木材表面自然遗态结构仿生构筑及形成机制

Based on guiding ideology of “learning from nature”, using the typical plants as a template，which have own multi-level，multi-dimensional intrinsic structure and morphological appearance through billions of years optimization in nature such as lotus leaf and rose petals，to make natural biological fine classifying morphology and visage emerged on the wood surface integrally by soft-lithography techniques which combine biological structure and morphological genetics with nanometer material manufacturing technology, to obtain a new type wood-base composite material which is integrated with the characteristics of dimensional stability, flame retardant, waterproof, mildew proof, anticorrosion, aging resistance, self-cleaning and superhydrophobicity. Study on the multilevel structure of wood and its reaction mechanism with interface of heterogeneous material. The action mechanism of nature morph-genetic structure in bionic preparation process of wood surface had been studied. Analyzing the intrinsic nature of unification on nature morph-geneti multi-scale structures and functional synergy. The bionic formation mechanism of nature morph-geneti structure of wood surface had been explained. The multi-functional characteristics of nature morph-geneti structure’s interface of wood surface were analyzed. This paper provides scientific guidance and academic reference for found intelligence interface of wood bionic, and expounds the important significance for function expansion and high additional value development of wood.

以“师法自然”为指导思想，借用自然界亿万年优化的典型植物如荷叶、玫瑰花瓣等的自身多层次、多维的本征结构和形态面貌作为模板，采用软印刷处理技术，通过生物结构和形态遗传，结合纳米材料制造技术，使自然生物精细分级形态结构和面貌完整无损地显现于木材表面，从而获得集尺寸稳定、拒水阻燃、防霉耐腐、耐老化、自清洁、超疏水为一体的新型木质基功能复合材。研究木材的多级结构以及与异质材料界面间的反应原理、自然遗态结构在木材表面仿生制备过程中的作用机制，分析自然遗态多尺度结构与功能协效统一的内在本质，阐明木材表面自然遗态结构的仿生形成机理，解析木材表面自然遗态结构界面的多功能特征,为创建木材仿生智能界面提供科学理论指导，对木材的功能拓展和高值化开发有重要意义。

基于“师法自然”的思想，本项目利用遗态植物叶片微妙构造形貌的多样化及其功能的多样性，利用软印刷技术，分别以超疏水植物叶片荷叶表面、芋头叶及玫瑰花瓣作为模板，以弹性体硅基材料PDMS为印章，将荷叶、芋头叶及玫瑰花瓣的微观表面形貌复制转印到木材表面，构筑相似甚至超越自然生物体功能的新型木质基仿生材料。.1）以新鲜荷叶为遗态材料并制作模板，弹性体材料PDMS为印章，利用软印刷技术在木材表面成功地仿制荷叶的微纳米乳突超疏水结构，使木材具有超疏水自清洁特性，可有效地防止竹材因吸水吸湿而造成的破坏。制备的类荷叶超疏水木材的水接触角达到156.5°，非常接近荷叶表面的接触角，微小的倾斜水滴容易滚远其表面，表现出良好的超疏水自清洁性能；.2）以新鲜芋头叶为遗态材料，通过软印刷技术，复合铸造复制成型，在木材表面上成功地制造了超疏水和超顺磁性聚合物复合膜。该技术将Fe3O4纳米颗粒引入聚合材料中，并浇铸在木材表面上进行微胶体化，从而不仅保证了仿生表面水接触角为152°±2°的超疏水性，而且也赋予了木材超顺磁性，其最大饱和磁化强度（Ms）为22.9emu g-1。此外，涂覆的表面不仅表现出超常疏水性，也对普通液体表现出超疏水性。这种聚合物纳米复合材料软印刷技术已经使木材复合具有不同功能并潜在地用于更广泛的应用领域。.3）以玫瑰花瓣为仿生构筑自然遗态结构的基质材料，通过溶剂热沉积疏水性单分散纳米SiO2微球体，然后进行纳米压印技术进行复型处理，成功地制造了具有坚固、防水、机械稳定、高热稳定性和超浮力性能的超疏水木材。遗态仿生PVB/SiO2/木材试样不仅表现展现出与水接触角为160°的超疏水性能；遗态仿生PVB/SiO2/木材试样在常见液体、砂纸磨损和超声清晰等人工老化测试中均表现出优异的超疏水性能；遗态仿生PVB/SiO2/木材试样还具有卓越的机械稳定性和热稳定性能；遗态仿生PVB/SiO2/木材试样具有超浮力。.项目研究结果为创建木材仿生智能界面提供科学理论指导，对木材的功能拓展和高值化开发有重要意义。