【复合材料信息】超疏水木基复合材料表面改性:构建战略、功能和前景

04-27 23:23

由于纤维素含有分散甲基，这使得木质复合材料具有高吸水性。与此同时，由于木材结构中含有大量的毛细管和微毛细胞，木材表现出强烈的吸附和毛细凝结。这种水分吸收增加了纤维的降解，体现在膨胀、开裂、机械性能恶化、易腐烂等方面，进而影响木质复合材料的使用寿命和应用范围。所以，提高木材的尺寸稳定性，赋予木材超疏水性能是非常重要的。

在木质复合材料超疏水改性研究的基础上，南京林业大学蒋少华教授团队，最近在Advances in Colloid and Interface Science发表了一个标题 “Surface modifications towards superhydrophobic wood-based composites: Construction strategies, functionalization, and perspectives” 综述文章。总结了超疏水木复合材料的研究进展，系统阐述了影响超疏水木复合材料特性的三个关键因素:合成工艺、木材类型和化学药品。其次，总结了超疏水木复合材料的多功能属性和性能评价方法，最终为超疏水木复合材料未来的研究方向提供了基本的理论框架，为开发多功能属性、实现工业化生产的超疏水木复合材料提供了新的思路。

图1 影响超疏水木复合材料制备特性的因素及其性能示意图。

第一，本文要点

超疏水木复合材料的性能主要由两个因素决定：粗糙的结构和低表面的改性。但是，制备过程涉及到多种因素，各种因素都会影响超疏水木复合材料的微观结构和表面改性效果，从而影响木复合材料的宏观性能特性。本总结介绍了三个关键决定因素：(1)制备工艺 (2) 木材物种的特异性和各种特异性 (3) 选择化学物质。

(1)制备工艺

常见的制备策略包括溶胶-凝胶法、水热合成法、化学气相沉积法、模板法、蚀刻法、物理气相沉积法及其组合。不同的制备方案和工艺条件会影响粗糙度的构建，进而影响超疏水木复合材料的疏水性能(图2)。

图2 MTCSCVD法制备@wood 和 PFDMS@MTCS@wood 的示意图。

(2)基底材料

木材的固有特性受地理和气候差异的影响，再加上其自然的多样性，使其与玻璃、纸张、金属等对称基材不同。木材种类之间如此自然的差异，以及木材横截面内的微观结构差异，都会影响超疏水特性。对木材表面的差异进行了研究，对改性木材表面的液体进行了可视化运动(图3)。利用木材的特殊性，最大限度地利用木材资源，具有重要的现实意义。

图3 (A)原生云杉木材截面的SEM图像是由旋转切片机切割获得的。(B) 10 μL液在改性LW上运动。倾斜木材样品(44°)。

化学药品的选择(3)

超级疏水木复合材料不仅具有超级疏水性能，而且在制造过程中还能获得额外的功能。结果表明，化学药品的选择对超疏水木复合材料的这些附加特性有很大影响。例如，超疏水木复合材料的耐久性，防紫外线。（UV）性、抗菌、抗真菌和磁性都与纳米颗粒有关(图4)，纳米颗粒具有特定的粗糙结构。与此同时，表面改性材料对疏水性能起着关键作用。

图4 氧化锌木材表面可逆浸湿机理图。

从本质上来说，充分了解制备工艺和木材的特点，化学药品之间的相互作用对于提高超疏水木复合材料的性能尤为重要。

超疏水木复合材料的多功能属性

基本特征对于 SWBC 在实际应用中的可行性尤为重要，因为它可以保证超疏水特性在受到外力作用时仍能保持。另一方面，有限的特性更多地针对特定的使用场景，为超疏水木材的应用奠定了基础。

元素属性三

为了保证超疏水木复合材料的长期耐久性，必须具有特定的基本特性。机械稳定性和耐化学性两个关键特征(图5)。另外，自清洁能力也是超疏水木复合材料的另一个基本特征。这种特性可以保证材料表面的清洁，防止污染物和污染物的覆盖或损坏。超疏水木复合材料的耐久性大大提高了机械稳定性、耐化学性和自清洁能力的结合，使这些特性成为其应用中不可或缺的重要因素。

图5 (A) 水滴在超疏水表面滚动。(B) 线性损坏测试装置。(C) 由于镀层失效，磨损后水滴停在原来的表面。

约束特性四、约束特性

为了促进超疏水木复合材料的实际应用，除了其基本特性外，还需要根据实际应用整合其它特性。其特点包括抗菌、防霉、防紫外线、阻燃，使超疏水木复合材料能承受各种环境挑战。此外，超疏水木复合材料在水油分离性能方面的应用取得了显著进展，其对外界环境刺激的响应机制也引起了研究人员的极大关注。 (图6)。所以，未来的研究应该从单一功能转变为多功能材料，以扩大其应用范围。

图6 (A1) 光学照片采用超疏水木片在重力推动下分离水包汽油乳液。(A2) 分离前水包汽油乳液的光学图像。(A3) 分离后的水包汽油乳液光学图像。(B) 运用 M-WA 氯仿过程照片从水中吸收。(C) 三维智能 BW/PSP 薄膜的功能示意图。(D) PCL热响应10,000 电影拟议机理示意图。

五、总结

本文对超疏水木复合材料的物理化学特性进行了研究，包括制造方法、化学溶剂选择和基底材料类型。此后，对超疏水木复合材料的常见性能及检测方法进行了系统的阐述。基本特征被称为使用超疏水木复合材料的必要前提条件，而有限的特性是精心定制的，以满足特定的应用要求，从而为超疏水木复合材料的实际应用奠定了坚实的基础。近几年来，超疏水木复合材料的开发与应用有了显著发展。值得注意的是，本文对生产、物种选择和化学药品选择的要求恰恰反映了超疏水木复合材料面临的问题:疏水性保证、多功能发展和工业化。参考图7，我们提供了一个全面直观的必要技术表达，描述了必须优化的必要技术，以促进其转化为工业规模生产。

图7 未来超疏水木复合材料的研究方向

该研究以“Surface modifications towards superhydrophobic wood-based composites: Construction strategies, functionalization, and perspectives“问题发表于Advances in Colloid and Interface 韩小帅副教授是Science南京林业大学材料科学与工程学院研究生王小艺的第一作者。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cis.2024.103142

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