木材無機納米表面修飾功能化

無機納米粒子特別是晶態納米金屬氧化物能夠產生透光、增強、耐水、隔熱、防火、殺菌、自潔等效果，可以運用到木材功能化設計保護中。例如納米ZnO則有很強的紫外線屏蔽作用和紅外線吸收作用，能產生抗老化和抗菌的效果；納米Al2O3、SiO2主要應用于光學單晶及精細陶瓷有優良的硬度、抗磨性和增韌作用，可大幅度地提高其強度和韌性；納米CaCQs是一種應用廣泛的補強劑，可提高硬度和剛度；納米TiOz具有強的光催化活性，能起到分解有機污染物、凈化空氣和殺菌自潔的作用。同時，納米TiO2、ZnO等也都是優良的抗老化劑。

木材作為一種天然有機高分子材料與無機納米材料進行有機復合不僅應具有納米材料的小尺寸效應、量子尺寸效應和表面效應，而且還應將無機物的剛性、尺寸穩定性和耐高溫高熱性與木材的韌性、宜加工、強重比高及獨特的環境學特征有機融合在一起，從而產生很多新的特殊性能，如超疏水、自清潔性、自殺菌性和自降解有機物等性能。

（1）物理和力學性能。木材使用過程中一個最主要的缺陷是由于木材在吸收水分后會發生膨脹進而導致尺寸不穩定和易遭細菌侵蝕。將納米SiO2或TiOz與木材進行復合可大大改善木材的尺寸穩定性和其他物理性能。Hilbert等釆用sol-gel將TiOz溶膠浸入木材中，經檢測發現木材的體積收縮率可降至5%，而尺寸穩定性可提高60%。邱堅等利用sol-gel法在木材內空細胞浸注SiC>2膠體并對其力學性質進行檢測發現木材的表面硬度提高非常明顯，而木材的順紋抗壓強度、抗彎強度和抗彎彈性模量較素材產生一定程度的降低，研究結果與劉磊等一致。因此，無機納米材料在改善木材尺寸穩定性方面有著顯著的優勢但同時伴隨著力學性能的降低。如果能將一些有機高分子先于無機納米進行復合后再對木材性能進行改善，由于納米粒子比表面積大、表面層原子數量大，可以充分地與聚合物吸附鍵合，可能會對木材力學性能有所改善。

（2）表面效應。由于納米材料的小尺寸效應，當納米材料與木材發生相互融合時，納米材料小分子會在木材細胞壁中成核、長大、聚集，同時也可能會與木材中的主要組分纖維素上富含的羥基發生鍵合從而使得納米材料成為木材本身的一個組成部分，保持了細胞腔的毛細管系統。利用納米材料的表面效應可以制備具有特殊性能的木材新型材料。王成毓等將納米ZnO陣列、球形a-FeOOH等負載于木材表面制備了超疏水木材，改變了木材親水性質。其基本原理是利用納米制備的化學方法，在木材表面上建造微米納米尺寸共存、幾何形狀互補的界面結構，在增加表面粗糙度的同時又降低了木材表面能，使得液滴在木材表面由于低凹的表面張力而致使大氣中的氣體分子只能與納米材料的表面接觸而不能完全接觸到木材表面，這樣就在木材表面構建了一層穩定的氣體薄膜，使油或水無法與木材的表面直接接觸，使木材具有與本身性質完全相反的特性，使得油污或者水在接觸到木材表面時不會被其表面張力所吸附， 從而達到自清潔效果。由此可見，利用納米材料的制備技術可以制備具有疏水疏油性質的木材，大大提高和改善木材的疏水拒油的能力，使得木材不再因吸水而導致木材膨脹、不再因吸附一些有機物而致使其表面被玷污，制備的納米材料層既可做木材表面的無機涂層，同時又可將納米材料的小尺寸效應發揮出來，實現了將木材本身特性與納米材料特性有機融合。同時由此衍生的納米材料對木材視覺特性、觸覺特性、調濕特性和空間聲學特性的改變又急需做深入進一步探討，最為關鍵的是當木材表面負載無機納米材料涂層后是否會對其使用產生負面作用所以研究納米材料在木材功能性改良中的的小尺寸效應來提高木材的性能具有重要意義。

（3）殺菌和自清潔性能。尋找新的、無毒且與人類和環境友好的高效木材保護劑一直是木材科學所關注的問題。近年來利用納米TiO2、ZnO等半導體光催化消除和降解污染物成為研究熱點，這兩種無機納米材料均具有無毒、穩定性高且具有較高的光催化降解有機物能力。 如果能有效地將這些光催化半導體材料與木材有機結合在一起，可以賦予木材防腐、殺菌、自清潔和自降解有機物等能力，這樣可以大大拓寬木質材料的使用范圍和利用途徑。龍玲等將納米TiOz漿料及以納米TiOz漿料為抗菌劑的飾面人造板的制備工藝進行殺菌性能檢測分析發現，飾面人造板具有較好的抑菌效果，它對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均有良好的抑制作用。黃素涌等采用溶膠-凝膠法制備了杉木/TiOz復合材料小樣品。經微生物抗菌檢測實驗結果證實，所制備的杉木/TiOz復合材料具有顯著而廣譜的抗菌性，對大腸埃希氏菌、金黃色葡萄球菌、鼠傷寒沙門氏菌及枯草桿菌的抗菌率基本都在90%以上且抗菌性具有一定穩定性和持久性。

（4）耐候性。近年來使用無機納米材料來改善木材的耐候性是木材科研界研究的一個熱點。Tshabalala等利用各種無機物對木材進行改性后將木材放在強紫外燈下照射發現，木材的耐候能力有了較大提高。應用納米材料這方面的特性來克服木材表面性狀和品質劣化的缺點，對戶外木材的使用具有重要的實際意義，可顯著地延長木材室外的使用年限。

（5） 阻燃性。木材阻燃一直是木材科學中比較難于克服的技術難題之一許多科研工作者在此方面做了很多探索性工作并一直在不斷尋求新的無毒綠色阻燃劑。隨著納米科學與技術的興起，將無機納米材料用于木材阻燃，提高木材耐火能力也受到了很多專家和學者的關注。日本專家Sun等將銳鈦礦負載于木材表面后使用CONE技術測定了改性材料的燃燒行為，研究結果發現改性材料的燃燒時間可以延長2倍，同時煙釋放量和CO及CO2的初始產生值大大減少。所以使用無機納米材料來改善木材的阻燃性能將是未來重要的研究方向之一?？傊?，從發展一劑多效、綠色環保、高附加值的木材功能性改良方式和減少對環境污染的角度來看，木材無機納米表面修飾功能化防護和功能型改良研究將是木材科學未來重要發展方向之一。

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