殼聚糖/植酸鈉/納米Fe3O4復(fù)合膜對木材表面抗紫外線性能的影響因素探討

趙霏越， 富艷春

(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京210037)

隨著人們生活品質(zhì)的提高，對產(chǎn)品用材的選擇更加注重綠色環(huán)保，木材作為一種天然且美觀的材料在建筑、家具等領(lǐng)域均有很大使用量，但在使用過程中會受到來自環(huán)境的不同影響。其中，光照產(chǎn)生的紫外線傷害會導(dǎo)致木材變色、變形、加速老化等問題，最終使木材在美觀乃至結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷。木材抗紫外線性能的研究對于減緩老化、提高木制品的質(zhì)量具有重要意義[1-5]。

研究表明，納米Fe3O4的顆粒尺寸遠(yuǎn)小于紫外線波長，能將照射在納米粒子上的紫外線散射，相對減少照射木材的紫外線強度，從而達(dá)到一定的抗紫外線作用[6-7]。我們選擇利用層層自組裝技術(shù)，以聚電解質(zhì)殼聚糖和植酸鈉作為陰陽離子媒介[8-10]，將納米Fe3O4有效負(fù)載于木材表面，提高其抗紫外線性能。

1 試驗材料

1.1 試驗材料

巴沙木(O.pyramidale)，購于林海博旗艦店；納米Fe3O4(30 nm)、殼聚糖(<200 mPa·s)和植酸鈉(99%)，購于上海阿拉丁生化科技公司；36.5%～38.0%鹽酸，購自南京化學(xué)試劑有限公司。本實驗中所有溶液配備采用自制蒸餾水。

1.2 儀器設(shè)備

Lab 便攜式色差儀(HP-2136)、UV紫外線照射燈箱(AP-UV)、電子天秤(JA21002)、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9423A)、磁力攪拌器(CJ78-1)。

1.3 試驗方法

1.3.1 木材預(yù)處理

將巴沙木裁切制成規(guī)格為20 mm×20 mm×20 mm的試件，用蒸餾水反復(fù)清洗后置入烘箱中以60 ℃干燥1 h，將各組試樣在統(tǒng)一位置標(biāo)號。在記號背面的中心位置用Lab色差儀測得此時木塊試樣的顏色作為初始基準(zhǔn)值，其中L*代表明度，a*代表紅綠指數(shù)，b*代表黃藍(lán)指數(shù)。最后放于真空塑封袋中備用。

1.3.2 溶液的配置

稱取0.5 g、1 g、2 g的殼聚糖分別溶于100 mL蒸餾水中，用磁力攪拌器使殼聚糖在蒸餾水中完全溶解并分散均勻，使用稀鹽酸調(diào)整溶液的pH值=3；同理，采用相同方式配置植酸鈉、Fe3O4納米粒子水溶液，并使用稀鹽酸分別控制溶液pH值=3。

1.3.3 木材表面殼聚糖/植酸鈉/納米 Fe3O4復(fù)合膜的制備

木材表面含有大量羥基，因此在溶液中帶有負(fù)電荷[11]。將木材試件浸入帶有正電荷的殼聚糖溶液中，通過帶電粒子正負(fù)相吸，聚陽離子便附著于木材表面，一定時間后取出，用蒸餾水沖洗掉表面游離態(tài)聚陽離子，并送入烘箱中以 60 ℃烘干1 h；隨后將處理后的木材浸入帶有負(fù)電荷的植酸鈉溶液中，聚陰離子逐漸吸附在木材表面，一定時間后取出，再次用蒸餾水沖洗表面，去掉多余的聚陰離子后送入烘箱中以60 ℃烘干1 h。將處理后的木材浸入Fe3O4納米粒子水溶液中，納米Fe3O4水溶液在pH值為3時帶正電，并通過靜電吸附組裝在木材表面，反應(yīng)一定時間后取出，以蒸餾水沖洗表面并送入烘箱重復(fù)先前相同操作，得到表面形成殼聚糖/植酸鈉/納米Fe3O4復(fù)合膜層的木材。

浸入聚陰離子電解質(zhì)植酸鈉溶液和Fe3O4納米粒子水溶液后在木材表面沉積的植酸鈉/納米Fe3O4為一層，反復(fù)上述實驗內(nèi)容使植酸鈉和納米Fe3O4在木材表面交替沉積組裝數(shù)層，如圖1所示。本實驗過程中保持除變量以外的其他條件相同，探討不同變量下形成的表面復(fù)合膜抗紫外線性能的優(yōu)劣。變量分別為：聚電解質(zhì)溶液與納米粒子溶液濃度、木材浸泡時間和組裝層數(shù)。

1.3.4 木材表面抗紫外線涂層性能測試

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 溶液濃度對復(fù)合膜抗紫外線性能的影響

紫外老化試驗不同濃度條件下的色差變化趨勢對比如圖2所示。

圖1 木材表面層層自組裝抗紫外線涂層操作流程

圖2 紫外老化試驗不同濃度條件下的色差變化趨勢對比

圖2中三組試驗的變量為溶液的濃度，其聚電解質(zhì)溶液及Fe3O4納米粒子水溶液的濃度分別為 0.5 g/100 mL、1 g/100 mL 和 2 g/100 mL，在配比方面三組溶液均保持了Fe3O4納米粒子水溶液濃度與聚電解質(zhì)溶液濃度比為1∶1不變。通過不同濃度溶液的浸漬改性結(jié)果顯示，在其余試驗條件一致的情況下，濃度較小的溶液所制得涂層并未使測試結(jié)果有明顯改善，只有溶液濃度最大的一組測試所得四項數(shù)值都優(yōu)于素材，變化較小更趨近于0，即高濃度溶液所制得的抗紫外線涂層保護(hù)木材各屬性的能力最優(yōu)，可見溶液濃度越大改性木材的抗紫外線老化性能越強。此外，對比發(fā)現(xiàn)這三組數(shù)據(jù)之間差距很大，可見溶液濃度這一條件在制備聚電解質(zhì)/納米Fe3O4復(fù)合膜的過程中起重要作用，對復(fù)合膜最終效果的影響顯著。

2.2 木材浸泡時間對復(fù)合膜抗紫外性能的影響

紫外老化試驗不同時間條件下的色差變化趨勢對比如圖3所示。圖3中三組試驗的變量為木材試樣在溶液中浸泡的反應(yīng)時間，分別為30 min、60 min和90 min。[3]通過曲線能夠判斷，隨著反應(yīng)時間的增加，試樣的ΔL*、Δa*、Δb*、ΔE*都在逐漸趨向于0?？烧J(rèn)為試樣在溶液中浸泡反應(yīng)的時間越長，在后續(xù)照射過程中受到燈光的影響便越小，即抗紫外線老化的性能越強，制備出的聚電解質(zhì)/納米Fe3O4復(fù)合膜性能越優(yōu)秀。

2.3 組裝層數(shù)對復(fù)合膜抗紫外性能的影響

紫外老化試驗不同組裝層數(shù)條件下的色差變化趨勢對比如圖4所示。

圖4中三組試驗的變量為木材試樣上聚電解質(zhì)/納米Fe3O4膜層的組裝層數(shù)。從折線圖中可以看出，組裝僅1層的試件各項測試指標(biāo)均遠(yuǎn)偏離0，木材在燈光照射下產(chǎn)生了明顯變化，其膜抗紫外線老化性能最差；而具備5層與10層膜的試件所測試得到的曲線十分接近，相比之下10層復(fù)合膜的抗紫外線老化性能更好。由此可以得出，此方法組裝的木材抗紫外線膜在一定范圍內(nèi)隨著組裝層數(shù)的增多整體復(fù)合膜層性能更好。

2.4 木材表面有機/無機復(fù)合膜抗紫外結(jié)果綜合分析

橫向?qū)Ρ雀鲗嶒灲Y(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一個月的紫外線照射，處理后的各試樣以及素材的明度(L*)明顯變小，與之相反，其紅綠指數(shù)(a*)、黃藍(lán)指數(shù)(b*)以及總色差(ΔE*)都在不斷增大，其中ΔE*的增幅最為顯著。

圖3 紫外老化試驗不同時間條件下的色差變化趨勢對比

圖4 紫外老化試驗不同組裝層數(shù)條件下的色差變化趨勢對比

在各項指標(biāo)的變化量方面，通過直觀的圖像能夠發(fā)現(xiàn)，與總趨勢先不斷降低后有所回升波動、最終趨于穩(wěn)定的素材ΔL*值不同，各試樣的曲線雖然差異很大，但也有共同點，其變化幾乎都可以分為兩個階段：當(dāng)紫外線照射時間小于200 h時，各試樣的ΔL*值不斷下降，甚至斜率大于素材，當(dāng)紫外線照射時間大于200 h后，ΔL*值不再繼續(xù)降低，而是緩慢回升，最終在小于初始值的位置趨于穩(wěn)定。

綜合對比數(shù)據(jù)來看，試樣的Δa*值與Δb*值整體變化趨勢與素材相近，可見試樣ΔL*值的差異是最終導(dǎo)致ΔE*值趨勢顯著變化的原因。結(jié)合ΔL*值的變化分析，素材的ΔE*曲線呈現(xiàn)不斷上升并趨于穩(wěn)定時，其他試樣的ΔE*曲線趨勢也可以分為兩個階段：當(dāng)紫外線照射時間小于200 h時，各試樣的ΔE*值不斷上升，斜率大于素材，當(dāng)時間大于200 h后，各試樣的ΔE*值不再繼續(xù)上升，轉(zhuǎn)而緩慢下降，最終在大于初始值的位置趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

通過在木材表面以陰陽離子聚電解質(zhì)作為媒介負(fù)載抗紫外功能的Fe3O4納米粒子，使木材具有了一定防光變色功能。本實驗中當(dāng)聚電解質(zhì)溶液與 Fe3O4納米粒子水溶液濃度為2 g/100 mL、試樣浸泡反應(yīng)時間為90 min、木材表面組裝膜層為10層時，所制得的殼聚糖/植酸鈉/納米Fe3O4復(fù)合膜具有較好的抗紫外線性能。