本文摘要：摘要:本研究利用軟印刷法以不同濃度的聚乙烯醇(PVA)為彈性印章，以新鮮紅玫瑰花為模板，經過二次復形將玫瑰花表面微納褶皺結構轉印到竹材表面，制備得到具有類玫瑰花表面微觀結構的疏水竹材。試樣表面利用掃描電子顯微鏡(SEM)及水接觸角進行檢測，結果顯示類
摘要:本研究利用軟印刷法以不同濃度的聚乙烯醇(PVA)為彈性印章，以新鮮紅玫瑰花為模板，經過二次復形將玫瑰花表面微納褶皺結構轉印到竹材表面，制備得到具有類玫瑰花表面微觀結構的疏水竹材。試樣表面利用掃描電子顯微鏡(SEM)及水接觸角進行檢測，結果顯示類玫瑰花竹材樣品具有乳突狀和凹槽狀微納米結構的粗糙褶皺表面。研究發現，以10%PVA為模板復形的竹材表面水接觸角接近于新鮮玫瑰花瓣表面的水接觸角數值，展現出良好的疏水特性。
關鍵詞:疏水竹材,聚乙烯醇,軟印刷技術,新鮮玫瑰花瓣
竹材具有輕質高強、生長快、韌性好的特點，質感與木材類似，是一種可替代木材的理想材料，已被廣泛應用于家具、建筑、室內裝修等領域。竹材是一種三維的天然高分子復合體，但其多孔的結構及極強親水的特性，使其長期處于潮濕環境下會出現腐朽、變形、霉變等缺陷，影響其使用壽命。因此，需要開發疏水性竹材以有效避免水分對竹材的損害，從而提高竹材的使用年限[1-6]。
奇妙的自然界經過數十億年的自然選擇，造就其生物體具有奇異斑斕、多種多樣的特殊表面:荷葉超疏水自清潔的表面、水稻葉的各向異性、花生葉的高黏附超疏水表面、孔雀羽毛的不濕性、蒼蠅及蚊子的復眼等，都是大自然給予人類的寶貴財富[1-8]。
研究證實[3]，新鮮的玫瑰花瓣具有高黏附超疏水的性能，其原因為玫瑰花瓣表面有微米級矮寬的陣列狀乳突結構，每個乳突單元上又存在著納米級的褶皺，從而使得玫瑰花瓣微表面具有層次的微納結構粗糙表面，使水滴在花瓣上呈現出水球狀，表現出疏水的性征。當水滴浸滯到花瓣的陣列狀槽內，空氣即被填充到納米級的褶皺里，增加了水滴與花瓣表面的接觸面積，呈Wenzel態，提高了界面的張力，因此表現出高粘附的特性[9-13]。
本研究采用軟印刷技術的模板法，利用聚乙烯醇/聚苯乙烯(PVA/PS)在竹材表面制備類玫瑰花表面的微納結構，使得竹材具有疏水特性，從而有效防止竹、木材受潮損傷，延長竹木材的使用壽命[14-15]。
1材料與方法
1.1原材料
新鮮的玫瑰花瓣，2年生毛竹材。將毛竹材除竹青、竹黃，刨制成尺寸規格為15mm×15mm×5mm的竹塊，超聲清洗15min后放置于50℃的恒溫、恒濕箱中24h。不同濃度聚乙烯醇(PVA)分析純試劑，自制聚苯乙烯(PS);乳化劑脂肪醇聚氧乙烯醚(OS)、十二烷基硫酸鈉(SLS);引發劑二硫酸鉀(APS)、過氧化二苯甲酰(BPO)。
1.2儀器與設備
真空干燥箱:DZ-1BC;掃描電子顯微鏡(SEM);接觸角儀:德國Dataphysics公司的OCA20;能譜儀:X-MaxN;電熱恒溫水浴鍋:HH-1金壇市富華儀器有限公司;電動攪拌器:金壇市富華儀器有限公司;分析天平:TG328A上海天平儀器廠。
1.3聚苯乙烯的制備
1)取OS、SLS和去離子水溶解在三口瓶中，然后滴加苯乙烯，最后得到的乳液即為乳化劑(PE)。2)在水浴鍋75℃下攪拌，將APS和水均勻混合，再加入已配好的聚乙烯(PE)，一邊滴加PE，一邊滴加APS和BPO，控制在2h滴完，直至藍色消失，即得到PS乳液。
1.4不同質量分數PVA的配置
分別取一定質量的PVA粉末于三口瓶中，放在水浴鍋中，溫度控制在88℃～95℃，攪拌直至PVA溶液澄清，即可配成質量分數為1%、3%、5%、8%、10%的溶液。
1.5類玫瑰花瓣竹材表面試樣的制備
1)將玫瑰花瓣修剪成合適的大小，用乳白膠將其粘在玻璃板上，將之前配好的PVA溶液，均勻滴加在玫瑰花表面，除去氣泡，在60℃下放在真空干燥箱中2h左右烘干。取出輕輕撕下PVA膜，得到具有反面玫瑰花瓣結構的模板。2)用玻璃棒在竹材薄片上均勻涂抹已制備的PS溶液，然后將PVA膜均勻貼在試樣上，施以一定的壓力，放在室溫條件下12h后，剝離PVA膜，得到具有正面玫瑰花瓣結構的竹材表面。
1.6表征
竹材及其經過疏水處理的竹材表面的形貌通過掃描電子顯微鏡(SEM)進行觀測。試件的潤濕性采用OCA20接觸角儀在室溫下對試件一個表面的5處不同部位進行接觸角測定，計算其平均值得到最后接觸角。
2結果與分析
2.1竹材試樣的接觸角及其宏觀表征
竹材主要由纖維素、半纖維素、木質素等成分構成，含有大量的羥基、親水性基團，所以竹材呈現出親水性。隨著PVA濃度的提高，在涂有PS的竹材表面的接觸角逐漸提高，并且濃度為10%的PVA接觸角與玫瑰花表面最為接近，表現出更好的超疏水效果，證明經過模板印刷法以PVA為模板，在涂有PS的竹材表面已經制得了類玫瑰花表面的結構，與玫瑰花具有類似的疏水效應。
2.2竹材試樣表面的微觀表征及其表面元素
竹材表面具有很多孔隙，并且相互連通，其內表面巨大，造成竹材具有較強的吸水性。利用模板印刷法第1次復型得到的PVA膜的圖像，其表面具有類玫瑰微納反面結構。為新鮮玫瑰花瓣的微米級矮寬的結構。為類玫瑰花表面疏水性的竹材表面，其表面凸凹不平，具有類似玫瑰花瓣的陣列狀乳突微納結構，提供了竹材表面一定的粗糙度，提高了竹材的疏水性能。
可以看出竹材表面具有碳、氧和少量鉀、鈣、鈉(金和鈀來自涂層)的元素。而類玫瑰花瓣竹材表面的能譜中可以看出，只有大量碳、金元素，少量的氧元素，沒有其他元素出現，說明類玫瑰花瓣竹材表面疏水特性是由粗糙的結構造成，從而進一步說明軟印刷法是一項仿生生物體結構技術。
3結論
本研究受到生物的啟發，以玫瑰花為模板，成功地在竹材表面仿生制備了類玫瑰花表面的粗糙結構，可有效防止竹材受水分的侵害。
研究得出如下結論:1)通過SEM圖可以觀察到，第1次復形會產生和玫瑰花相反的結構，而第2次復形則在竹材表面得到類似玫瑰花的褶皺微納結構。2)利用軟印刷模板法制備的類玫瑰花竹材表面的水接觸角，非常接近玫瑰花表面的接觸角。此外，1%的PVA就具有非常好的疏水效果，并且隨著PVA濃度的增大，接觸角也在不斷增大，以10%的PVA疏水效果最好。3)EDS可以證明類玫瑰花竹材表面的的元素來自竹材，仿生的是生物體的結構。4)本研究表明，利用納米技術可以實現親水性材料轉為疏水材料，為疏水改性提供了新的研究方向。
參考文獻
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[2]宋劍剛，王發鵬，顧笛.竹材表面仿生構筑類月季花超疏水結構的研究[J].浙江農林大學學報，2017，34(5):921-925.
[3]王發鵬，吳華平，李松，等.竹材表面仿制類玫瑰花超疏水結構的研究[J].竹子學報，2017，36(3):49-52.
[4]王發鵬，李松.基于軟印刷技術的竹材表面仿制荷葉超疏水結構[J].科技導報，2016，34(19):101-104.
[5]WangFP，WangL，WuHP，etal.ALotus-leaf-likeSiO2superhydrophobicbamboosurfacebasedonsoftlithography[J].ColloidsandSurfacesA:PhysicochemicalandEngineeringAspects.2017，520:834-840.
農業方向刊物推薦：《竹子學報》(原：竹子研究匯刊)(季刊)創刊于1982年，是由國家林業局竹子研究開發中心;中國林學會竹子分會;浙江省林業科學研究所主辦的國內的竹子專業綜合性學術刊物，為《中國科學引文數據庫》來源期刊和中國科技核心期刊之一。
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