一種利用3d打印技術制備超疏水木材的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種利用3D打印技術制備超疏水木材的方法，包括以下步驟：（1）以自然界中或人工構建的超疏水表面為模板，采用掃描電子顯微鏡對超疏水表面進行掃描，獲得三維結構模型圖；（2）將無機或有機納米粒子分散于含低表面能有機物的溶液中進行改性處理，然后離心分離回收改性后的無機或有機納米粒子，干燥，用作打印原料；（3）在鋸材表面涂刷一層樹脂或膠粘劑膠膜，進行預干；（4）將上述三維結構模型圖導入3D打印機，以改性處理后的納米粒子作為打印原料，對預干后的木材各個表面分別進行3D打印，對打印后制得的木材進行固化，即得到超疏水木材。本發(fā)明制備的超疏水木材具有良好的耐候性，方法工藝簡單，適合工業(yè)化大面積生產。
【專利說明】一種利用3D打印技術制備超疏水木材的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及3D打印領域，具體涉及利用3D打印技術制備超疏水木材的領域。

【背景技術】
[0002]3D打印，又稱積層制造，屬于快速成形技術的一種，它是一種通過讀取數字模型文件，直接制造幾乎任意形狀三維實體的技術。3D打印技術使得模型或者零部件的生產、制作無需考慮生產工藝問題，可以快速打印出實物模型，從而縮短產品生產周期。因此，其在航天航海、生物醫(yī)藥、建筑設計、制造業(yè)等都有廣闊的應用前景。
[0003]木材來源豐富，環(huán)?？稍偕子诩庸?，廣泛應用于社會經濟建設與人類生活環(huán)境中。但木材由于其主要成分如纖維素、半纖維素等含有大量的吸水基團，表現出極強的吸水性，木材吸水后又容易被菌蟲侵蝕、腐朽，產生尺寸變形等破壞，嚴重降低木材使用價值，限制使用范圍，縮短使用壽命，導致木材資源大量浪費。如果賦予木材超疏水特性將顯著提高木材的疏水能力，延長其使用壽命，節(jié)約木材資源，從而有利于環(huán)境保護。而現有的木材超疏水處理方法都需要復雜的工藝過程，處理周期長，成本高，如果能通過利用3D打印技術獲得具有超疏水特性的木材，這對于本領域技術人員來說將具有革命性意義。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術問題是，克服以上【背景技術】中提到的不足和缺陷，提供一種利用3D打印技術制備超疏水木材的方法，該方法工藝簡單、可大面積生產。
[0005]本發(fā)明所解決的技術問題采用以下技術方案來實現:一種利用3D打印技術制備超疏水木材的方法，包括以下步驟:
(1)以自然界中或人工構建的超疏水表面為模板，采用掃描電子顯微鏡對超疏水表面進行掃描，將掃描圖片導入繪圖軟件獲得三維結構模型圖；
(2)將無機或有機納米粒子分散于含低表面能有機物的溶液中進行改性處理，然后離心分離回收改性后的無機或有機納米粒子，干燥，用作打印原料；
(3)鋸切待處理木材，制得表面平整、光滑的鋸材，然后在鋸材表面涂刷一層樹脂或膠粘劑膠膜，對涂膠后的木材進行預干；
(4)將上述三維結構模型圖導入3D打印機(3D打印機可使用“噴墨”的方式。即使用打印機噴頭將一層極薄的配置好的混合溶液噴涂基材上，此涂層然后被置于紫外線下進行處理。之后基材下降極小的距離，以供下一層堆疊上來，還可使用“熔積成型”的技術，在噴頭內裝入配置好的混合液，然后通過沉積混合溶液的方式形成薄層。還可使用“激光燒結”技術，將配置好的混合溶液噴撒在鑄模托盤上形成一層極薄層，熔鑄成指定形狀，然后由噴出的液態(tài)粘合劑進行固化)，以改性處理后的納米粒子作為打印原料，對預干后的木材各個表面分別進行3D打印(3D打印過程即在基材上逐層構建微納米結構的過程，通過將導入的模型切割成極薄層，甚至到單個粒子尺寸，然后通過累積打印，在基材將這些薄層堆積在基材上，最終形成類模型結構)，對打印后制得的木材進行固化，即得到超疏水木材。
[0006]上述的制備超疏水木材的方法中，優(yōu)選的，所述自然界中的超疏水表面為擁有超疏水特性的植物或昆蟲表面。
[0007]上述的制備超疏水木材的方法中，優(yōu)選的，所述超疏水表面為荷葉表面或芋頭葉表面。
[0008]上述的制備超疏水木材的方法中，優(yōu)選的，所述無機納米粒子為直徑為100~300nm的5;102、1102或2110中的一種或多種混合納米粒子，所述有機納米粒子為聚苯乙稀或聚四氟乙稀納米粒子。
[0009]上述的制備超疏水木材的方法中，優(yōu)選的，所述含低表面能有機物的溶液中，其溶質為硬脂酸、乙烯基三乙氧基硅烷、全氟辛基三乙氧基硅烷或十八烷基三氯硅烷，溶劑為溶解前述溶質的醇類或醛類有機溶劑，溶質的質量分數為2°/『10%。
[0010]上述的制備超疏水木材的方法中，優(yōu)選的，所述改性處理過程中的溫度為30~80°C，處理時間為l~4h，改性處理過程中同時利用超聲波進行分散。
[0011]上述的制備超疏水木材的方法中，優(yōu)選的，所述干燥為真空干燥，溫度為40~80°C，時間為2~10h ;所述樹脂為酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂，所述涂刷的方式為噴涂、輥涂或滴涂。
[0012]上述的制備超疏水木材的方法中，優(yōu)選的，所述3D打印機設有一噴射孔，所述噴射孔裝有孔徑為10~100ym的噴嘴，且噴射時使用空氣對打印原料加壓，壓力為0.2-0.7MPa?使噴射濃度及微粒釋放量可控，分散均勻，最小每層打印厚度可達10 μ m。
[0013]上述的制備超疏水木材的方法中，優(yōu)選的，所述噴嘴與木材間距離精度為ΙΟμπι，所述噴嘴的平移精度為5 μ m。
[0014]上述的制備超疏水木材的方法中，優(yōu)選的，所述固化的條件為紫外光固化、加熱、微波或紅外光固化。樹脂預固化根據采用的樹脂而定，固化溫度為對應的最佳樹脂固化溫度。
[0015]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明制備的超疏水木材具有良好的耐候性，無機納米粒子對酸堿性液體及高低溫都有良好的抵抗能力，同時通過引入樹脂、膠粘劑等粘結力強的物質提高了納米粒子與木材表面的機械結合強度。無機或有機納米粒子與有機膠粘劑結合共同作用，在木材表面構建了高強、耐久型超疏水木材，并且本發(fā)明的方法工藝簡單，適合工業(yè)化大面積生產。以疏水改性后的微納米粒子為原料，模仿自然界超疏水表面來設計三維表面微觀形貌結構，可以快速、大范圍地在木材表面打印微納米二級結構，從而獲得具有超疏水特性的木材。

【具體實施方式】
[0016]為了便于理解本發(fā)明，下文將結合較佳的實施例對本發(fā)明作更全面、細致地描述，但本發(fā)明的保護范圍并不限于以下具體的實施例。
[0017]除非另有定義，下文中所使用的所有專業(yè)術語與本領域技術人員通常理解的含義相同。本文中所使用的專業(yè)術語只是為了描述具體實施例的目的，并不是旨在限制本發(fā)明的保護范圍。
[0018]除非另有特別說明，本發(fā)明中用到的各種原材料、試劑、儀器和設備等均可通過市場購買得到或者可通過現有方法制備得到。
[0019]實施例1 一種本發(fā)明的利用3D打印技術制備超疏水木材的方法，包括以下步驟:
步驟(I):將采摘的新鮮荷葉，截取一塊完好的表面，展平后采用高倍掃描電鏡對荷葉表面微納米結構進行掃描，將掃描圖片導入繪圖軟件獲得三維結構模型圖，然后對模型圖進行分層切割，將切割后的模型圖倒入3D打印機，進行打印設置。3D打印機噴射孔裝有孔徑為10 μm的噴嘴，且噴射時使用空氣對打印原料加壓，壓力為0.2MPa，使噴射濃度及微粒釋放量可控，分散均勻，最小每層打印厚度可達10 μπι ;3D打印機噴嘴與木材間距離精度達10 μ m，噴嘴平移精度達5 μ m。
[0020]步驟(2):將直徑為80nm的T12納米粒子溶于質量分數為3%的乙烯基三乙氧基硅烷的無水乙醇溶液中，處理溫度為50°C，采用超聲波對納米粒子溶液進行分散，分散Ih后采用離心分離回收改性后的納米粒子，然后40°C真空干燥10h，作為3D打印機原料。
[0021]步驟(3):鋸切待處理木材，制得表面平整、光滑的鋸材，采用輥涂的方式在光滑的鋸材表面覆蓋一層酚醛樹脂膠膜，對涂膠后的木材進行預干。
[0022]步驟(4):以步驟(2)制得的低表面能納米粒子作為打印原料，對預干后的木材各個表面分別進行3D打印，打印完成后在真空干燥箱內對處理表面進行干燥，60°C下干燥4h(即加熱固化)，加熱固化成型后，即得高強耐光超疏水木材。該超疏水木材表面微觀結構與荷葉一致，組成表面的物質為疏水性納米T12，類荷葉狀微觀結構與低表面能物質共同作用獲得了水滴接觸角大于150°，滾動角小于5°的超疏水木材。
[0023]實施例2
一種本發(fā)明的利用3D打印技術制備超疏水木材的方法，包括以下步驟:
步驟(I):將采摘的新鮮芋頭葉截取一塊完好的表面，展平后采用高倍掃描電鏡對芋頭葉表面微納米結構進行掃描，將掃描圖片導入繪圖軟件獲得三維結構模型圖，然后對模型圖進行分層切割，將切割后的模型圖倒入3D打印機，進行打印設置。3D打印機噴射孔裝有孔徑為100 μ m的噴嘴，且噴射時使用空氣對打印原料加壓，壓力為0.7MPa，使噴射濃度及微粒釋放量可控，分散均勻，最小每層打印厚度可達10 μπι ;3D打印機噴嘴與木材間距離精度達10 μ m，噴嘴平移精度達5 μ m。
[0024]步驟(2):將直徑為70nm的S12納米粒子溶于質量分數為2%的十八烷基三氯硅烷的無水乙醇溶液中，處理溫度為60°C，采用超聲波對納米粒子溶液進行分散，分散1.5h后采用離心分離回收改性后的納米粒子，然后60°C真空干燥6h，作為3D打印機原料。
[0025]步驟(3):鋸切待處理木材，制得表面平整、光滑的鋸材，采用噴涂的方式在光滑的鋸材表面覆蓋一層環(huán)氧樹脂膠膜，對涂膠后的木材進行預干。
[0026]步驟(4):以步驟(2)制得的低表面能納米粒子作為打印原料，對預干后的木材各個表面分別進行3D打印，打印完成后在真空干燥箱內對處理表面進行干燥，50°C下干燥6h(即加熱固化)，加熱固化成型后，即得高強耐久型超疏水木材。該超疏水木材表面微觀結構與芋頭葉一致，組成表面的物質為疏水性納米S12，類芋頭葉狀微觀結構與低表面能物質共同作用獲得了水滴接觸角大于150°，滾動角小于5°的超疏水木材。
[0027]實施例3
一種本發(fā)明的利用3D打印技術制備超疏水木材的方法，包括以下步驟:
步驟(I):以疏水昆蟲翅膀為模板(在其它實施例中，也可以用其它自然界中或人工構建的超疏水表面為模板)，截取一塊完好的疏水昆蟲翅膀表面，展平后采用高倍掃描電鏡對超疏水表面微納米結構進行掃描，將掃描圖片導入繪圖軟件獲得三維結構模型圖，然后對模型圖進行分層切割，將切割后的模型圖倒入3D打印機，進行打印設置。3D打印機噴射孔裝有孔徑為50 μm的噴嘴，且噴射時使用空氣對打印原料加壓，壓力為0.5MPa，使噴射濃度及微粒釋放量可控，分散均勻，最小每層打印厚度可達10 μπι ;3D打印機噴嘴與木材間距離精度達10 μ m，噴嘴平移精度達5 μ m。
[0028]步驟(2):將直徑為50nm的ZnO納米粒子溶于質量分數為8%的硬脂酸的無水乙醇溶液中，處理溫度為40°C，采用超聲波對納米粒子溶液進行分散，分散2h后采用離心分離回收改性后的納米粒子，然后80°C真空干燥4h，作為3D打印機原料。
[0029]步驟(3):鋸切待處理木材，制得表面平整、光滑的鋸材，采用噴涂的方式在光滑的鋸材表面覆蓋一層環(huán)氧樹脂膠膜，對涂膠后的木材進行預干。
[0030]步驟(4):將上述三維結構模型圖導入3D打印機，以步驟(2)制得的低表面能納米粒子作為打印原料，對預干后的木材各個表面分別進行3D打印，打印完成后在真空干燥箱內對處理表面進行干燥，80°C下干燥4h(S卩加熱固化)，加熱固化成型后，即得高強防蟲型超疏水木材。該超疏水木材表面微觀結構與疏水昆蟲翅膀表面一致，組成表面的物質為疏水性納米ZnO，與低表面能物質共同作用獲得了水滴接觸角大于150°，滾動角小于5°的超疏水木材。
[0031]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征及本發(fā)明的優(yōu)點，本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內，本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【權利要求】
1.一種利用30打印技術制備超疏水木材的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)以自然界中或人工構建的超疏水表面為模板，采用掃描電子顯微鏡對超疏水表面進行掃描，將掃描圖片導入繪圖軟件獲得三維結構模型圖； (2)將無機或有機納米粒子分散于含低表面能有機物的溶液中進行改性處理，然后離心分離回收改性后的無機或有機納米粒子，干燥，用作打印原料； (3)鋸切待處理木材，制得表面平整、光滑的鋸材，然后在鋸材表面涂刷一層樹脂或膠粘劑膠膜，對涂膠后的木材進行預干； (4)將上述三維結構模型圖導入30打印機，以改性處理后的納米粒子作為打印原料，對預干后的木材各個表面分別進行30打印，對打印后制得的木材進行固化，即得到超疏水木材。
2.根據權利要求1所述的制備超疏水木材的方法，其特征在于，所述自然界中的超疏水表面為擁有超疏水特性的植物或昆蟲表面。
3.根據權利要求2所述的制備超疏水木材的方法，其特征在于，所述超疏水表面為荷葉表面或芋頭葉表面。
4.根據權利要求1所述的制備超疏水木材的方法，其特征在于，所述無機納米粒子為直徑為50~10011111的3102、1102或2=0中的一種或多種混合納米粒子，所述有機納米粒子為聚苯乙烯或聚四氟乙烯納米粒子。
5.根據權利要求1所述的制備超疏水木材的方法，其特征在于，所述含低表面能有機物的溶液中，其溶質為硬脂酸、乙烯基三乙氧基硅烷、全氟辛基三乙氧基硅烷或十八烷基三氯硅烷，溶劑為溶解前述溶質的醇類或醛類有機溶劑，溶質的質量分數為29(^10%。
6.根據權利要求1所述的制備超疏水木材的方法，其特征在于，所述改性處理過程中的溫度為30~801，處理時間為1~處，改性處理過程中同時利用超聲波進行分散。
7.根據權利要求1~6中任意一項所述的制備超疏水木材的方法，其特征在于，所述干燥為真空干燥，溫度為40~801，時間為2~101?。凰鰳渲瑸榉尤渲颦h(huán)氧樹脂，所述涂刷的方式為噴涂、輥涂或滴涂。
8.根據權利要求1~6中任意一項所述的制備超疏水木材的方法，其特征在于，所述30打印機設有一噴射孔，所述噴射孔裝有孔徑為10~100 VIII的噴嘴，且噴射時使用空氣對打印原料加壓，壓力為0.2-0.71？80
9.根據權利要求8所述的制備超疏水木材的方法，其特征在于，所述噴嘴與木材間距離精度為10 ^ III，所述噴嘴的平移精度為5 V III。
10.根據權利要求1~6中任意一項所述的制備超疏水木材的方法，其特征在于，所述固化的條件為紫外光固化、加熱、微波或紅外光固化。
【文檔編號】B27D1/00GK104441091SQ201410653267
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月18日 優(yōu)先權日:2014年11月18日
【發(fā)明者】吳義強, 卿彥, 劉明, 羅莎, 張新荔 申請人:中南林業(yè)科技大學