与压力处理相比,用原子尺度的金属氧化物涂层保存木材更有优势

时间:2020-02-21 18:01 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

与压力处理相比,用原子尺度的金属氧化物涂层保存木材更有优势

压力治疗本;其中包括将木材放入一个密封的水密罐中,并将化学药品强制注入板内;已经被使用了一个多世纪,以避免真菌导致木材在潮湿的环境中腐烂。

现在,乔治亚理工学院的研究人员已经开发出一种新方法,这种方法有一天可以取代传统的压力处理方法,使木材不仅具有抗真菌能力,而且几乎不受水的影响更隔热。

今天的新方法,该方法将报道(2020年2月13日)在《Langmuir 和国防部联合主办,海湾研究项目,和Westendorf本科研究基金,包括应用保护涂层的金属氧化物,厚度只有几个原子在整个木材的细胞结构。

这种被称为原子层沉积的过程,已经频繁地用于制造电脑和手机的微电子产品,但现在正在探索在木材等商品产品中的新应用。像压力处理一样,这个过程是在一个密闭的房间里进行的,但在这种情况下,房间是在低压下,以帮助气体分子渗透到整个木结构中。

“这种涂层应用于木材内部,而不仅仅是表面,这一点非常重要。”材料科学与工程学院的助理教授Mark Losego说。“木头上的气孔大约和人的头发一样宽,或者更小一些,我们用这些气孔作为气体通过木头结构的通道。”

当气体分子沿着这些通道向下移动时,它们与孔隙表面发生反应,在木材内部沉积一层共形的、原子尺度的金属氧化物涂层。其结果是,木材表面可以排水,即使在水下也不会吸收水分。

在他们的实验中,研究人员将完成的2x4s松树切成一英寸的小块。然后他们测试了在木材中注入三种不同的金属氧化物:钛氧化物、铝氧化物和氧化锌。他们分别比较了木材浸泡一段时间后的吸水率。在这三种材料中,氧化钛表现最好,因为它帮助木材吸收的水分最少。相比之下,未经处理的木材吸收了三倍多的水。

“在我们尝试的三种化学反应中,氧化钛被证明是最有效的疏水屏障,”乔治亚理工学院的研究生、这篇论文的第一作者肖恩·格雷戈里(Shawn Gregory)说。“我们推测,这可能是因为二氧化钛的前体化学物质不易与孔隙表面发生反应,因此更容易渗透到木材的孔隙深处。”

Losego说,同样的现象也存在于用于微电子器件的原子层沉积过程中。

与压力处理相比,用原子尺度的金属氧化物涂层保存木材更有优势

“正如我们在木材中所看到的,这些相同的氧化钛前体化学物质可以更好地穿透微电子学中复杂的纳米结构,并与之共形包覆。”Losego说。“理解基本物理现象的这些共性——即使是在看起来非常不同的系统中是什么让科学如此优雅和强大?

除了具有疏水性外,经过新蒸汽处理的木材还能抵抗最终导致腐烂的霉菌。

“有趣的是,当我们把这些木块放置在潮湿的环境中几个月后,我们发现氧化钛处理过的木块比未处理过的木块更能抵抗霉菌的生长。”格雷戈里补充说。“我们怀疑这与它的疏水性有关,尽管可能与新处理过程相关的其他化学效应也可能是负责任的。”这是我们希望在未来的研究中研究的问题。”

新工艺的另一个好处是:与未经处理的木材相比,经过蒸汽处理的木材导热性要差得多。

“在房屋建筑中,人们非常注重房屋结构构件之间的隔热,但大量的热损失是由木钉本身造成的。”乔治w伍德拉夫机械工程学院(George W. Woodruff School of Mechanical Engineering)副教授、这篇论文的作者之一、热系统专家余香农(Shannon Yee)说。“用这种新工艺处理的木材的导电率可以降低30%,这意味着每个住宅每年可以节省200万英磅的能源。”

参考文献:在散装木材上进行单循环原子层沉积(1cy-ALD),以控制含水率、霉菌生长和热导率。作者:Shawn A. Gregory, Connor P. McGettigan, Emily K. McGuinness, David Misha Rodin, Shannon K. Yee和Mark D. Losego, 2020年2月13日,Langmuir。

DOI: 10.1021 / acs.langmuir.9b03273

该材料基于海军研究办公室通过批准号支持的工作。N00014-19-1-2162,国防部通过的《国防科学与工程》;工程研究生奖学金项目,国家科学院管理的海湾研究项目,以及来自Roxanne Westendorf的捐赠。在本材料中表达的任何意见、调查结果、结论或建议均为作者的观点,并不一定反映主办机构的观点。




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