邹艳萍，王献轲，张雨湉，陈 红，费本华

(1.南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京 210037； 2.国际竹藤中心，北京 100102)

中国竹资源丰富，但竹秆的结构却受到几何和机械性能变化的限制[1]，竹材利用率一般在50%以下，严重制约了竹材加工产业的健康发展和壮大。目前竹集成材和竹重组材是2种主要用于家具和室内装饰的板材。竹集成材主要由经刨削加工去除竹青竹黄的矩形截面的竹条为基本单元胶合而成[2]，由于需要去除竹青和竹黄，且竹秆具有一定的尖削度[3]，大大降低了竹材利用率，造成竹材资源浪费和环境污染[4]；竹重组材由竹材疏解成竹束，并通过浸胶压制而成，疏解竹束单元不均匀进一步导致其在干燥过程中含水率分布不均匀，在浸胶过程中树脂在竹束中难以渗透形成均匀分布[5]，且其具有非常高的胶黏剂含量和密度，用于家具和室内装饰时存在价格高、密度大、不够环保等问题[6]。为了克服这些缺点，研究人员探索出了竹材展平技术。竹材展平技术是指将竹材切割成30～80 cm长的竹竿并去除竹节[7]，用150～190 ℃的蒸汽加热3～15 min使竹秆软化[8]，通过2个滚筒将竹秆压制展平[7]，能够实现竹材无裂纹展开，成品率高达90%以上，展平竹可将竹材资源利用率从原来的35%提高到55%[9]，对竹材新产品开发具有现实意义。竹材具有丰富的亲水性基团和多孔结构,吸水性强、几乎不耐潮湿，竹材在潮湿环境下使用或储存时,容易出现霉变、腐烂、吸湿变形等现象，这些问题在竹材展平处理后更加明显。二氧化硅气凝胶是一种以气体为分散介质的凝胶材料,是由胶体粒子相互聚结构成的一种结构可控的轻质纳米多孔固态材料[10],具有轻质、高效的隔热性能，越来越受到人们的关注[11]，且气凝胶独特的凹凸层级多孔粗糙微结构的协同作用，使气凝胶拥有优异的超疏水性能[12]。因此，研究通过二氧化硅气凝胶纳米材料的浸渍提高展平竹的疏水性和保温性能，以期拓展其在家居制品和室内装修的应用。

1 材料与方法

1.1 材料

展平竹由浙江公司提供，分析纯无水乙醇(购自无锡市亚盛化工有限公司)，二氧化硅气凝胶粉末(粒径≤40 nm，购自陶戈纳米有限公司)，聚乙烯醇(PVA，购自上海臣启化学科技有限公司)。

1.2 实验设备

冷场发射扫描电子显微镜，Regulus 8100,Hitachi日立公司；电热恒温鼓风干燥箱,BGZ-146,上海博讯实业有限公司；接触角测量仪，DSA100S，KRUSS Germany；电子天平，UTP-313，上海花潮电器有限公司；真空干燥器，上海越磁电子科技有限公司；真空泵，Airtech HP-40V。

1.3 方法

将乙醇和蒸馏水按照一定配比配置成乙醇水溶液，并加入二氧化硅气凝胶粉末制备成0.1wt%的浸渍液，将浸渍液分别置于2个真空浸渍罐中，其中一个真空浸渍罐加入0.01wt%的聚乙烯醇(PVA)，将展平竹加工成20 mm×20 mm的试样进行真空浸渍，浸渍时间分别3 h、9 h、3 h重复3次。浸渍完后将试件60 ℃干燥至质量恒定。样品编码及浸渍的工艺参数如表1所示。

表1 样品编码和相应的工艺参数

2 结果与讨论

2.1 不同浸渍工艺对展平竹表面二氧化硅沉积的影响

浸渍改性展平竹表面二氧化硅气凝胶分布如图1所示，添加PVA的展平竹表面二氧化硅气凝胶附着更多，且有大块堆积的现象，说明PVA在一定程度上提高了二氧化硅气凝胶在展平竹表面的附着。而采用二氧化硅气凝胶的无水乙醇浸渍液对杨木单板进行改性后，能在木材表面形成均匀的纳米颗粒层，但在研究中二氧化硅发生了团聚，这可能与研究中在分散液中添加水分有关，竹材表面和木材表面形貌不同也可能是影响因素[13]。

图1 浸渍改性展平竹表面二氧化硅气凝胶分布Fig.1 Silica aerogel distribution on surface of dipping modified flattened bamboo

2.2 不同浸渍工艺对展平竹疏水性的影响

浸渍改性展平竹表面接触角如图2所示，二氧化硅气凝胶浸渍展平竹的水接触角与未处理展平竹相比显著增加。浸渍1次(3 h)处理后，展平竹的水接触角分别为109°和88°，不加PVA浸渍3次处理后，水滴在展平竹表面保持完整的圆球型，水接触角提高到130°，与未处理的展平竹相比增加了1倍；浸渍9 h时，水接触角为108°和112°，浸渍3次的展平竹的水接触角明显高于浸渍1次的，因为重复浸渍可使更多的二氧化硅气凝胶积聚在展平竹表面，浸渍次数对于提升展平竹的疏水性有很大影响。由此可见，经过二氧化硅气凝胶的浸渍改性之后，二氧化硅纳米材料表面的疏水基团取代孔洞表面的亲水基团[14]，展平竹的水接触角都有所提高，这与二氧化硅气凝胶浸渍改性木材的结果是一样的，当浸渍循环增加到3次时，浸渍木材的水接触角增加到了样品的最大值[13]。此外，从图2中可以看出，不加PVA浸渍的展平竹疏水性提升更大，添加PVA降低了改性展平竹表面的疏水性。

图2 浸渍改性展平竹表面接触角Fig.2 Surface contact angles of impregnation modified flattened bamboo

2.2 不同浸渍改性工艺对展平竹导热性能影响

图3是浸渍改性展平竹的导热系数，从图中可以看出，在经过浸渍处理之后导热系数都有了一定的下降，S1、S3、S9的导热系数分别下降38.7%、33.1%和9.2%，S1+、S3+、S9+的导热系数分别下降31.7%、40.8%和15.5%。经过二氧化硅气凝胶纳米材料浸渍后，展平竹的导热系数均明显降低，相比之下，S1、S1+、S3与S3+处理的展平竹的导热系数显著下降。在我们以往的研究中，二氧化硅气凝胶纳米颗粒浸渍的木材经过浸渍处理后导热系数也有明显的降低，且浸渍循环次数越多，导热系数下降越明显。主要是由于气凝胶孔径尺寸小于常温常压下气体分子的平均自由程，孔壁限制了气体分子的自由运动，因此气体分子的热传导受到限制[15]，二氧化硅气凝胶通过浸渍粘附在展平竹中，降低了展平竹的导热系数，且由于PVA的成膜性，在展平竹表面结膜，阻隔了热量传递，从而进一步提高了展平竹的隔热性能。与二氧化硅气凝胶纳米材料浸渍改性木材不同，展平竹的导热系数并没有随着浸渍次数的增加而明显降低。

图3 浸渍改性展平竹导热系数Fig.3 Thermal conductivity of impregnation modified flattened bamboo

3 结论

通过二氧化硅气凝胶纳米材料的浸渍改性展平竹，研究了浸渍时间和浸渍循环次数以及浸渍液中添加分散剂(PVA)对展平竹性能的影响，具体结论如下：添加PVA的展平竹上的二氧化硅气凝胶的附着情况有了一些提升且有大块堆积的现象，说明PVA可以在一定程度上提高二氧化硅气凝胶在展平竹上的附着；经过二氧化硅气凝胶纳米材料浸渍改性的展平竹，疏水性得到了一定程度的提高，经过浸渍循环3次时水接触角可提高到130°，与未处理的相比增加了一倍；改性后展平竹的导热系数都有了一定的下降，浸渍循环次数对导热系数影响不明显，浸渍时间有明显影响，二氧化硅气凝胶浸渍后的展平竹能够获得了更良好的隔热性能。