本文摘要：摘要:本研究利用軟印刷法以不同濃度的聚乙烯醇(PVA)為彈性印章，以新鮮紅玫瑰花為模板，經(jīng)過二次復(fù)形將玫瑰花表面微納褶皺結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到竹材表面，制備得到具有類玫瑰花表面微觀結(jié)構(gòu)的疏水竹材。試樣表面利用掃描電子顯微鏡(SEM)及水接觸角進行檢測，結(jié)果顯示類
摘要:本研究利用軟印刷法以不同濃度的聚乙烯醇(PVA)為彈性印章，以新鮮紅玫瑰花為模板，經(jīng)過二次復(fù)形將玫瑰花表面微納褶皺結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到竹材表面，制備得到具有類玫瑰花表面微觀結(jié)構(gòu)的疏水竹材。試樣表面利用掃描電子顯微鏡(SEM)及水接觸角進行檢測，結(jié)果顯示類玫瑰花竹材樣品具有乳突狀和凹槽狀微納米結(jié)構(gòu)的粗糙褶皺表面。研究發(fā)現(xiàn)，以10%PVA為模板復(fù)形的竹材表面水接觸角接近于新鮮玫瑰花瓣表面的水接觸角數(shù)值，展現(xiàn)出良好的疏水特性。
關(guān)鍵詞:疏水竹材,聚乙烯醇,軟印刷技術(shù),新鮮玫瑰花瓣
竹材具有輕質(zhì)高強、生長快、韌性好的特點，質(zhì)感與木材類似，是一種可替代木材的理想材料，已被廣泛應(yīng)用于家具、建筑、室內(nèi)裝修等領(lǐng)域。竹材是一種三維的天然高分子復(fù)合體，但其多孔的結(jié)構(gòu)及極強親水的特性，使其長期處于潮濕環(huán)境下會出現(xiàn)腐朽、變形、霉變等缺陷，影響其使用壽命。因此，需要開發(fā)疏水性竹材以有效避免水分對竹材的損害，從而提高竹材的使用年限[1-6]。
奇妙的自然界經(jīng)過數(shù)十億年的自然選擇，造就其生物體具有奇異斑斕、多種多樣的特殊表面:荷葉超疏水自清潔的表面、水稻葉的各向異性、花生葉的高黏附超疏水表面、孔雀羽毛的不濕性、蒼蠅及蚊子的復(fù)眼等，都是大自然給予人類的寶貴財富[1-8]。
研究證實[3]，新鮮的玫瑰花瓣具有高黏附超疏水的性能，其原因為玫瑰花瓣表面有微米級矮寬的陣列狀乳突結(jié)構(gòu)，每個乳突單元上又存在著納米級的褶皺，從而使得玫瑰花瓣微表面具有層次的微納結(jié)構(gòu)粗糙表面，使水滴在花瓣上呈現(xiàn)出水球狀，表現(xiàn)出疏水的性征。當水滴浸滯到花瓣的陣列狀槽內(nèi)，空氣即被填充到納米級的褶皺里，增加了水滴與花瓣表面的接觸面積，呈Wenzel態(tài)，提高了界面的張力，因此表現(xiàn)出高粘附的特性[9-13]。
本研究采用軟印刷技術(shù)的模板法，利用聚乙烯醇/聚苯乙烯(PVA/PS)在竹材表面制備類玫瑰花表面的微納結(jié)構(gòu)，使得竹材具有疏水特性，從而有效防止竹、木材受潮損傷，延長竹木材的使用壽命[14-15]。
1材料與方法
1.1原材料
新鮮的玫瑰花瓣，2年生毛竹材。將毛竹材除竹青、竹黃，刨制成尺寸規(guī)格為15mm×15mm×5mm的竹塊，超聲清洗15min后放置于50℃的恒溫、恒濕箱中24h。不同濃度聚乙烯醇(PVA)分析純試劑，自制聚苯乙烯(PS);乳化劑脂肪醇聚氧乙烯醚(OS)、十二烷基硫酸鈉(SLS);引發(fā)劑二硫酸鉀(APS)、過氧化二苯甲酰(BPO)。
1.2儀器與設(shè)備
真空干燥箱:DZ-1BC;掃描電子顯微鏡(SEM);接觸角儀:德國Dataphysics公司的OCA20;能譜儀:X-MaxN;電熱恒溫水浴鍋:HH-1金壇市富華儀器有限公司;電動攪拌器:金壇市富華儀器有限公司;分析天平:TG328A上海天平儀器廠。
1.3聚苯乙烯的制備
1)取OS、SLS和去離子水溶解在三口瓶中，然后滴加苯乙烯，最后得到的乳液即為乳化劑(PE)。2)在水浴鍋75℃下攪拌，將APS和水均勻混合，再加入已配好的聚乙烯(PE)，一邊滴加PE，一邊滴加APS和BPO，控制在2h滴完，直至藍色消失，即得到PS乳液。
1.4不同質(zhì)量分數(shù)PVA的配置
分別取一定質(zhì)量的PVA粉末于三口瓶中，放在水浴鍋中，溫度控制在88℃～95℃，攪拌直至PVA溶液澄清，即可配成質(zhì)量分數(shù)為1%、3%、5%、8%、10%的溶液。
1.5類玫瑰花瓣竹材表面試樣的制備
1)將玫瑰花瓣修剪成合適的大小，用乳白膠將其粘在玻璃板上，將之前配好的PVA溶液，均勻滴加在玫瑰花表面，除去氣泡，在60℃下放在真空干燥箱中2h左右烘干。取出輕輕撕下PVA膜，得到具有反面玫瑰花瓣結(jié)構(gòu)的模板。2)用玻璃棒在竹材薄片上均勻涂抹已制備的PS溶液，然后將PVA膜均勻貼在試樣上，施以一定的壓力，放在室溫條件下12h后，剝離PVA膜，得到具有正面玫瑰花瓣結(jié)構(gòu)的竹材表面。
1.6表征
竹材及其經(jīng)過疏水處理的竹材表面的形貌通過掃描電子顯微鏡(SEM)進行觀測。試件的潤濕性采用OCA20接觸角儀在室溫下對試件一個表面的5處不同部位進行接觸角測定，計算其平均值得到最后接觸角。
2結(jié)果與分析
2.1竹材試樣的接觸角及其宏觀表征
竹材主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等成分構(gòu)成，含有大量的羥基、親水性基團，所以竹材呈現(xiàn)出親水性。隨著PVA濃度的提高，在涂有PS的竹材表面的接觸角逐漸提高，并且濃度為10%的PVA接觸角與玫瑰花表面最為接近，表現(xiàn)出更好的超疏水效果，證明經(jīng)過模板印刷法以PVA為模板，在涂有PS的竹材表面已經(jīng)制得了類玫瑰花表面的結(jié)構(gòu)，與玫瑰花具有類似的疏水效應(yīng)。
2.2竹材試樣表面的微觀表征及其表面元素
竹材表面具有很多孔隙，并且相互連通，其內(nèi)表面巨大，造成竹材具有較強的吸水性。利用模板印刷法第1次復(fù)型得到的PVA膜的圖像，其表面具有類玫瑰微納反面結(jié)構(gòu)。為新鮮玫瑰花瓣的微米級矮寬的結(jié)構(gòu)。為類玫瑰花表面疏水性的竹材表面，其表面凸凹不平，具有類似玫瑰花瓣的陣列狀乳突微納結(jié)構(gòu)，提供了竹材表面一定的粗糙度，提高了竹材的疏水性能。
可以看出竹材表面具有碳、氧和少量鉀、鈣、鈉(金和鈀來自涂層)的元素。而類玫瑰花瓣竹材表面的能譜中可以看出，只有大量碳、金元素，少量的氧元素，沒有其他元素出現(xiàn)，說明類玫瑰花瓣竹材表面疏水特性是由粗糙的結(jié)構(gòu)造成，從而進一步說明軟印刷法是一項仿生生物體結(jié)構(gòu)技術(shù)。
3結(jié)論
本研究受到生物的啟發(fā)，以玫瑰花為模板，成功地在竹材表面仿生制備了類玫瑰花表面的粗糙結(jié)構(gòu)，可有效防止竹材受水分的侵害。
研究得出如下結(jié)論:1)通過SEM圖可以觀察到，第1次復(fù)形會產(chǎn)生和玫瑰花相反的結(jié)構(gòu)，而第2次復(fù)形則在竹材表面得到類似玫瑰花的褶皺微納結(jié)構(gòu)。2)利用軟印刷模板法制備的類玫瑰花竹材表面的水接觸角，非常接近玫瑰花表面的接觸角。此外，1%的PVA就具有非常好的疏水效果，并且隨著PVA濃度的增大，接觸角也在不斷增大，以10%的PVA疏水效果最好。3)EDS可以證明類玫瑰花竹材表面的的元素來自竹材，仿生的是生物體的結(jié)構(gòu)。4)本研究表明，利用納米技術(shù)可以實現(xiàn)親水性材料轉(zhuǎn)為疏水材料，為疏水改性提供了新的研究方向。
參考文獻
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農(nóng)業(yè)方向刊物推薦：《竹子學(xué)報》(原：竹子研究匯刊)(季刊)創(chuàng)刊于1982年，是由國家林業(yè)局竹子研究開發(fā)中心;中國林學(xué)會竹子分會;浙江省林業(yè)科學(xué)研究所主辦的國內(nèi)的竹子專業(yè)綜合性學(xué)術(shù)刊物，為《中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫》來源期刊和中國科技核心期刊之一。
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