具防护功能的木材纳米界面的构建与形成机理

Titanium dioxide nano materials is being intensively used in antiseptic, light discoloration, stain-resistant, waterproof and other applications of wood. However, titanium dioxide only responds to ultraviolet light, which is only 5% of the solar spectrum. At the same time, photo-induced electrons and holes in titanium dioxide complex in only 10~100 ns, resulting in their low quantum efficiency. These shortcomings significantly limit their application extension and efficiency. This project aims to solve the following scientific problems: taking advantage of zinc oxide’s response to a wide range of wavelength, and its similar energy band characteristic as titanium dioxide, several methods are used to form a binary interface of titanium dioxide and zinc oxide nano materials on wood surface. The binary interface can take full advantage of the sunlight, and inhibit electron-hole complexes, leading to improved photon efficiency, and obtain nano-functional wood with high photocatalytic properties. Besides, mild alkaline environment on wood surface provided by zinc oxide is not suitable for the growth of wood-decaying fungi, so that the protective effect of wood derived from the binary interface becomes even more prominent. In addition, nano materials and wood are connected through hydrogen bonds and chemical bonds, making the binary collaboration interface extremely stable, so that its protective effect and loss resistance are enhanced significantly compared to the traditional means.

二氧化钛纳米材料在木材抗菌防腐、耐光变色、抗污、防水等领域的应用广泛。但二氧化钛只有紫外光响应，可利用的波长范围仅为太阳光谱的5%；而且二氧化钛光生电子与空穴的寿命只有10～100 ns，导致其光量子效率低。这些缺点大大限制了该种材料的应用范围和使用效率。本项目拟解决的科学问题是：利用氧化锌波长响应范围广，能带位置与二氧化钛相近的特点，通过多种方法将氧化锌纳米材料与二氧化钛纳米材料在木材表面构建二元协同纳米界面。这种界面拓展了对可见光的响应范围，充分利用太阳光，并抑制电子与空穴的复合以提高光量子效率，使制备的纳米功能化木材具有优异的光催化性能；氧化锌在木材表面提供的弱碱性环境也不利于木腐菌的生长，从而使该二元界面的木材防护效果更加凸显。此外，由于纳米材料与木材是通过氢键或化学键相连，使得该二元协同界面能够非常稳定的存在，从而使其防护效果的抗流失性相比传统防护手段有明显提高。

采用两步法将TiO2/ZnO纳米材料与杨木试样复合，制备了纳米二元负载木材，并探讨了不同处理条件下得到的纳米氧化物负载木材及非纳米氧化物负载木材的抗菌性和耐候性。结果表明，构建木材-纳米界面之后，木材的抗菌性和耐候性具有显著的提高，同时氧化锌和二氧化钛二元协同负载木材的抗菌性和耐候性均优于单一纳米晶处理的木材。.采用水热反应法将纳米氧化锰与杨木试样复合，制备了纳米氧化锰负载木材，并探讨了在不同处理条件下得到的纳米氧化锰负载木材及非纳米氧化物负载木材在耐腐性和抗菌性方面的表现。数据分析显示，构建木材-纳米界面之后，木材的耐腐性和抗菌性均优于未处理的木材。.采用磁控溅射法和纳米压印技术，在木/竹材表面构建木/竹材-纳米界面，并将荷叶的多尺度微纳米结构转印到木/主材表面，并通过硬脂酸处理，得到良好的超疏水表面，接触角能够达到152°，且接触角仅为5°。与此同时，在木/主材表面构建了图案化的“导线”网络，旨在拓展其在智能木材领域的应用。通过流沙实验，表明该超疏水表面能够稳定存在。.将CuFeS2纳米材料和四氧化三铁纳米材料分别与处理过的木粉相复合，构建木粉-纳米界面，并与过氧化氢组成芬顿试剂，对其催化降解有机污染物的性质进行了研究。处理过的木粉具有多孔结构，本身就能够对废水中的有机污染物有一定的吸附作用。将其作为基体，担载CuFeS2纳米材料和四氧化三铁纳米材料，再将这种协同催化剂加入到芬顿反应中，既能够有效的稳定催化剂又有利于催化剂的回收利用。该协同催化材料（尤其是含有纳米四氧化三铁的协同催化材料）能够轻易地回收并再生，且再生后催化活性无明显改变。.综上所述，本团队通过构建木材-纳米二元协同界面，发展了木材防护的新方法，在耐候性、防腐、抗菌、防水防潮等领域有广泛应用；并将木粉与纳米材料相复合，应用在芬顿催化领域，并能够提升催化剂原有的催化效能，为进一步高值利用木材奠定了坚实的基础。