微波等离子体辅助下木材表面二氧化钛微纳多级结构的构筑及耐候性研究

为解决木材及制品在室外自然条件下，由于雨水、紫外线的作用而易发生降解、耐候性差的问题，项目采用微波等离子体技术处理木材表面，选用氧气、氮气、四氟化二碳等物质为反应气体，在木材表面修饰类型和数量均可控的官能团；然后，采用水热法、层层自组装法等合成技术，通过改变钛源种类、溶液pH、表面活性剂的类型、水热时间以及水热温度等条件，在木材表面可控构筑不同类型的二氧化钛微纳多级结构；在此基础上，采用微波等离子体技术辅以低表面能物质，从而赋予木材表面防紫外线和超疏水的性能；最后对上述木材在室外自然条件下进行耐候性研究。通过SEM、XRD、FTIR以及木材质量、尺寸的变化、木材表面的接触角、滚动角等的测试，明确二氧化钛的晶型与防紫外线性能之间、微纳多级结构的类型与超疏水性能之间、防紫外线性能与超疏水性能之间的关系，为强耐候性木材的研制奠定基础。

为解决木材及制品在室外自然条件下，由于雨水、紫外线的作用而易发生降解、耐候性差的问题，本项目设计发展了室温湿化学法和低温水热法（反应温度为60C）两条技术路线，以三氯化钛为钛源，将金红石相二氧化钛多级结构（表面修饰纳米颗粒的微米颗粒和花状结构）构筑在木材表面，辅以低表面能物质，得到类荷叶表面结构的木材表面。经加速老化气候箱内960小时的紫外照射和淋雨老化试验后，处理木材的颜色变化、质量变化、水接触角变化、表面形貌和表面元素、表面官能团类型、数量的变化等数据表明，本项目所采用的技术路线可赋予木材防紫外线、强疏水、减少因老化降解失重等性能，得到了防紫外线、强疏水双性能有机结合在一起的强耐候性木材表面。考察了反应时间、溶液pH值对构筑在木材表面的二氧化钛多级结构类型的影响以及筛选优化出价廉、绿色的低表面能物质。实验结果表明，金红石相二氧化钛多级结构是提高木材防紫外线性能的重要因素，而HDTMOS/MTMOS低表面能物质赋予了木材强疏水性能，二者复合在一起为赋予了木材强耐候性。采用氧气、氮气为反应气体，经微波等离子体技术预处理木材表面后，木材表面的水接触角减小、O/C比例增加、引入了氮元素（可能为-NH2）等数据表明，微波等离子体技术确实可调控木材表面的官能团。虽然可显著增强木材样品的胶合强度，但对构筑在木材表面的二氧化钛并无显著影响。可能原因如下：反应溶液中存在大量带正、负电荷的离子，如钠离子、氢离子、氯离子等，在二氧化钛成核、生长前，已与经等离子体预处理产生的羧基、氨基等官能团结合。基于上述实验数据，已申请1项国家发明专利，以通讯作者或第一作者发表科研论文3篇，与他人合作发表2篇，另有2篇撰写投稿中。