木质基光敏变色功能材料的疏水性能研究

1 引 言

固体表面对水的润湿性好坏可以通过测量接触角的大小值来衡量［1］。当水滴与固体表面的接触角＜90°时，这类材料属于亲水性材料，水滴在该表面上能够润湿或铺展［2］；而当水滴与固体表面的接触角＞90°时，这类材料就被称为疏水性材料，水滴不能润湿甚至容易滑离该表面。一般而言，固体表面的疏水性强弱主要由以下两个因素决定：（1）固体材料的表面自由能；（2）润湿液体的表面能力。聚乙烯醇薄膜的表面存在大量的羟基，通过引入其它疏水基团将聚乙烯醇薄膜表面羟基进行封端，降低了其表面自由能，达到了一定的疏水效果［3－7］。固体表面粗糙度越大，表面自由能越低，其水接触角就越大，经过处理的疏水性木质复合材料表面有良好的憎水效果，由于异常的水珠效应，材料表面能够有效地防止油渍的沾污和渗透，从而降低水性或油性颗粒在木材表面吸附而造成沾污的可能［8－10］。提高材料防水作用不但能有效延长其使用寿命，还能够保持材料本身的透气性并提供良好的耐候性［11］。本文通过利用不同甲苯二异氰酸酯（TDI）质量分数、多元醇种类及质量分数、改性温度、改性时间对样品表面疏水性能进行分析，进而寻求优化的疏水性能改性工艺条件，使得木质基光敏变色功能材料在自然环境中具有较好的疏水性能，防止污渍和水对木质基光敏变色功能材料表面的浸润及其外界环境对木质基光敏变色功能材料的老化作用。

2 实 验

2.1 实验原料

光敏变色材料（光照后显紫色），国外代购；聚乙烯醇（PVA），购自天津市兴复精细化工研究所（平均聚合度为1750±50，醇解度为98%～99%）；无水乙醇，购自天津市永大化学试剂有限公司；甲苯二异氰酸酯（TDI），分析纯，购自天津市科密欧化学试剂开发中心；正戊醇、正辛醇、十二醇以及十八醇，天津市天力化学试剂有限公司；落叶松木片（100mm×20mm×2mm），采自哈尔滨帽儿山林场。

2.2 实验仪器

机械搅拌器；水浴锅；电子天平；101－2A型电热鼓风干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司；KQ－200VDE型三频数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；Quanta 200环境扫描电子显微镜（ESEM），美国FEI公司；NF－333型便携式分光光度计，日本电色公司；HJ15－TES－1332光照强度检测仪，北京北信未来电子科技中心。

2.3 制备

木材基质预处理：将原始木片分别置于丙酮、乙醇、去离子水中各自超声清洗10min，自然晾干后备用；聚乙烯醇溶液的配置：称取40g的聚乙烯醇粉末加入到1000m L的去离子水中，于80℃的温度下机械搅拌直至充分溶解，然后用纱布过滤去掉不溶物得到质量分数为4%的聚乙烯醇溶液；光敏变色材料/聚乙烯醇溶液的配置：称取一定质量的光敏变色材料超声分散溶解在20m L的聚乙烯醇溶液中，得到光敏变色材料/聚乙烯醇溶液；木质基光敏变色功能材料的制备：将4m L不同质量分数的光敏变色材料/聚乙烯醇混合溶液涂覆至木片表面，刮涂均匀，于室温条件下自然干燥得到木质基光敏变色功能材料；木质基光敏变色功能材料的疏水改性技术路线如图1所示。

2.4 样品的性能及表征

2.4.1 扫描电子显微镜

制备的木质基光敏变色功能材料的微观表征采用美国FEI公司的Quanta 200环境扫描电子显微镜（ESEM）表征。

2.4.2 接触角测定

样品表面的湿润性通过JC2000C型静态接触角测量仪测定接触角大小来表征。接触角测量在室温下进行，取5μL的去离子水滴在样品表面，静待5s左右后测量。通常，对样品表面5个不同位置进行测量得到测量值，最终取平均值作为接触角的大小。

图1 木质基光敏变色功能材料的疏水改性技术路线Fig 1 The hydrophobic modified technical route of wooden－base photochromic functional materials

3 结果与讨论

3.1 木质基光敏变色功能材料的微观表征

扫描电镜是用来观察处理前后木材表面的微观形貌的。图2（a）代表原始木材表面（顺纹方向）的高放大倍数扫描电镜图片。从木材的高放大倍数图像可以得知，木材的管胞表面结构相对比较光滑，其宽度在40～60μm之间，深度为10～20μm之间，而纹孔的孔径却在3～5μm的范围内。图2（b）为当木材表面涂覆上光敏变色/聚乙烯醇材料后，大量的光敏变色材料通过聚乙烯醇凝胶过程沉积在了木材表面，因聚乙烯醇薄膜为无色透明，木材表面的纹理结构依旧清晰可见。然而，在放大1000倍的条件下观察样品表面形貌时，可以看到球状的光敏变色材料一致均匀地沉积在了木材表面的管胞结构中，光敏变色颗粒的尺寸大小在2～7μm之间。图2（c）为功能材料表面经TDI和十八醇表面改性处理后，粗糙不均的木材表面变得相对平整光滑，表面的管胞和纹孔结构在一定程度上被改性物质填充，木材表面的光敏变色颗粒上有大量的晶须状物质生成，晶须的大小不均匀，其长度在若干个微米到20μm之间，直径在几十个纳米到1μm之间。总之，木材表面经过涂覆光敏变色材料/聚乙烯醇溶液和疏水改性处理后，材料表面变得粗糙，表面能大大降低。在较高表面粗糙度和低表面能的共同作用下，木材表面由原来的亲水性转化为了一定程度的疏水性。

文章来源：《功能材料与器件学报》 网址: http://www.gnclyqjxb.cn/qikandaodu/2021/0417/733.html