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嘉峪檢測網 2021-03-29 17:29
目前，為緩解木材供需不足，實現劣材優用，解決木材吸濕吸水、尺寸變形、腐朽色變等問題，可拓寬木材的應用領域。在“生物啟發下”，有學者將仿生超疏水概念引入到木材表界面改良領域，拓寬木材的附加應用功能。
在仿生超疏水材料構建過程中，自然界為人類提供了大量的仿生對象，比如“荷葉效應”、“花瓣效應”等。根據仿生學原理，在木材表面進行仿生功能化改良，不僅提高木材所固有的特性，還賦予木材新屬性。
因此，木材表面的仿生功能性改良一方面改善和提高木材及其相應產品的固有屬性，包括防腐、阻燃、尺寸穩定 、耐磨性能；另一方面賦予木材新的仿生功能，包括自清潔、超疏水、生物黏附、相變儲能等特性。
隨著仿生超疏水木材領域的發展，理解并構建精確的微納結構與超疏水性的關系具有重要意義。隨著表面浸潤性研究的快速發展，液滴的一些奇異浸潤現象和界面分子結構為表面固有的浸潤性理論帶來推動力， 如楊氏方程、WenzeL 模型、Cassie?Baxter模型等。
為此，浙江農林大學孫慶豐，楊玉山等嘗試闡明一些基本概念，并提供理論依據以闡釋仿生功能性超疏水木材表面上獨特的潤濕特性，以加速木材表面仿生功能性改良的發展與應用，從而為構建新型高附加值的仿生超疏水木材，開闊木材全新的適用領域，拓展其實體化增值應用范圍。
1 仿生超疏水木材表面特殊浸潤性設計的基本理論
1.1 仿生超浸潤領域的發展
1.1.1 自然界中的超疏水現象的發現
自然界生物經數十億年的物競天擇和優勝劣汰，其表面微納結構與功能性已近乎完美。以潤濕性為例，目前已公開的許多仿生界面材料，展現出類似或超越自然界生物體的奇異特性。如荷葉表面的液滴能夠輕易、自由地滾落，并可吸附其表面上的污染物顆粒，形成清潔的表面，即“荷葉效應”。而Barthlott等和Neinhuis等研究發現，這種現象主要是荷葉表面的微納結構以及疏水蠟層互補的結果。后來，Lin等發現荷葉表面具有微納分層結構，且荷葉表面每個乳突上具有分支狀納米褶皺。受“荷葉效應”啟發，Chen等制造的類芋頭葉微納結構木材具有超順磁、超疏水特性。Lin等研究水稻葉表面微納乳突結構的定向排列形成的槽棱結構能使其表面具有滾動各向異性。近年來，邱宇辰等發現花生葉表面的微納結構賦予它高黏附超疏水性；Chen等研究發現豬籠草頂瓶周圍的一級和二級徑向脊的規則微結構，具有良好的各向異性和兩親超濕滑特征。此外，仙人掌表面多尺度溝槽結構上分布的錐形棘刺可實現水汽的高效收集與運輸；蜘蛛絲表面周期排列的紡錘體?鏈接結構使微小液滴實現定向輸運；槐葉萍表面蛋形結構與納米蠟質晶體使液滴在末端具有親水性，而其他部分為超疏水性；紅玫瑰花瓣表面微納乳突結構及乳突頂部的納米級褶皺實現固?液滯后性；蚊子復眼獨特的多尺度結構、水黽腿部上特殊排列的微納米多尺度結構絨毛以及壁虎腿部的微納結構賦予它具有超疏水特性。綜上可得，這些特殊超潤濕現象的發現為仿生設計功能超疏水木材提供理論依據，其微納結構與低表面能物質協同作用的結果正是構建超疏水表面的必要因素。因此，超疏水表面微納結構設計的一般原則：1）對低表面能材料表面進行微納結構粗糙化；2）在粗糙的微納結構表面進行低表面能材料接枝改性處理。
1.1.2 超浸潤體系的發展
超浸潤材料因其獨特的潤濕性而備受關注，而控制其表面化學組成和多尺度微納結構，是構建超浸潤界面材料的關鍵。近年來，有不少研究學者對自然界生物體的特殊潤濕性機理進行探討，重新激起科研工作者對這一領域的興趣。超浸潤材料的浸潤性研究以及潤濕性的二元協同，在自清潔、防腐蝕等領域具有重要應用價值，并對社會乃至科學研究領域均產生重大影響。除此之外，超浸潤體系也逐漸發展并開辟出新領域，包括防覆冰、防霧、細胞捕獲、防生物污垢、油／水分離、綠色打印傳感以及能源轉化等，因此，通過探究自然界中生物體的本征浸潤特性，加快了人造超浸潤理論體系的發展。但是，目前仍然存在以下問題：1）在基礎研究中，還需要進一步從分子或原子尺度等更小尺寸闡釋并深入探索固體表面的浸潤現象，獲得新的理論和概念，并進一步完善超浸潤體系中的64種本征浸潤狀態以及組合浸潤狀態；2）在實際應用中，還需要解決一大批目標導向的工業化應用，以產生重大實際價值。
1.2 超疏水表面的浸潤性機理
為進一步研究仿生超疏水木材表面的構建，對表面潤濕現象的基礎理論進行闡釋必不可少。楊氏方程是一個基本的、經典的潤濕模型，用它計算理想表面上的靜態接觸角值非常有效，而所謂的接觸角是指固體水平表面與固?液接觸點的切線與之間的夾角（圖1a、b）。
當平滑固體表面液滴達到平衡時，固、液、氣三相表面張力也隨之達到平衡，固體表面接觸角與三相表界面張力之間的大小關系（ 楊氏方程， 圖1b）如式1所示：
式中：γSA為固?氣界面間的自由能；γSl為固?液界面的界面張力；γla為氣?液界面液體表面張力；θ為該固體表面的接觸角。為測定和表征粗糙表面的浸潤性， Cassie等在1944年獲得能夠闡釋復合異質表面的接觸角滯后方程：
式中：φ為歸一化的振蕩幅度；x為歸一化的單位單元中心的水平距離；n為一個整數，決定了每個粗糙度刻度的波長，下標數字表示粗糙度的連續編號。固體表面液體滲透到其溝槽內的過程非常復雜。假設粗糙溝槽內的液?氣界面平均為平面，每一個給定的液體滲透深度為ｚ，當液滴完全滲透粗糙溝槽時，Cassie?Baxter方程變為Wenze方程。因此，在均勻的潤濕狀態下，液滴會自發形成WenzeL接觸角，使能量最小化。從能量的角度來看，通過理論證明該接觸角應該形成WenzeL接觸角θ*W或Cassie?Baxter接觸角θ*CB。當上述異質浸潤狀態是液／液／固三相體系中的液／液相，是兩個互不相容的兩相，其中，液相1為L1，液相為L2，固體表面固相為S，氣相為V。引入楊氏方程得到3種體系浸潤性：
式中：θ1為在空氣中液體1在固體表面的接觸角；θ2為在空氣中液體在固體表面的接觸角；θ3為在液體1中液體2在固體表面三相體系接觸角。
由楊氏、WenzeL、Cassie?Baxter方程以及接觸角磁滯現象之間的固?液相互作用的關鍵概念模型可得，液滴可能落在平滑或者粗糙的微納結構表面達到疏水性能，同時也可能在外界條件下陷入微納結構底部達到復合浸潤接觸狀態，也有可能陷入微納結構部分間隙中達到浸潤性亞穩態接觸。
2 仿生功能性超疏水木材表面微納結構設計原則
2.1 仿生超疏水木材微納結構制備思路
近年來，通過物理、化學、生物和機械等各種方法對木材表面進行功能化改良，提高木材的拒水性能，增強木材尺寸穩定性等附加特性。而功能性超疏水木材表面涂層的制備思路大體有3種：
1）對低表面能材料表面進行微納結構粗糙化；
2）在粗糙的微納結構表面進行低表面能材料接枝改性處理；
3）一步／一鍋法完成微納結構粗糙化和低表面能材料接枝改性處理。
2.2 仿生超疏水木材微納結構的構建
對于仿生超疏水木材，可通過納米壓印技術在其表面直接構建微納粗糙結構，從而得到超疏水表面。如楊玉山等通過模板印刷法在木材表面構建類玫瑰花瓣表面的微納結構，從而使木材表面具有高黏附超疏水性。該研究證明，通過采用天然植物作為模板，可快速高效地復制特定粗糙結構制備超疏水表面，但該方法無法對制備的粗糙結構進行人為調控。而張康康等首先在木材表面構建TiO2微納結構，再利用低表面能材料FAS?17對其進行接枝改性處理。同時，有研究學者利用等離子體刻蝕、低溫水熱法以及溶膠?凝膠法等對木材表面進行粗糙化，再用長鏈氟硅烷試劑修飾該粗糙表面以實現超疏水特性。而上述已報道的超疏水木材表面的制備方法比較復雜，因此，Yao等采用一步溶劑熱沉積法，在木材表面成功制備了ZnO納米棒陣列超疏水涂層。顯然，上述3種方法都是在有效制備粗糙微納結構表面和低表面能材料修飾涂層的共同作用下實現超疏水特性。在實際應用中，大多數使用的聚合物均表現出親水性能；因此，大部分研究人員主要采用先在木材表面構建微納結構，再利用低表面能物質進行疏水化改性。到目前為止，開發出許多制備超疏水木材方法，包括物理、化學和物理和化學方法的組合。其中：物理法包括等離子體處理、相分離方法 、模板法、旋涂法、電動力學／電紡 、離子輔助沉積法和滴涂法 等；化學法包括溶膠?凝膠法 、電化學法、自組裝方法 和水熱法等；物理?化學法包括化學氣相沉積法 、蝕刻法等。雖然木材表面仿生功能性改良在構建、制備和應用等方面取得了一定創新性，但僅為實驗階段科研成果，實踐應用以及產品產業化還受制備方法問題的限制。
3 木材表面仿生功能性超疏水微納結構構建
3.1 木材表面仿生構建自清潔超疏水微納結構
受“荷葉效應”啟發，筆者使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）二次轉印復型，在負載聚乙烯醇縮丁醛（PVB）涂層的木材表面仿生制備了類荷葉微納結構形貌，并賦予木材表面自清潔超疏水特性。與此同時，通過納米壓印技術二次復型（如圖2a1），將芭蕉葉表面的微納形貌構筑于木材表面，獲得與芭蕉葉表面微納結構形貌相類似的一層仿生超疏水涂層（如圖2a2）。為了進一步研究仿生類芭蕉葉超疏水木材表面的自清潔特性，當水滴滴在表面散滿石墨粉體的仿生類芭蕉葉超疏水木材表面時，石墨粉立即黏附在水滴表面（圖2a3）；用注射器沖洗后，石墨粉體被滾動的水滴帶走，形成一個清潔的表面（圖2a4～a5）。這證實了仿生類芭蕉葉超疏水木材具有自清潔特性。
TU等報道了一種在木材表面構建SiO2／環氧樹脂／FAS超疏水涂層的新方法（圖2b1）：先在天然多孔的木材表面（圖2b2）涂上環氧樹脂的底漆，覆蓋木材表面粗糙結構，獲得一個均勻光滑的表面（圖2b3）；然后采用浸噴膜法在其表面構建具有可控SiO2／環氧樹脂／ FAS涂層（圖2b4～b5），增加木材表面的粗糙度，其中FAS提供疏水源。通過污垢清除試驗可知，超疏水木材不僅具有超疏水特性，還具有良好的除塵效果（圖2b7～b9）。這主要是因為超疏水涂層表面由納米顆粒相互聚集而成的乳突結構包覆著納米顆粒形成完整的微納二元粗糙結構（圖2b6），再與低表面能FAS共同作用的結果。
Li等采用化學沉積和化學改性相結合方法（圖2c1） 在竹材上制備了二元粗糙微納結構的TiO2超疏水涂層。其中，TiO2的沉積過程涉及以硼酸為氟化物清除劑除去了金屬氟絡合物中的氟陰離子，并在脫水過程中使其高度失穩，使鈦氫氧化物絡合物離子附著在任何固體表面。當竹材在反應體系中浸泡5h后，其微觀粗糙結構表面沉積了顆粒物（圖2c2～c3）；進一步可觀測到細胞壁和紋孔處有TiO2納米顆粒聚集（圖2c4），增大了竹材表面的粗糙度。由圖2c5可得，超疏水竹材表面具有二元微／納粗糙結構，導致復合界面中的空氣被困在液體下方的溝槽內，表現出超疏水特性。同時，為證明超疏水竹材具有自清潔能力（圖2c6～c11），針尖上的水滴在被污染的竹材表面接觸并移動過程中能吸附其表面碳化硅顆粒。用水沖洗污染表面（圖2c11～c14），超疏水竹材表面的碳化硅顆粒在水滴滾動過程中很易被去除，從而得到一個潔凈的表面。綜上可得，在光滑的疏水性固體表面污染物顆粒與其表面間有足夠大的接觸面積，導致水滴只能以滑動的方式滑離固體表面。在液滴滑離的過程中，污染物顆粒在液滴滑動作用下出現重新排列，但不能將其從固體表面移除，因此光滑的固體表面不具有自清潔特性。而粗糙的微納結構表面與液滴之間的接觸面積只占總體粗糙表面積的2%～20％，使液滴與微納二元粗糙結構表面之間存在空隙以截存大量的氣體。而污染物顆粒由于尺寸遠大于粗糙表面的微納結構形貌尺寸，導致污染顆粒只能與粗糙的微納結構的頂端較小面積相接觸，它們之間的黏附能力遠小于污染顆粒與液滴之間的黏附力，因此固體表面的污染物顆粒易被水滴吸附移除，實現自清潔特性。
3.2 木材表面仿生構建生物可控黏附超疏水微納結構
與荷葉表面的自清潔特性截然相反的是玫瑰花瓣表面由于水與基體表面的接觸面積更大，形成較高的黏附力。因此，其表面球形水滴在花瓣倒置后仍不掉落，這就是所謂的“花瓣效應”。為解釋水可以進入表面微結構但不能進入納米突起結構，Yang等通過溶劑熱沉積疏水性單分散納米SiO2微球，然后采用納米壓印技術進行復型，得到類花瓣狀的PVB／SiO2超疏水木材（圖3a1）。在制備過程中，原硅酸乙酯在氨水中水解成SiO2，然后疏水單分散納米SiO2微球通過醇縮合和水縮合反應形成。
由于楊木的天然多孔結構（圖3b2），首先在其表面沉積了一層致密的PVB／SiO2超疏水涂層（圖3a3），然后利用二次復型（圖3a2）得到與玫瑰花瓣表面相似仿生微納乳突結構。由圖3a4可得，超疏水木材表面上存在微納乳突和納米褶皺，且微納乳突結構的頂部均聚集并向頂部中心方向輻射。仿生超疏水PVB／SiO2／木材表面的表觀接觸角為160°（圖3a6），當木材倒置時水滴仍沒有掉落，結果表明仿生PVB／SiO2超疏水木材具有高黏附超疏水特性。從理論出發，Cassie?Baxter方程可用于解釋仿生超疏水PVB／SiO2／木材的高黏附超疏水特性。根據式（8），水滴至仿生超疏水PVB／SiO2／木材表面，僅有10.7％的固?液接觸，但超過荷葉表面的固?液接觸面積（2%～3%），即構建的仿生超疏水涂層的粗糙度有明顯提升，更適合超疏水木材的形成，同時具有較高的黏附力。與此同時，還利用玫瑰花瓣表面的高黏附超疏水特性，對木材的表面進行微納結構修飾，制備仿生類玫瑰花瓣微納結構的新型生物可控黏附木質材料，以期為相關木材功能性改良研究提供參考。
綜上可得，玫瑰花瓣表面具有高黏附超疏水性，即當滴有小水滴的木材表面傾斜甚至向下傾斜時，水滴黏附在其表面而未滾落。其黏附效果來源于試樣表面的納米乳突陣列以及每個乳突頂部都有向頂端中壓輻射的納米級褶皺。與荷葉表面相比，由于玫瑰花瓣的微納結構之間的距離更大，試樣表面與液滴之間的氣隙（WenzeL模型）穿透到微尺度的溝槽中，使液滴僅部分穿透到微納米結構之間，導致材料表面具有很強的黏附性。這種具有固?液滯后性的超疏水表面可以通過WenzeL浸漬潤濕模型來說明，即滲透到微結構中的液滴與截存在微納級褶皺中氣隙之間的關系。
3.3 木材表面仿生構建驅磁化電磁屏蔽超疏水微納結構
當今高樓林立、汽車川流如梭、電線／電纜縱橫交錯、鋼筋混凝土以及鐵金屬材料使地球磁力變弱甚至屏蔽，易引起各種生物體生理機能的紊亂。而木材能夠調節人體不足的“磁氣”和減少輻射等功能，促進人體自律神經活動。受候鳥“遷徙”和海龜“洄游”的啟發，Wang等通過采用溶劑熱沉積／水熱晶化／仿生礦化等方法在木材表面原位合成磁性γ?Fe2O4、CoFe2O4、MnFe2O4和NiFe2O4等納米粒子，使木材具有了微波吸收和電磁屏蔽功能。而反應前驅體的組成對MnFe2O4納米晶體在木材基材上“自下而上”的生長有著重要的意義。
為研究磁性木材的異質界面結合方式和形成機理，闡明木材趨磁性的仿生形成機制。Wang等采用溶劑熱法，在木材表面生長磁性MnFe2O4納米粒子（圖4a1）。未改性木材（圖4a2）在反應后其表面上覆蓋的磁性MnFe2O4納米粒子（圖4a3～a6），而加入0.17，0.34，0.68，1.36 和2.7g甲酸鈉對應的磁性MnFe2O4納米晶的尺寸分別為50，90，140，155和360nm。這表明隨著甲酸鈉含量的增加，木材表面沉積的磁性MnFe2O4納米粒子的尺寸和含量均增加。由滯后回線（圖4a7），上述材料對應的飽和磁化強度分別為9.06，15.56，19.64，20.32和25.17emu／g，與此同時具有磁滯回線和矯頑力，表現軟磁性和敏感的驅磁性，能輕松吸起桌面上的試樣。為進一步研究上述樣品的吸波特性，根據傳輸線理論計算了其反射耗損值：
式中：Zin為輸入阻抗；Z0為真空阻抗；μｒ是復磁導率；εｒ為復介電常數；f為微波的頻率；d為吸收體的厚度；c為光速；RL為反射耗損值。經計算可得，在2～18GHz的頻率范圍內，木材、純磁性MnFe2O4納米粒子以及上述5種試樣的反射耗損值對應的最小反射耗損值分別為-2，-4，-4.61，-6.46，-12，-7.28和-3.84dB。由此可得，試樣具有優良的微波吸收性能，且在頻率為15.52GHz時達到了最小反射損失值-12dB。與此同時，WANG等還采用低溫水熱法在木材表面制備了八面體磁性MnFe2O4納米晶體（圖4b1）。
八面體磁性MnFe2O4納米晶體在強外界作用下與表面含有小纖維（圖4b2）的木材緊密結合，形成致密的異質界面（圖4b3），使木材具有超順磁性。在298K下由磁化滯后曲線（圖4b4）可得其飽和磁化強度為28.24emu／g，表現出一定的磁滯回線和低矯頑力，且能夠吸起桌面上的試樣（圖4b4中插圖），說明試樣具有極好的軟磁性和敏感的磁響應。根據式（9）得到試樣在16.64GHz的頻率范圍內，木材和試樣的最小反射耗損值對應的最小反射耗損值分別為-3.0和-9.3dB。
在此基礎上，Chen等采用軟印刷技術在木材表面仿芋頭葉的微納結構構筑了趨磁性超疏水木材（圖4c1～c3），其主要制備思路是在天然多孔結構木材表面仿生制備得到類芋頭葉微納結構（圖4c3），試樣表面上存在類芋葉表面的微蜂窩單元和橢圓形和納米褶皺。通過接觸角測量仿生超疏水Fe3O4／PDMS／ 木材試樣的表面潤濕性進行了評估，其表面接觸角值可達（152±2）°（圖4c4）。結果表明，經過軟印刷技術可增加木材表面功能化涂層的粗糙度，實現超疏水性能。由于復合涂層中含有磁性Fe3O4納米粒子，由磁滯回線和低矯頑力確定其飽和磁化強度為22.9emu／g。除此之外，仿生趨磁性超疏水Fe3O4／PDMS／木材還表現出較好的微波吸收性能，其最小反射耗損值為-8.7dB（圖4c5）。
說明試樣的最小反射耗損值和吸收帶寬度有很大改善，其電磁吸收性能得到增強。綜上可得，利用木材的微納結構和分級多孔結構的構造學特征，再通過合適的物理化學方法，用系列金屬氧化物和金屬單質對木材微納結構表面進行修飾，將可以獲得趨磁性吸波木材，從而得到一種新型功能性超疏水木材。
3.4 木材表面仿生構建機械耐久性超疏水微納結構
長期以來，人們認為材料表面的機械穩定性和超疏水性是相互排斥的兩個特性。通常情況下，木材超疏水表面微納結構的耐磨損性差，尤其是納米結構；與此同時，微納結構的損傷容易使氟硅烷等疏水物質被破壞，從而使木材由超疏水性變為疏水性，最后變為親水性。因此，如何保證木材具有良好超疏水性能的同時，又能實現較強的機械穩定性，是當前仿生超疏水木材面對實際應用亟待解決的關鍵難題。為進一步確定超疏水木材表面的機械耐久性，相關研究人員已開發出了多種評估測試方法，包括線性磨損測試（含刀片劃傷測試）、圓盤磨損測試、膠帶剝離測試、刀片劃傷測試、水流沖射測試和砂沖刷測試等，但上述的評估方法得出的結果會受到摩擦材料、外力、磨損速度以及距離、膜的結合力以及紡織品的洗滌測試等關鍵參數的影響，導致超疏水材料機械耐久性的測試結果不盡相同。Jia等利用堿驅動方法在木材表面構建了一層光滑且不具超疏水性的乙烯基三乙氧基硅烷涂層（圖5a2）。經SiO2處理后木材試樣（圖5a1）表面覆蓋著一層致密且分布不均勻的黏土狀涂層（圖5a3～a4），雖然改善了木材表面的粗糙度，但仍具有超親水性。而乙烯基三乙氧基硅烷／ 二氧化硅處理的木材表面覆蓋有SiO2納米顆粒（圖5a5），并在表面微納孔隙粗糙結構和化學物質協同作用下具有超疏水特性。為評估試樣的機械穩定性，將用不同量氫氧化鈉處理過的超疏水樣品在1000 Pa的壓力下用砂紙（1500 目）摩擦（圖5a5～a6），當木材試樣磨損長度為90cm時，氫氧化鈉為6mL處理的木材試樣失去了超疏水性，其接觸角約148°，但仍具有疏水特性。使用更多的氫氧化鈉處理試樣可以抵抗更長的磨損長度，證實了堿性驅動增強了材料的機械穩定性。這主要是因為水解后的乙烯基三乙氧基硅烷進行再縮聚，嫁接在硅基表面，使SiO2納米顆粒的表面能降低；其次，氫氧化鈉的存在使木材暴露出更多的羥基，從而使SiO2納米顆粒的數量增多。這使超疏水涂層有足夠的厚度，可以為再生粗糙度提供材料，當頂部超疏水涂層一旦被破壞，新的超疏水結構就會暴露出來（圖5a5）。Liu等從提升超疏水涂層機械穩定性出發，采用滴涂法將PVA／SiO2雜化材料涂覆于木材表面，首先在不均相、多孔且具有一定粗糙度的楊木表面（圖5b2）涂覆了一層平滑的純PVA涂層（圖5b3），再用OTS進行表面接枝改性處理得到機械穩定性較好的超疏水涂層（圖5b1）。使用PVA／SiO2雜化材料進行涂覆后得到花瓣狀的PVA／SiO2粗糙表面（圖5b4～b5），增強了楊木表面的粗糙度。通過磨損測試可得（圖5b6），在較長距離磨損后，變化最為明顯的是接觸角滯后值，但也證明試樣在機械穩定性方面有很大提升。這是由于在磨損一定距離后，花瓣狀的PVA／SiO2雜化聚合物彎向木材表面（圖5b6插圖）。與此同時，花瓣狀PVA／SiO2雜化聚合物表面的OTS層被破壞，降低了其疏水性能，導致接觸角下降，接觸角滯后值上升。
為大規模構建穩定耐久的超疏水木材表面，楊玉山等采用Stöber法與溶液自組裝的方法在二氧化硅球表面接枝了十八烷基三氯硅烷，然后采用滴涂的方法在木材表面制備聚二甲基硅氧烷和SiO2涂層，得到納米SiO2?PDMS超疏水木材試樣（圖5c1）。木材在反復滴涂后，其表面沉積了致密的SiO2?PDMS 涂層（圖5c2～b3），進一步觀測可得到SiO2微球與PDMS預聚體的有效結合，填充了木材的多孔結構，形成保護涂層（圖5c4）。為測試試樣表面的機械耐磨性能，采用線性砂紙磨損測試（圖5c5），經砂紙磨損一個循環試驗后，其表面的接觸角值均大于150°（圖5c6），具有超疏水特性。經過 次循環后分別測量試樣表面的接觸角不斷下降，由此可得超疏水試樣表面的接觸角大小隨著磨損長度的增加而逐漸減少，而滾動角逐漸增加，但仍保持超疏水狀態。將5種不同質量（0，100，150，200 和500g）的重物壓在放置于砂紙上的木材試樣表面（圖5c7），經砂紙磨損一個循環后發現：在重物0～200g范圍內木材表面仍保持超疏水性能，但當質量增加到500g時，木材表面完全失去了超疏水性，其接觸角為140.6°，滾動角為20°，表現為疏水性。這是由于表面粗糙度下降，但PDMS 預聚體內的單分散改性納米SiO2微球的存在保持了其疏水性能。結果表明，制備的超疏水木材表面對磨損長度與表面承重有一定的限制，過長磨損或過載磨損都會破壞木材表面的超疏水涂層， 導致木材的疏水性降低。
綜上可得，超疏水木材表面對沖擊、磨損長度與增重有一定的限制，過長磨損或過載磨損都會破壞木材表面的超疏水涂層，導致木材的疏水性降低。這是由于超疏水木材試樣在砂紙磨損后其表面的粗糙微納結構以及低表面能物質部分被破壞，使試樣對常見液體的拒斥性降低。利用Cassie?Baxter計算可得，試樣表面的水滴?固體接觸面積小于磨損后試樣表面的水滴?固體接觸面積，使得試樣高表面粗糙度以及低表面能物質協同作用減弱而失去超疏水特性。因此，構建的超疏水涂層的粗糙度相比于木材自身的粗糙結構有明顯的提升，更適合超疏水的形成。而在木材原始粗糙結構基礎上，通過納米粒子進一步構建微納層級粗糙形貌，對于實現木材表面的超疏水性能是必要的。
結 論
超疏水表面因其獨特的浸潤性，在木材功能性改良方面有著廣闊的應用前景。而理解并運用超疏水表面微納結構設計原則，可推動其在木材尺寸穩定性以及功能性改良領域中的廣泛應用。但超疏水木材表面加工工藝、制備流程以及構筑技巧等技術方面均存在一定的局限性，含氟疏水劑以及配制混合溶液的高耗性能以及環境不友好等，限制其利用領域。此外，超疏水木材表面微納結構機械強度弱、化學穩定性差，超疏水特性易失效，進而減弱其對木材基體的防護以及附加功能的拓展。目前，對于仿生功能性超疏水木材表面微納結構的研究尚在實驗階段，在制備工藝、功能性、實際應用和機理研究等方面還存在著諸多問題亟待解決，因此，如何提高超疏水表面的機械性和穩定性仍是今后的研究重點。對于上述一系列問題，今后仿生功能性超疏水木材研究需聚焦于以下幾個方面：
1）在簡單高效、綠色環保以及價格低廉的制備工藝探索同時，還需要對功能性超疏水木材表面涂層的疏水化工藝進行探索與創新，研究表／界面化學相容性，實現仿生超疏水木材的多功能一體化處理工藝。
2）探究提升超疏水表面機械強度與化學穩定性，實現超疏水木材的自動修復特性，構建更優化的表面微納結構以及高結合強度偶聯劑，以增強木材與超疏水涂層界面間的結合能力；甚至構建微納結構“鎧甲” 以保護木材表面超疏水涂層免遭磨損，為開發出可大規模構建穩定耐久的功能性超疏水木材提供了新的思路。
3）為了增加木材的實體化高附加值，在超疏水體系中引入納米粒子的方式實現木材的實體化功能性改良，開發出多功能形或智能型木材，包括自清潔、可控黏附、驅磁性以及機械耐久性。
4）加強木材與功能性超疏水涂層的表／界面結合機理、界面調控機制、仿生超疏水木材表面微納粗糙結構的精細設計、功能性納米粒子在疏水體系中的分散性和相容性以及低表面能材料的化學鍵合方法等探究。仿生功能性超疏水木材表面微納粗糙結構表面幾何形狀和尺度對潤濕性能的影響，以及液滴在不同微納粗糙結構表面的作用方式還有待研究。
該文發表于《林業工程學報》2021年第2期。
引文格式：
孫慶豐, 楊玉山, 黨寶康, 等. 仿生超疏水木材表面微納結構制備研究進展[J].林業工程學報,2021,6(2):1-11.
SUN Q F, YANG Y S, DANG B K, et al. Research progress of the preparation of biomimetic superhydrophobic wood surface micro-nano structures[J]Journal of Forestry Engineering,2021,6(2):1-11.
來源：Internet
