由于纖維素富含游離羥基，這使得木質(zhì)復(fù)合材料具有高度的吸濕性。同時(shí)，由于木材結(jié)構(gòu)中含有大量的毛細(xì)管和微毛細(xì)胞，因此木材表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸附和毛細(xì)凝結(jié)現(xiàn)象。這種水分的吸收加劇了纖維的降解，表現(xiàn)為膨脹、開裂、機(jī)械性能惡化以及易腐爛，從而影響木質(zhì)復(fù)合材料的壽命和應(yīng)用范圍。因此，提高木材的尺寸穩(wěn)定性，賦予木質(zhì)復(fù)合材料超疏水性能具有重要意義。

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

南京林業(yè)大學(xué)蔣少華教授團(tuán)隊(duì)在木質(zhì)復(fù)合材料超疏水改性研究的基礎(chǔ)上，近期在Advances in Colloid and Interface Science發(fā)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(jié)了超疏水木質(zhì)復(fù)合材料的研究進(jìn)展，系統(tǒng)地論述了影響超疏水木質(zhì)復(fù)合材料性能的三個(gè)關(guān)鍵因素：合成工藝、木材種類和化學(xué)試劑。其次，對(duì)超疏水木質(zhì)復(fù)合材料的多功能屬性及性能評(píng)估方式進(jìn)行概括，最后，為超疏水木質(zhì)復(fù)合材料未來(lái)的研究方向提供了一個(gè)基礎(chǔ)理論框架，為開發(fā)多功能屬性，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的超疏水木質(zhì)復(fù)合材料提供新的思路。

圖1 影響超疏水木質(zhì)復(fù)合材料制備特性的因素及其性能示意圖。

一、本文要點(diǎn)

制備的超疏水木質(zhì)復(fù)合材料的性能主要由兩個(gè)因素決定：粗糙度的構(gòu)造和低表面能改性。然而，制備過(guò)程涉及多種因素，這些因素會(huì)影響超疏水木質(zhì)復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和表面能改性的效果，進(jìn)而在宏觀上影響木質(zhì)復(fù)合材料的性能屬性。該綜述介紹了了三個(gè)關(guān)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(xué)劑的選擇。

（1）制備工藝

常見(jiàn)的制備策略包括溶膠-凝膠法、水熱合成法、化學(xué)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(huì)影響粗糙度的構(gòu)建，從而影響超疏水木質(zhì)復(fù)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(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)差異都會(huì)影響超疏水特性。有研究利用木材表面的差異性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)改性木材表面的液滴進(jìn)行了可視化運(yùn)動(dòng)（圖3）。利用木材的特異性，實(shí)現(xiàn)木材資源的最大化利用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖3 (A)由旋轉(zhuǎn)切片機(jī)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(yùn)動(dòng)。木材樣品傾斜(44°)。

（3）化學(xué)試劑的選擇

超疏水木質(zhì)復(fù)合材料不僅具有超疏水性能，而且在制造過(guò)程中可以獲得額外的功能。研究表明，化學(xué)試劑的選擇會(huì)極大地影響超疏水木質(zhì)復(fù)合材料的這些附加特性。例如，超疏水木質(zhì)復(fù)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(jié)構(gòu)的納米顆粒有關(guān)（圖4）。同時(shí)，表面改性材料對(duì)的疏水性方面起著關(guān)鍵作用。

圖4 氧化鋅木材表面可逆潤(rùn)濕機(jī)理圖。

從本質(zhì)上講，全面了解制備技術(shù)、木材特性，化學(xué)試劑和之間的相互作用對(duì)于優(yōu)化超疏水木質(zhì)復(fù)合材料的性能至關(guān)重要。

二、超疏水木質(zhì)復(fù)合材料的多功能屬性

基本特性對(duì)于 SWBC 在實(shí)際應(yīng)用中的可行性至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兡艽_保在受到外力作用時(shí)仍能保持超疏水特性。另一方面，限制特性則更多地針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)景，為超疏水木材實(shí)現(xiàn)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

三、基礎(chǔ)屬性

要確保超疏水木質(zhì)復(fù)合材料的長(zhǎng)期耐久性，必須具備特定的基本特性。兩個(gè)關(guān)鍵特性是機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性(圖5)。此外，自清潔能力也是超疏水木質(zhì)復(fù)合材料的另一個(gè)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(jī)械穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和自潔能力的結(jié)合大大提高了超疏水木質(zhì)復(fù)合材料的耐用性，使這些特性成為其應(yīng)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(dòng)。(B) 線性磨損測(cè)試裝置。(C) 在磨損后由于涂層失效，水滴停在原表面上。

四、限制性屬性

為了促進(jìn)超疏水木質(zhì)復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用，除了其基本特性外，還需要根據(jù)具體應(yīng)用整合其他特性。這些增強(qiáng)特性包括抗菌、防霉、防紫外線和阻燃，使超疏水木質(zhì)復(fù)合材料能夠承受各種環(huán)境挑戰(zhàn)。此外，超疏水木質(zhì)復(fù)合材料在水油分離性能方面的應(yīng)用已取得顯著進(jìn)展，其對(duì)外部環(huán)境刺激的響應(yīng)機(jī)制也引起了研究人員的極大關(guān)注 (圖6)。因此，未來(lái)的研究應(yīng)從單一功能轉(zhuǎn)向多功能材料以擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

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

五、總結(jié)

本論文研究了制造方法、化學(xué)溶劑選擇和基底材料類型對(duì)超疏水木質(zhì)復(fù)合材料的物理化學(xué)特性的影響。之后，系統(tǒng)地闡述了超疏水木質(zhì)復(fù)合材料的常見(jiàn)的性能和檢測(cè)方法。基本特性被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)超疏水木質(zhì)復(fù)合材料的應(yīng)用的必要先決條件，而限制屬性則是為滿足特定應(yīng)用要求而精心定制的，從而為超疏水木質(zhì)復(fù)合材料走向?qū)嶋H應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。近年來(lái)，超疏水木質(zhì)復(fù)合材料的開發(fā)和應(yīng)用有了顯著的發(fā)展。值得注意的是，本文在加工、物種選擇和化學(xué)試劑選擇方面的要求恰恰反映了超疏水木質(zhì)復(fù)合材料面臨的問(wèn)題：疏水性的保證、多功能化的發(fā)展和工業(yè)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(yōu)化的必要工藝，以促進(jìn)其過(guò)渡到工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。

圖7 超疏水木質(zhì)復(fù)合材料的未來(lái)的研究方向

該研究以“Surface modifications towards superhydrophobic wood-based composites: Construction strategies, functionalization, and perspectives”為題發(fā)表于Advances in Colloid and Interface Science南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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。