通过仿生，可在木材表面构建仿荷叶结构的超疏水表面，这样的超疏水表面能够减小木材与水的接触，从而防止吸水带来的危害。此外，超疏水特性还可赋予木材表面自清洁、防污、防腐蚀等新功能，这对于延长木材使用寿命、扩大木材应用范围和提高木材附加值有着重要意义。
制备超疏水表面必须遵循两条原则：必须具有合适粗糙度和低表面能。木材表面结构十分复杂且不均匀，加之木材自身较差的耐热性和耐化学性，因此在木材上制备超疏水表面极具挑战性。目前，很多方法已经应用于木材超疏水表面的制备，如溶胶凝胶法、水热处理、浸涂、喷涂、聚合物接枝和等离子体蚀刻等。尽管研究取得了一定进展，但仍然存在着实际应用的问题。其中之一就是耐磨性和耐久性。因为机械磨损甚至简单的手指擦拭即可破坏脆弱的表面粗糙度，导致疏水性的丧失。此外，阳光照射、高温和高湿等环境因素也会损害疏水表面层。另一个重要问题是超疏水表面对低表面张力液体的排斥性差，这会导致有机污染，失去疏水性。 因此，开发耐久性高和耐油性好的超疏水木材表面更具实际应用价值。
为此，中国林业科学研究院的王小青课题组通过在木材表面预先涂布聚二甲基硅氧烷（PDMS），再喷洒水性全氟烷基甲基丙烯酸共聚物（PMC）乳液与TiO2的混合处理液，在实木表面成功制备了超疏水表面，并具有极高的机械耐久性和自修复能力。此项成果以“Facile preparation of mechanically durable, self-healing and multifunctional superhydrophobic surfaces on solid wood”为题发表于“Materials and Design”期刊上。
在这个涂层体系，二氧化钛纳米粒子用于木材表面粗糙化，而低表面能的PMC用作成膜剂和粘合剂将纳米颗粒牢固地锚定在表面上，从而确保超疏水涂层的良好机械耐久性。而PDMS作为备用疏水剂，一旦疏水表面PMC被紫外线(UV) 破坏，PDMS就可迁移到表面恢复其超疏水性。由于二氧化钛的引入，超疏水涂料不仅具有较强的抗紫外性能，还具有降解有机污染物的光催化活性。除了木材，也可用于其他纤维素基材料，包括滤纸、织物和棉花。
（a）对照组（b）PDMS涂层（c）PMC/TiO2涂层（d）双涂层木材的横向扫描电镜轮廓图（e）液滴接触角随表面张力变化的示意图
通过表面形貌的观测，发现PDMS处理后木材表面出现连续光滑的聚合物薄膜。而PMC/TiO2纳米复合物喷涂后，木材表面具有较高的表面粗糙度。横向扫描电镜图表面，PDMS疏水层厚度约为10um，PMC/TiO2超疏水涂层厚度约为5um。水、乙二醇和酱油等5uL液滴滴在样品表面后基本呈球状静止。当液体表面张力大于30.1mM/m时，液体的接触角保持在150°。10uL液滴的滚动角范围为5°-17°，滚动角数值取决于液体的表面张力，滚动角数值随表面张力的降低而增大。
(a,b)滤纸(c, d)织物(e, f)棉花喷涂前后的扫描电镜图
当染液、乙二醇、蜂蜜和热茶等液滴滴在改性木材、滤纸、纤维和棉花表面时，液滴都能从表面滑落，没有污染，表现出理想的防污和自清洁性能。
磨损试验后涂层的接触角和扫描电镜图
由于PMC用作成膜剂和聚合物粘合剂将纳米颗粒牢固地锚定在表面上，PMC乳液与TiO2纳米颗粒提供表面粗糙度。在经过1.7Kpa负荷下刮擦500cm后，改性木材接触角仍然大于150°，滚动角小于10°，微观尺度上的粗糙结构基本完好，在磨损后，能够迅速进行自修复，保障超疏水效果。
（a）PDMS涂层对木材接触角的影响；（b）自修复性能测试中超疏水表面的接触角和滚动角变化
当涂层被紫外照射两小时后，其滚动角急剧增大到25°，经过两小时热处理，涂层表面从粘性变为光滑，滚动角仅为7°。在前十次循环中，PMC/TiO2超疏水涂层能够恢复疏水状态，说明涂层具有良好的自修复性能。然而，在十次循环后，涂层滚动角即使不经过热处理依旧能保持在10°以下。
以PDMS作基层的PMC/TiO2超疏水涂层的自修原理图
当表面的PMC损失时，被包附的亲水TiO2暴露出来，表面表现出粘性，表面能增大。进行热处理后，涂层下部的疏水PDMS分子能够移动，迁移到表面并覆盖TiO2，利用热动力学降低表面的自由能。这一迁移使得表面的疏水物质不断得到补充，进而保证疏水性。而PDMS在紫外照射下难以分解，保障了低表面能物质的可靠来源。
（a）超疏水涂层对RhB染色的光催化性；（b）改性前后木材表面在紫外照射后的颜色变化
研究者将超疏水涂层浸泡在紫外照射条件下的RhB染色溶液中进行光催化性能测定。结果发现，在紫外照射60h后，溶液从粉红色变为无色，降解率达到94%。由于紫外照射下电子空穴对的产生，进而产生O2⁻、HOO·、·OH等活性自由基，达到将RhB分子降解为小分子和发色基团的目的。由于引入了TiO2纳米粒子，其下方的木材基质能够免于降解或变色。这种机械耐久、自修复、多功能的超疏水木材表面或许能为新型木质材料领域开辟新的途径。
原文：Kunkun Tu, Xiaoqing Wang, Lizhuo Kong, Hao Guan, Facile preparation of mechanically durable, self-healing and multifunctional superhydrophobic surfaces on solid wood,Materials & Design, 2018, 140:30-36.
DOI: 10.1016/j.matdes.2017.11.029.
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