用原子尺度的金属氧化物涂层保护木材比压力处理更具优势

处理过的和未处理过的木材被淹没在水中。左侧的木材已使用原子层沉积进行了处理。即使浸入水中也不会吸收水。右侧显示未经处理的木材以进行比较。它容易吸收水,在几秒钟内引起颜色变化。

压力处理(包括将木材放入加压的水密罐中并迫使化学品进入板中)已经使用了一个多世纪,以帮助防止真菌在潮湿环境中造成木材腐烂。

现在,佐治亚理工学院的研究人员已经开发出一种新方法,该方法有一天可以取代传统的压力处理方法,从而使木材不仅具有抗真菌性,而且几乎不透水,并且具有更高的隔热性。

由国防部,海湾研究计划和韦斯滕多夫大学研究基金联合赞助的新方法将于今天(2020年2月13日)在Langmuirand期刊上报道,该方法包括应用仅保护金属氧化物的保护层在整个木材的整个蜂窝结构中只有几个原子厚。

这种被称为原子层沉积的方法已经在制造用于计算机和手机的微电子学中频繁使用,但是现在正在探索将其用于商品产品(例如木材)中的新应用。像压力处理一样,该过程在密闭的腔室中进行,但是在这种情况下,腔室处于​​低压状态,以帮助气体分子渗透到整个木材结构中。

材料科学与工程学院助理教授马克·洛斯戈(Mark Losego)表示:“将这种涂层应用于整个木材内部,而不仅仅是在表面上,这一点非常重要。”“木材上的毛孔大约等于人发的宽度或更小,我们将这些孔用作气体在木材整个结构中传播的途径。”

当气体分子沿这些路径行进时,它们与孔的表面发生反应,从而在整个木材内部沉积出一种金属氧化物的保形的,原子级的涂层。结果是木材从其表面上流下了水,即使浸入水中也难以吸收水。

在他们的实验中,研究人员将成品松木2x4s切成一英寸的碎片。然后,他们测试了向木材中注入三种不同类型的金属氧化物:氧化钛,氧化铝和氧化锌。他们分别比较了将木材放在水中一段时间​​后的吸水率。在这三者中,氧化钛通过帮助木材吸收最少的水分而表现最佳。相比之下,未经处理的木材吸收的水量是原来的三倍。

佐治亚理工学院的研究生,论文的主要作者肖恩·格雷格里(Shawn Gregory)表示:“在我们尝试的三种化学方法中,氧化钛被证明对形成疏水性屏障最为有效。”“我们认为这可能是由于二氧化钛的前体化学物质与毛孔表面的反应较不容易,因此更容易渗透到木材的毛孔深处。”

Losego说,在用于微电子设备的原子层沉积过程中也存在相同的现象。

从左到右,伍德拉夫机械工程学院的副教授Shannon Yee,乔治亚理工学院的研究生Shawn Gregory和材料科学与工程学院的助理教授Mark Losego展示了拒水性能基于原子层沉积的新木材处理工艺的说明。

Losego说:“众所周知,这些相同的二氧化钛前体化学物质可以更好地渗透和共形涂覆微电子学中的复杂纳米结构,就像我们在木材中看到的那样。”“这些在理解基本物理现象(甚至在看起来非常不同的系统中)的共性,是使科学如此优雅和强大的原因。”

除了具有疏水性以外,用新的蒸汽处理工艺处理过的木材还可以抵抗霉菌,最终导致腐烂。

“有趣的是,当我们将这些砖块在潮湿的环境中放置数月时,我们注意到经过氧化钛处理的砖块比未经处理的木材对霉菌生长的抵抗力要强得多,” Gregory补充说。“我们怀疑这与疏水性有关,尽管新处理过程可能还会产生其他化学作用,这也可能是造成这种情况的原因。”这是我们希望在以后的研究中进行调查的事情。

新工艺的另一个好处是:与未处理的木材相比,蒸气处理的木材的导热性要低得多。

George W副教授Shannon Yee说:“在房屋建筑中,要注意使房屋的结构部件之间的空腔隔热,但是大量的热损失是由木钉本身造成的。”伍德拉夫机械工程学院和该论文的合著者,具有热力系统方面的专业知识。“用这种新工艺处理过的木材可以减少多达30%的导电性,这可以转化为每年每套住宅节省多达200万BTU的能源。”

参考:Shawn A. Gregory,Connor P. McGettigan,Emily K. McGuinness,David Misha Rodin,Shannon K“在散装木材上进行单周期原子层沉积(1cy-ALD),以管理水分,霉菌生长和导热性” Yee和Mark D. Losego,2020年2月13日,朗缪尔(Langmuir)。
10.1021 / acs.langmuir.9b03273

本材料基于海军研究办公室通过N00014-19-1-2162号拨款,国防部通过国防科学与工程研究生奖学金计划,由美国国家科学院管理的海湾研究计划提供的支持而开展的工作,以及Roxanne Westendorf的捐款。本材料中表达的任何观点,发现,结论或建议均为作者的观点,不一定反映赞助机构的观点。

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