南京林業大學蔣少華教授團隊《Advances in Colloid and Interface Science》發表綜述：超疏水木基復合材料的表面改性：構建策略、功能化和前景

由于纖維素富含游離羥基，這使得木質復合材料具有高度的吸濕性。同時，由于木材結構中含有大量的毛細管和微毛細胞，因此木材表現出很強的吸附和毛細凝結現象。這種水分的吸收加劇了纖維的降解，表現為膨脹、開裂、機械性能惡化以及易腐爛，從而影響木質復合材料的壽命和應用范圍。因此，提高木材的尺寸穩定性，賦予木質復合材料超疏水性能具有重要意義。

南京林業大學蔣少華教授團隊在木質復合材料超疏水改性研究的基礎上，近期在Advances in Colloid and Interface Science發表了題為 “Surface modifications towards superhydrophobic wood-based composites: Construction strategies, functionalization, and perspectives” 的綜述文章。該綜述總結了超疏水木質復合材料的研究進展，系統地論述了影響超疏水木質復合材料性能的三個關鍵因素：合成工藝、木材種類和化學試劑。其次，對超疏水木質復合材料的多功能屬性及性能評估方式進行概括，最后，為超疏水木質復合材料未來的研究方向提供了一個基礎理論框架，為開發多功能屬性，實現工業化生產的超疏水木質復合材料提供新的思路。

圖1 影響超疏水木質復合材料制備特性的因素及其性能示意圖。

本文要點：

制備的超疏水木質復合材料的性能主要由兩個因素決定：粗糙度的構造和低表面能改性。然而，制備過程涉及多種因素，這些因素會影響超疏水木質復合材料的微觀結構和表面能改性的效果，進而在宏觀上影響木質復合材料的性能屬性。該綜述介紹了了三個關鍵決定因素：（1）制備工藝 (2) 木材物種特異性和各向異性 (3) 化學劑的選擇。

（1）制備工藝

常見的制備策略包括溶膠-凝膠法、水熱合成法、化學氣相沉積法、模板法、蝕刻法、物理氣相沉積法及其組合，不同的制備策略和工藝條件會影響粗糙度的構建，從而影響超疏水木質復合材料的疏水性能（圖2）。

圖2 CVD法制備MTCS@wood 和 PFDMS@MTCS@wood 的示意圖。

（2）基底材料

木材的固有特性受地理和氣候差異的影響，加上其天然各向異性，使其有別于玻璃、紙張和金屬等均勻基材。木材種類之間的這種天然差異以及木材橫截面內部的微觀結構差異都會影響超疏水特性。有研究利用木材表面的差異性，實現了對改性木材表面的液滴進行了可視化運動（圖3）。利用木材的特異性，實現木材資源的最大化利用，具有重要的現實意義。

圖3 (A)由旋轉切片機切割獲得的原生云杉木材截面的SEM圖像。(B) 10 μL液滴在改性LW上的運動。木材樣品傾斜(44°)。

（3）化學試劑的選擇

超疏水木質復合材料不僅具有超疏水性能，而且在制造過程中可以獲得額外的功能。研究表明，化學試劑的選擇會極大地影響超疏水木質復合材料的這些附加特性。例如，超疏水木質復合材料的耐久性、抗紫外線（UV）性、抗菌和抗真菌效果以及磁性都與加入特定粗糙結構的納米顆粒有關（圖4）。同時，表面改性材料對的疏水性方面起著關鍵作用。

圖4?氧化鋅木材表面可逆潤濕機理圖。

從本質上講，全面了解制備技術、木材特性，化學試劑和之間的相互作用對于優化超疏水木質復合材料的性能至關重要。

超疏水木質復合材料的多功能屬性

基本特性對于 SWBC 在實際應用中的可行性至關重要，因為它們能確保在受到外力作用時仍能保持超疏水特性。另一方面，限制特性則更多地針對特定的應用場景，為超疏水木材實現應用奠定基礎。

基礎屬性

要確保超疏水木質復合材料的長期耐久性，必須具備特定的基本特性。兩個關鍵特性是機械穩定性和化學穩定性(圖5)。此外，自清潔能力也是超疏水木質復合材料的另一個基本特性。這一特性可確保材料表面保持清潔，防止污染和污染物覆蓋或損壞。機械穩定性、化學穩定性和自潔能力的結合大大提高了超疏水木質復合材料的耐用性，使這些特性成為其應用中不可或缺的重要因素。

圖5?(A) 水滴在超疏水表面上滾動。(B) 線性磨損測試裝置。(C) 在磨損后由于涂層失效，水滴停在原表面上。

限制性屬性

為了促進超疏水木質復合材料的實際應用，除了其基本特性外，還需要根據具體應用整合其他特性。這些增強特性包括抗菌、防霉、防紫外線和阻燃，使超疏水木質復合材料能夠承受各種環境挑戰。此外，超疏水木質復合材料在水油分離性能方面的應用已取得顯著進展，其對外部環境刺激的響應機制也引起了研究人員的極大關注 (圖6)。因此，未來的研究應從單一功能轉向多功能材料以擴大其應用范圍。

圖6?(A1) 利用超疏水木片在重力驅動下分離水包煤油乳液的光學照片。(A2) 水包煤油乳液分離前的光學圖像。(A3) 水包煤油乳液分離后的光學圖像。 (B) 利用 M-WA 從水中吸收氯仿的過程照片。 (C) 三維智能 BW/PSP 膜的功能示意圖。 (D) 熱響應PCL10,000 膜的擬議機理示意圖。

總結

本論文研究了制造方法、化學溶劑選擇和基底材料類型對超疏水木質復合材料的物理化學特性的影響。之后，系統地闡述了超疏水木質復合材料的常見的性能和檢測方法。基本特性被認為是實現超疏水木質復合材料的應用的必要先決條件，而限制屬性則是為滿足特定應用要求而精心定制的，從而為超疏水木質復合材料走向實際應用奠定了堅實的基礎。近年來，超疏水木質復合材料的開發和應用有了顯著的發展。值得注意的是，本文在加工、物種選擇和化學試劑選擇方面的要求恰恰反映了超疏水木質復合材料面臨的問題：疏水性的保證、多功能化的發展和工業化。參考圖7，我們提供了必要工藝的全面直觀表示，描述了必須優化的必要工藝，以促進其過渡到工業規模生產。

圖7?超疏水木質復合材料的未來的研究方向

該研究以“Surface modifications towards superhydrophobic wood-based composites: Construction strategies, functionalization, and perspectives”為題發表于Advances in Colloid and Interface Science南京林業大學材料科學與工程學院碩士研究生王小藝為第一作者，韓小帥副教授為通訊作者。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cis.2024.103142

摘要：南京林業大學材料科學與工程學院蔣少華教授團隊發表綜述文章：超疏水木基復合材料的表面改性：構建策略、功能化和前景。