南京林业大学蒋少华教授团队《Advances in Colloid and Interface Science》发表综述：超疏水木基复合材料的表面改性：构建策略、功能化和前景

由于纤维素富含游离羟基，这使得木质复合材料具有高度的吸湿性。同时，由于木材结构中含有大量的毛细管和微毛细胞，因此木材表现出很强的吸附和毛细凝结现象。这种水分的吸收加剧了纤维的降解，表现为膨胀、开裂、机械性能恶化以及易腐烂，从而影响木质复合材料的寿命和应用范围。因此，提高木材的尺寸稳定性，赋予木质复合材料超疏水性能具有重要意义。

南京林业大学蒋少华教授团队在木质复合材料超疏水改性研究的基础上，近期在Advances in Colloid and Interface Science发表了题为 “Surface modifications towards superhydrophobic wood-based composites: Construction strategies, functionalization, and perspectives” 的综述文章。该综述总结了超疏水木质复合材料的研究进展，系统地论述了影响超疏水木质复合材料性能的三个关键因素：合成工艺、木材种类和化学试剂。其次，对超疏水木质复合材料的多功能属性及性能评估方式进行概括，最后，为超疏水木质复合材料未来的研究方向提供了一个基础理论框架，为开发多功能属性，实现工业化生产的超疏水木质复合材料提供新的思路。

图1 影响超疏水木质复合材料制备特性的因素及其性能示意图。

本文要点：

制备的超疏水木质复合材料的性能主要由两个因素决定：粗糙度的构造和低表面能改性。然而，制备过程涉及多种因素，这些因素会影响超疏水木质复合材料的微观结构和表面能改性的效果，进而在宏观上影响木质复合材料的性能属性。该综述介绍了了三个关键决定因素：（1）制备工艺 (2) 木材物种特异性和各向异性 (3) 化学剂的选择。

（1）制备工艺

常见的制备策略包括溶胶-凝胶法、水热合成法、化学气相沉积法、模板法、蚀刻法、物理气相沉积法及其组合，不同的制备策略和工艺条件会影响粗糙度的构建，从而影响超疏水木质复合材料的疏水性能（图2）。

图2 CVD法制备MTCS@wood 和 PFDMS@MTCS@wood 的示意图。

（2）基底材料

木材的固有特性受地理和气候差异的影响，加上其天然各向异性，使其有别于玻璃、纸张和金属等均匀基材。木材种类之间的这种天然差异以及木材横截面内部的微观结构差异都会影响超疏水特性。有研究利用木材表面的差异性，实现了对改性木材表面的液滴进行了可视化运动（图3）。利用木材的特异性，实现木材资源的最大化利用，具有重要的现实意义。

图3 (A)由旋转切片机切割获得的原生云杉木材截面的SEM图像。(B) 10 μL液滴在改性LW上的运动。木材样品倾斜(44°)。

（3）化学试剂的选择

超疏水木质复合材料不仅具有超疏水性能，而且在制造过程中可以获得额外的功能。研究表明，化学试剂的选择会极大地影响超疏水木质复合材料的这些附加特性。例如，超疏水木质复合材料的耐久性、抗紫外线（UV）性、抗菌和抗真菌效果以及磁性都与加入特定粗糙结构的纳米颗粒有关（图4）。同时，表面改性材料对的疏水性方面起着关键作用。

图4 氧化锌木材表面可逆润湿机理图。

从本质上讲，全面了解制备技术、木材特性，化学试剂和之间的相互作用对于优化超疏水木质复合材料的性能至关重要。

超疏水木质复合材料的多功能属性

基本特性对于 SWBC 在实际应用中的可行性至关重要，因为它们能确保在受到外力作用时仍能保持超疏水特性。另一方面，限制特性则更多地针对特定的应用场景，为超疏水木材实现应用奠定基础。

基础属性

要确保超疏水木质复合材料的长期耐久性，必须具备特定的基本特性。两个关键特性是机械稳定性和化学稳定性(图5)。此外，自清洁能力也是超疏水木质复合材料的另一个基本特性。这一特性可确保材料表面保持清洁，防止污染和污染物覆盖或损坏。机械稳定性、化学稳定性和自洁能力的结合大大提高了超疏水木质复合材料的耐用性，使这些特性成为其应用中不可或缺的重要因素。

图5 (A) 水滴在超疏水表面上滚动。(B) 线性磨损测试装置。(C) 在磨损后由于涂层失效，水滴停在原表面上。

限制性属性

为了促进超疏水木质复合材料的实际应用，除了其基本特性外，还需要根据具体应用整合其他特性。这些增强特性包括抗菌、防霉、防紫外线和阻燃，使超疏水木质复合材料能够承受各种环境挑战。此外，超疏水木质复合材料在水油分离性能方面的应用已取得显著进展，其对外部环境刺激的响应机制也引起了研究人员的极大关注 (图6)。因此，未来的研究应从单一功能转向多功能材料以扩大其应用范围。

图6 (A1) 利用超疏水木片在重力驱动下分离水包煤油乳液的光学照片。(A2) 水包煤油乳液分离前的光学图像。(A3) 水包煤油乳液分离后的光学图像。 (B) 利用 M-WA 从水中吸收氯仿的过程照片。 (C) 三维智能 BW/PSP 膜的功能示意图。 (D) 热响应PCL10,000 膜的拟议机理示意图。

总结

本论文研究了制造方法、化学溶剂选择和基底材料类型对超疏水木质复合材料的物理化学特性的影响。之后，系统地阐述了超疏水木质复合材料的常见的性能和检测方法。基本特性被认为是实现超疏水木质复合材料的应用的必要先决条件，而限制属性则是为满足特定应用要求而精心定制的，从而为超疏水木质复合材料走向实际应用奠定了坚实的基础。近年来，超疏水木质复合材料的开发和应用有了显著的发展。值得注意的是，本文在加工、物种选择和化学试剂选择方面的要求恰恰反映了超疏水木质复合材料面临的问题：疏水性的保证、多功能化的发展和工业化。参考图7，我们提供了必要工艺的全面直观表示，描述了必须优化的必要工艺，以促进其过渡到工业规模生产。

图7 超疏水木质复合材料的未来的研究方向

该研究以“Surface modifications towards superhydrophobic wood-based composites: Construction strategies, functionalization, and perspectives”为题发表于Advances in Colloid and Interface Science南京林业大学材料科学与工程学院硕士研究生王小艺为第一作者，韩小帅副教授为通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cis.2024.103142

摘要：南京林业大学材料科学与工程学院蒋少华教授团队发表综述文章：超疏水木基复合材料的表面改性：构建策略、功能化和前景。