木材表面等离子体聚合沉积氟/硅纳米薄膜疏水改性研究

The traditional methods used to increase hydrophobicity on wood surface have negative influence on the aesthetics of wood and environmental pollution. The project will study that the wood surface hydrophobic modification deposited on nano-film of containing fluorin or silicon by plasma polymerization. Related researches are as follows: the wood surface is fluorinated using fluorocarbon (C3F8) supplemented with hydrocarbon (C2H2, CH4) and fluorine-containing monomer; it is also silanized with containing silicon monomer; and is fluorination and silylation by C3F8 with containing silicon monomer. Macro-parameters(polymerization time, radio frequency input power and working pressure) of how to affect the polymer film deposition rate and crosslinking structure of Si-O-C and Si-O-Si forming; the flow rate of C2H2 or CH4 contributes when the C3F8 polymerize in the wood surface and the flow rate of C3F8 can generate the element of F and Si content in the polymer film. The elements composition, content, functional groups and binding structure of deposition film in the wood surface are analyzed by XPS, FTIR and Py-GC/MS; based on this, the deposited precursor groups, reaction mechanisms, and the relationship of the polymer film structures and the hydrophobic properties will be studied. The research will establish a basis for wood surface hydrophobic modification and industrial application by plasma polymerization.

传统木材表面疏水性改良对环境造成污染并影响木材本身所具有的美学特性。本项目拟用等离子体聚合手段在木材表面沉积含氟或含硅的纳米薄膜，赋予其疏水性能。采用C3F8辅以C2H2、CH4及含氟单体使木材表面氟化；含硅单体使木材表面硅烷化；C3F8与含硅单体对木材表面氟化及硅烷化。研究宏观参量（聚合时间、功率、工作气压）对聚合物薄膜沉积速率的影响及Si-O-C、Si-O-Si交联大分子结构形成之间的关系；考察混合气体中C2H2、CH4的流量对C3F8在木材表面聚合沉积的贡献，C3F8流量与聚合物薄膜中F、Si元素含量的关系。应用XPS、FTIR等分析木材表面聚合物薄膜中的元素组成、含量、官能团类型、化学键结合方式等来探索沉积薄膜的前驱基团，结合Py-GC/MS分析揭示木材表面氟化、硅烷化的反应机制，同时阐明聚合物薄膜的结构对疏水性能的影响，为等离子体环境下木材表面疏水性改良和工业化应用奠定理论基础。

具有疏水/超疏水性的木材可以抑制或减小木材表面对水分的吸收，从而延长和提高木材的使用寿命及性能，项目开展了等离子体环境下对木材表面疏水及超疏水功能化改性的系统研究及制备方法，为等离子体环境下疏水/超疏水性木材的制备提供参考。（1）以含硅单体（三甲基氯硅烷、六甲基二硅氧烷）及含氟单体（全氟正己烷）在等离子体环境下对针叶材思茅松和阔叶材西南桦进行了疏水改性研究，制备了静态接触角θ为～140°的疏水性木材；对处理前后木材表面的润湿性、元素组成及化学状态、表面形貌进行了分析和表征。（2）以栲木、糖枫木为研究对象，首先用氧等离子体对其表面进行刻蚀以构造出超疏水所需的微/纳米粗糙结构，然后再在刻蚀后的木材表面分别沉积了碳氟薄膜（五氟乙烷为前驱体）和类金刚石薄膜（C2H2为前驱体）制备了具有超疏水性的木材（接触角θ大于150°）；探讨了等离子体对木材表面进行刻蚀的反应机理；研究发现刻蚀并沉积碳氟薄膜的木材不但具有较高的静态接触角，而且具有较小的滚动角，但刻蚀并沉积类金刚石薄膜的木材，虽然具有较高的静态接触角，但水滴在其木材表面则表现出了较强的“黏附”行为；测量了不同沉积时间下的薄膜厚度并计算了薄膜的沉积速率。（3）以栲木和美国南方松为研究对象，将不含氟的有机单体甲基三甲氧基硅烷用0.1mol/L的盐酸溶液按4:1的体积比在冰浴中进行超声水解，将经等离子体活化处理的木材用常压浸渍的方法处理制备了极其稳定的既憎水又憎油的木材，滴到木材表面的机油在数周内没有出现渗透现象，该制备方法不影响所处理木材的色泽、纹理及花纹。