仿自然界遗态生物体的结构和形貌，在木材表面制备出类似的微观形貌，从而实现超疏水特性。

遗态材料

自然界中的遗态生物体材料经过数十亿年的优胜劣汰后，进化出表面功能和结构形貌都展现出近乎完美的高性能材料——遗态材料。所谓“遗态”是对生物体“形态”的“遗传”。

自遗态材料这个概念提出以来，将借鉴自然、模仿自然界中遗态生物体独特的结构和表面形态作为模板，已制备出类似甚至超越生物体结构和形貌的新型结构功能一体化遗态仿生材料，从而赋予材料新的特性和功能。
而模板转印遗态仿生技术是一种在仿生科学背景下借助自然界生物体微／纳米结构和形貌作为模板，采用人工制备模具（压印）为核心，二次转印制备出能够保持原生物体微观结构形貌的遗态仿生材料。这种方法借助生物进化遗留下来的特殊结构，可获得比人工仿生材料更卓越的特性。
目前，通过将遗态生物表面微观形貌转印到木材表面，已制备出类芋叶或花瓣表面结构的仿生超疏水木材，是木材改性领域的研究热点，但目前国内外相关研究仍较少。
西南林业大学杨玉山，邱坚等利用模板转印技术进行遗态仿生，将遗态材料荷叶表面的微／纳米乳突结构转印到木材表面，获得遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材，以期有效阻止水分进入，延长木材的使用寿命。

1 材料与方法

1．1 试验材料1．2 PDMS预聚体混合溶液的制备1．3 PVB混合溶液的制备1．4 自清洁超疏水木材的制备1．5 测试与表征

2 结果与分析

2．1 表面微观形貌分析遗态仿生构建的类荷叶自清洁超疏水木材表面的SEM图以及EDS谱图见图2。图2a为新鲜荷叶表面的微观形貌，荷叶具有微／纳米乳突结构粗糙的表面。图2b为PDMS模板表面形貌，模板表面存在乳突的微观凹陷形态微／纳米结构。图2c为白蜡木素材表面的微观形貌，其表面粗糙且具有多孔结构。木材表面负载PVB混合涂层的微观形貌如图2d所示，其表面较为平滑。木材表面通过纳米压印修饰后的精细结构如图2e所示，类荷叶微／纳米结构形貌清晰可见。通过观察发现，遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材表面的微观形貌与荷叶表面的微观特征非常相似，使木材表面具有自清洁超疏水特性。图2f为遗态仿生类荷叶表面微／纳米结构自清洁超疏水木材的EDS谱图，谱图中的主体元素为C、O、Au、Si和F。其中，C和O元素主要来源于白蜡木素材和空气，Au是由于使用电镜而溅射的导电金钯合金薄膜，Si和F主要来源于木材表面负载的PVB混合涂层。

2．2 XRD分析白蜡木素材和遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材的XRD图谱如图3所示。由图3可知，白蜡木素材试样大约在15°和22°处有2个强衍射峰，分别对应木材纤维素的典型反射面（101）和（002）；而遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材大约在45．8°，57．2°和75．6°处出现了新的衍射峰，对应的是（021）、（120）和（032）晶面。此外，遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材的XRD衍射峰位置发生微移，这主要是因为木材表面负载的PVB混合涂层中的羟基与木材表面的羟基相结合，导致木材表面的羟基数量减少，使得结晶度发生变化，从而改变木材表面的亲、疏水性能。

2．3 FT－IR分析白蜡木素材和遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材试样的FT－IR光谱如图4所示。由图4可知，FT睮R光谱中的主要吸收带位于3 200～3 500，2 927，1 730，1 180～1 350和808～1 000cm－1，对应于—OH、—CH3、CO、C—F、Si—O—Si拉伸振动。3 400cm－1吸收峰主要归因于—OH拉伸振动；3 200cm－1吸收峰主要是遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材表面CC的C—H伸缩振动；2 927cm－1吸收峰主要归因于CH3伸缩振动；2 830cm－1吸收峰主要归因于对称和不对称的CH3伸缩振动；1 698，1 574cm－1是醚键和CO键的吸收峰，而1 180～1 350cm－1是PVB聚合物的C—F基团拉伸振动；此外，803cm－1吸收峰主要归因于Si—O和Si—CH3谱带的拉伸振动。因此，遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材表面存在含氟长链烷基聚合物。

2．4 XPS分析白蜡木素材与遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材试样在低分辨率下进行扫描的XPS谱图见图5a。C1s和O1s 2个强峰的结合能约为284．79和532．42eV，对应白蜡木素材试样中的C和O元素，而遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材XPS谱图除了C和O，还含有Si峰。Si2p的高分辨率XPS谱图见图5b，其中，Si—O和Si—CH3 2个分峰可归因于PVB混合涂层。白蜡木素材和遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材的C1s高分辨率XPS谱图见图5c，白蜡木素材C1s光谱的2个峰结合能分别为284．56和283．27eV，分别对应C—O和C—C键，在286．98 eV对应O—CO键；而遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材在285．43eV对应于木材中的C—O键，284．57eV对应C—C键。与白蜡木素材相比，遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材在286．98eV的峰由于PVB涂层的覆盖而消失。白蜡木素材和遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材试样的O1s峰见图5d。遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材2个峰的结合能分别为532．84和532．28eV，主要归因于吸收的水分和OH基团。而木材表面经PVB混合溶液改性后，使O1s峰位向高结合能方向移动。采用分峰处理和计算，元素含量分析结果如表1所示，其中，白蜡木素材的C／O量比为2．20，而遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材下降到1．84；此外，遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材表面的PVB混合涂层含有Si元素，其含量为10．46％。

2．5 自清洁超疏水性分析白蜡木素材表面的润湿性宏观图及对应的接触角图见图6a，接触角为17°，具有一定的亲水性。遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材表面的静态水形态及对应的接触角图见图6b，接触角为151°，滚动角为6°，表现出超疏水性。这表明通过模板转印技术在木材表面进行遗态仿生制备的类荷叶PVB涂层可改变其疏水性。为进一步研究遗态仿生超疏水木材的自清洁特性，将吸附能力较强的石墨粉置于遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材表面（图6c），当水滴与表面散满石墨粉的遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材表面接触时，石墨粉立即黏附于水滴表面（图6d）。将木材倾斜30°，用注射器连续冲洗被污染的木材表面后，石墨粉可被滚动的水滴去除，形成一个清洁表面（图6e、f），这证实了所制备的遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材具有自清洁行为。因此，在实际应用中可以通过微／纳米仿生结构来制备遗态仿生自清洁超疏水木材，从而避免水的侵蚀以及表面受污染。

结论

1）以荷叶为母版，PDMS为压印，通过纳米压印技术将遗态材料荷叶表面的微／纳米乳突结构成功构筑于负载PVB混合溶液的木材表面，获得与荷叶表面功能性类似的一层遗态仿生超疏水涂层。

2）通过SEM观测到二次复型后木材表面得到了类似于荷叶表面形态的微／纳米结构形貌。

3）EDS、XRD、FT－IR以及XPS分析结果表明，木材表面沉积的PVB混合涂层中的羟基与木材表面的羟基相结合，导致木材非结晶区表面的羟基数量减少，增强了遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材试样表面的疏水性能。

4）遗态仿生类荷叶自清洁超疏水木材表面接触角为151°，滚动角为6°，接近于遗态材料荷叶表面的接触角与滚动角，表现出较好的自清洁超疏水性能。

该文发表于《林业工程学报》2020年第5期。
引文格式：杨玉山，沈华杰，秦磊，等．木材表面遗态仿生构建类荷叶自清洁超疏水微／纳米结构［J］．林业工程学报，2020，5（5）：63－68．YANG Y S，SHEN H J，QIN L，et al．Biomimetic fabrication of lotus－leaf－like self－cleaning superhydrophobic wood surface with micro／nano－biomimetic structures using morph－genetic method．［J］．Journal of Forestry Engineering，2020，5（5）：63－68．