解林坤 鄭紹江 杜官本

(1. 西南林業(yè)大學 云南省木材膠黏劑及膠合制品重點實驗室 昆明 650224； 2. 西南林業(yè)大學材料工程學院 昆明 650224；3. 西南林業(yè)大學藝術學院 昆明 650224)

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木材表面等離子體刻蝕和沉積碳氟薄膜的超疏水性*

解林坤1,2鄭紹江3杜官本1,2

(1. 西南林業(yè)大學 云南省木材膠黏劑及膠合制品重點實驗室 昆明 650224； 2. 西南林業(yè)大學材料工程學院 昆明 650224；3. 西南林業(yè)大學藝術學院 昆明 650224)

【目的】 具有超疏水性的木材可以抑制或減小木材表面對水分的吸收，從而延長并提高木材的使用壽命及性能，研究木材表面等離子體刻蝕和沉積碳氟薄膜的超疏水性，為等離子體環(huán)境下超疏水性木材的制備提供科學依據(jù)和參考?！痉椒ā?以糖楓木徑切單板為試驗材料，首先采用氧等離子體在放電功率150 W、工作氣壓66 Pa的條件下對其表面進行不同時間的刻蝕，利用掃描電子顯微鏡和激光掃描共聚焦顯微鏡分析刻蝕時間對木材表面形貌和粗糙度的影響； 然后以五氟乙烷和氬氣的混合氣體在放電功率120 W、工作氣壓133 Pa的條件下將低表面能的碳氟薄膜等離子體化學氣相沉積在刻蝕后的木材表面以制備具有超疏水性的木材，利用接觸角測量儀、掃描電子顯微鏡和X-射線光電子能譜儀研究木材表面的潤濕性、表面形貌、元素組成及其化學環(huán)境，同時利用橢圓偏振光譜儀測量不同沉積時間下的薄膜厚度?！窘Y果】 刻蝕時間小于30 min時，木材表面的平均粗糙度(Sa)、均方面光潔度(Sq)和最大高低差(Sz)均隨著刻蝕時間增加逐漸增大，而當刻蝕時間延長至45 min時，木材表面的平均粗糙度略有減小； 當沉積碳氟薄膜的時間固定為40 s時，刻蝕時間對木材表面靜態(tài)接觸角的影響并不明顯，但滾動角則隨著刻蝕時間增加逐漸減小，且順紋方向的滾動角均小于橫紋方向； 未刻蝕木材表面的靜態(tài)接觸角隨著薄膜沉積時間增加逐漸減小，水滴與木材表面之間均表現(xiàn)出較強的黏附性； 橢圓偏振光譜儀測量表明，薄膜厚度隨沉積時間增加線性增大； 刻蝕時間固定為15 min或45 min時，增加碳氟薄膜沉積時間對木材表面靜態(tài)接觸角的影響并不明顯，但滾動角均隨沉積時間增加呈先減小后增大的趨勢； 刻蝕45 min并沉積碳氟薄膜40 s的木材樣品，其靜態(tài)接觸角高達160.6°±0.4°，沿順紋和橫紋方向具有最小滾動角，分別為11.5°±1.2°和14.7°±2.5°； XPS分析顯示，木材表面沉積碳氟薄膜后F元素含量接近50%，薄膜中富含—C—CFx基團及—CF3、—CF2和—CF等碳氟基團，說明所沉積的薄膜發(fā)生了高度交聯(lián)?！窘Y論】 木材表面經等離子體刻蝕并沉積低表面能的碳氟薄膜不但可以制備出具超疏水性的表面(靜態(tài)接觸角θ大于150°)，同時所制備的木材具有較小的滾動角，可以有效防止水滴黏附于木材表面。

木材表面； 等離子體刻蝕； 等離子體化學氣相沉積； 碳氟薄膜； 超疏水

木材是一種天然生物質材料，主要由纖維素、半纖維素和木素組成，具有高強重比、價格低廉、加工能耗低、吸音隔熱、可再生等優(yōu)點，且來源廣泛，已成為建筑和室內及室外裝飾材料的首選。但是，組成成分中的纖維素和半纖維素含有大量的親水性基團，使木材本身表現(xiàn)出極強的吸水性能，因此在實際使用中，受到諸如濕度的變化和酸雨等外界環(huán)境因素的影響將會縮短和降低木材的使用壽命及性能。抑制或減少木材表面對水分的吸收是提高木材耐久性和保持其使用穩(wěn)定性的理想方法(Hsiehetal., 2011)。目前，對木材進行疏水改性采用的方法主要有乙?；幚?Rowell, 2006)、硅烷化處理(Zollfrank, 2001)、原子轉移自由基聚合(Fuetal., 2012)、溶膠-凝膠法(Tshabalalaetal., 2003)和等離子體處理(Poatyetal., 2013)等，其中等離子體處理屬于干法工藝，具有環(huán)境友好、單體利用效率高、基體的物理及力學性質幾乎不受影響等顯著優(yōu)點，而且用等離子體技術所沉積的薄膜具有膜連續(xù)、無針孔、高度交聯(lián)、與基體黏附性強等特性(王宏等， 2007)。Poaty等(2013)采用Ar/CF4等離子體對加拿大黑云杉(Piceamariana)進行了疏水改性，沉積碳氟薄膜后其最大靜態(tài)接觸角為130°。Denes等(1999)采用六甲基二硅氧烷(HMDSO)等離子體對南方黃松(Pinusechinata)進行了疏水改性，使木材表面靜態(tài)接觸角最大達130°。Zanini等(2008)采用HMDSO和SF6等離子體分別對云杉(Picea)、栗(Castanea)及楊(Populus)進行了處理，發(fā)現(xiàn)先用HMDSO等離子體處理再用SF6等離子體連續(xù)處理樣品的滯后角比單獨用HMDSO等離子體處理的要小，可見，引入含氟官能團能有效降低表面能，使疏水性得到增強(鄭正龍等， 2014)。Magalh?es等(2002)則分別采用乙烯、乙炔、1-丁烯和醋酸乙烯酯為前驅體對加勒比松(Pinuscaribaea)進行了疏水改性，研究發(fā)現(xiàn)以1-丁烯等離子體處理的效果最好，其所處理加勒比松木材橫截面上的靜態(tài)接觸角高達140°?？v觀已有研究，運用等離子體技術對木材所進行的疏水改性，使木材表面獲得水接觸角超過150°的比較少見，即沒有達到超疏水狀態(tài)，分析其原因是木材表面缺少預先構筑的微納復合粗糙結構。超疏水表面通常是指固體表面與水的靜態(tài)接觸角θ大于150°(Xiaetal., 2008; Lietal., 2007)，但是單一的靜態(tài)接觸角不能充分判斷和評價液體對超疏水表面的“黏附”行為，一般用動態(tài)接觸角或滾動角來加以衡量(王奔等， 2013)，滾動角的大小也反映了液滴在固體表面的滯后現(xiàn)象。

根據(jù)荷(Foliumnelumbinis)葉(Guoetal., 2007)、水黽(Aquariuselongatus)腿(Gaoetal., 2004)、水稻(Oryzasativa)葉及蝴蝶(Rhopalocera)翅(Bixleretal., 2012)等自然界中的生物超疏水現(xiàn)象和疏水理論(Lietal., 2007)，仿生構建和制備超疏水表面常采用如下2種方法(Baluetal., 2008)： 1) 在疏水性的表面(接觸角θ大于90°)上構建微納復合粗糙結構； 2) 先構建粗糙的表面微納結構，再用低表面能的物質加以修飾。本研究以糖楓木(Acersaccharum)木材為試驗材料，首先采用氧等離子體對其表面進行刻蝕以構建超疏水所需的微納復合粗糙結構，然后在刻蝕后的木材表面上等離子體化學氣相沉積低表面能的碳氟薄膜加以修飾制備超疏水木材，以期為等離子體環(huán)境下超疏水性木材的制備提供科學依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及試劑

糖楓木徑切單板由美國愛荷華州立大學提供，厚度0.8 mm，含水率8%，密度約0.59 g·cm-3。試驗時先用120#砂紙將單板表面砂光，氮氣槍吹掃，剪切成50 mm×15 mm(軸向×徑向)的小試樣，放入OGS60型電熱鼓風干燥箱(美國Thermo Fisher公司)中在105 ℃下烘干密封包裝備用。(100)晶向的單拋Si片，美國Wafer World公司，裁切成15 mm × 15 mm的試樣，依次用丙酮、甲醇、異丙醇清洗(均為ACS級，美國BDH化學制品有限公司)，氮氣槍吹干備用。五氟乙烷(Pentafluoroethane，PFE)(99.99%)，美國Praxair公司。氧氣(99.996%)、氬氣(99.99%)、氮氣(99.999%)， 美國Airgas公司。去離子水，實驗室自制。

1.2 試驗方法

將準備好的木材單板和單拋Si片一起放在美國Kurt J. Lesker 公司生產的等離子體裝置(Baluetal., 2008)的下極板上，并將下極板加熱至110 ℃且保持恒定。待反應室的本底真空度抽至1.3 Pa以下，將氧氣引入反應室，流量為75 cm3·min-1(標準狀態(tài))，通過調節(jié)真空泵的抽氣速率將工作氣壓穩(wěn)定在66 Pa，在放電功率150 W的條件下對木材進行刻蝕，刻蝕時間為0～45 min；刻蝕結束后再抽本底真空至1.3 Pa以下，將PFE和氬氣的混合氣體通入反應室進行碳氟薄膜的沉積，PFE和氬氣的流量分別為20和75 cm3·min-1(標準狀態(tài))，工作氣壓為133 Pa，放電功率為120 W，沉積時間為20～160 s。試驗結束后向反應室緩慢通入氮氣直至反應室蓋開啟，取出樣品進行分析，其中用于分析刻蝕時間對木材表面形貌和粗糙度影響的樣品在刻蝕結束后即取出。

1.3 性能測試與表征

采用日本Hitachi High-Technologies 公司生產的SU8230型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察刻蝕及沉積處理后木材表面形貌的變化，表面噴Ag/Pd，加速電壓不高于5 keV。采用日本Olympus 公司生產的LEXT OLS4100 3D型激光掃描共聚焦顯微鏡(LSCM)測量刻蝕處理前后木材表面的粗糙度，激光波長為405 nm，選用20×物鏡，掃描面積為643 μm×646 μm，在樣品表面隨機選取3個不同位置進行測量，取其平均值作為測試結果。采用美國Rame-Hart公司生產的CA goniometer 290型接觸角測量儀分析木材表面的潤濕性，分別用靜態(tài)接觸角和滾動角來表征，以4 μL去離子水作為測試液，在樣品表面隨機選取6個點，待穩(wěn)定5 s后進行測量，取其平均值作為測試結果，測試滾動角時樣品臺旋轉的角速率設為1(°) ·s-1。采用美國J. A. Woollam公司生產的M-2000V型橢圓偏振光譜儀測量沉積薄膜厚度，以沉積在Si片上的薄膜厚度來表征，每個樣品隨機選取3個點測量，取其平均值作為測試結果。采用美國Thermo Fisher公司生產的K-Alpha型X-射線光電子能譜儀(XPS)分析木材表面的元素組成及化學環(huán)境，本底真空度優(yōu)于10-8Pa，分峰擬合用Thermo Avantage 5.934軟件。

2 結果與分析

2.1 刻蝕時間對木材表面微納粗糙結構的影響

木材表面經氧等離子體刻蝕不同時間后的SEM圖見圖1。盡管木材中的木纖維、薄壁組織和導管等不同細胞組成使其固有一定的微納粗糙結構(Mayoetal., 2009)，但未經刻蝕的木材表面相對還是較為“光滑”的(圖1A)，而刻蝕后的木材表面出現(xiàn)了微納復合粗糙結構，類似“荷葉效應”中的微納乳突。這種微納乳突的出現(xiàn)主要是氧等離子體對木材進行刻蝕時，等離子體中的活性粒子(如激發(fā)態(tài)的原子、陰離子等)與木材中的C和H元素發(fā)生反應生成氣態(tài)的CO、CO2和水蒸氣被抽走而形成的(Baluetal., 2008)。采用等離子體刻蝕以增加材料表面的粗糙度主要是基于選擇性刻蝕(Jafarietal., 2013)，即木材中的不同組分在等離子體刻蝕下其刻蝕速率不盡相同： 1) 纖維素中非結晶區(qū)的刻蝕速率大于結晶區(qū)(Baluetal., 2008)； 2) 纖維素相對木素而言整體上易被刻蝕(Jamalietal., 2011)。為了進一步表征和了解木材表面粗糙度隨刻蝕時間的變化，對用于SEM分析的同一樣品進行激光共聚焦顯微鏡掃描，圖2為掃描所得的三維立體圖，表1為所對應的三維立體圖的形貌參數(shù)。從圖2和表1可以看出，木材表面的平均粗糙度(Sa)、均方面光潔度(Sq)和最大高低差(Sz)均呈現(xiàn)出隨刻蝕時間增加而逐漸增大的趨勢。但當刻蝕時間延長至45 min時，木材表面粗糙度與刻蝕30 min時相比略有減小，表明刻蝕時間超過一定值時將會形成較大的粗糙結構單元(圖1D)，從而導致材料表面的整體粗糙度下降(Jafarietal., 2013)。

圖1 氧等離子體對木材表面刻蝕前后的SEMFig.1 SEM images of wood surfaces before and after etching with an O2 plasmaA： 未刻蝕 Unetched； B： 刻蝕 15 min Etching 15 min； C： 刻蝕 30 min Etching 30 min； D： 刻蝕 45min Etching 45 min.

圖2 氧等離子體對木材表面刻蝕前后的LSCMFig.2 Laser scanning confocal microscope images of wood surfaces before and after etching with an O2 plasmaA： 未刻蝕 Unetched； B： 刻蝕 15 min Etching 15 min； C： 刻蝕 30 min Etching 30 min； D： 刻蝕 45 min Etching 45 min.

表1 刻蝕處理前后木材表面的粗糙度參數(shù)Tab. 1 The parameters for roughness of wood surfaces before and after etching with an O2 plasma

2.2 刻蝕并沉積碳氟薄膜對木材表面潤濕性的影響

刻蝕時間對木材表面接觸角和滾動角的影響見圖3，其中碳氟薄膜的沉積時間固定為40 s(薄膜厚度約174.2 nm)。當水滴與木材(素材)表面接觸時，水滴立即沿著順紋方向潤濕并向木材內部滲透，此時認為與水的接觸角為“0°”，說明木材本身具有很強的親水性。木材表面經氧等離子體短時間(5 min)刻蝕并沉積碳氟薄膜后，其表面與水的接觸角高達159.1°±1.7°，但是水滴與木材表面之間仍然存在著極強的“黏附”性，即將樣品旋轉至90°時，木材表面的水滴在自身重力的作用下不能滑動或滾落，緊緊黏附于木材表面，因此圖3中當刻蝕時間為5 min時樣品沒有滾動角值。這說明具有高接觸角的表面不一定有低的滾動角(Miwaetal., 2000)，甚至在超疏水表面上水滴依然存在著“滾動”或“黏附”的現(xiàn)象(Baluetal., 2008)。隨著刻蝕時間的增加，木材表面的靜態(tài)接觸角雖然沒有發(fā)生明顯的變化，但其滾動角逐漸減小，且順紋方向的滾動角均小于橫紋方向，說明所制備的木材表面不僅具有超疏水性能，而且還保持了其各向異性的特點。

碳氟薄膜的沉積時間對未刻蝕木材表面接觸角的影響及與薄膜厚度之間的關系見圖4?？梢钥闯?，碳氟薄膜厚度隨著沉積時間的增加線性增大。與此相對應，未刻蝕木材表面的接觸角則隨著碳氟薄膜沉積時間的增加逐漸減小，沉積20 s時木材表面的接觸角最大且僅為139.9°±1.9°，水滴與木材表面之間均表現(xiàn)出較強的黏附性，因此圖4中未出現(xiàn)滾動角值。這主要是由于沉積薄膜厚度增加降低了木材表面本身所具有的微納粗糙結構(Mayoetal., 2009)，同時也說明未經刻蝕的木材表面不具有足夠的超疏水所需的納米級粗糙結構(Baluetal., 2008; Miwaetal., 2000)。

圖3 刻蝕時間對木材表面接觸角和滾動角的影響Fig.3 Effects of etching time on water contact angles and roll-off angles of wood surfaces

圖4 碳氟薄膜的沉積時間對未刻蝕木材表面接觸角的影響及與薄膜厚度之間的關系Fig.4 Effects of the time of deposited fluorocarbon film on water contact angles of unetched wood surfaces and the film thickness

碳氟薄膜沉積時間對刻蝕15 min和45 min木材表面接觸角和滾動角的影響見圖5?？梢钥闯?，不管是刻蝕15 min還是45 min，增加碳氟薄膜沉積時間對木材表面靜態(tài)接觸角的影響并不十分明顯，其接觸角最大值與最小值之差僅為4.2°。但是，刻蝕15 min后沉積碳氟薄膜20 s(薄膜厚度約105.7 nm)的木材樣品，其表面沿順紋方向的滾動角高達61.9°±6.2°，而沿橫紋方向依然存在著極強的黏附性(圖5A)。延長刻蝕時間至45 min并沉積碳氟薄膜20 s時，沿順紋和橫紋方向的滾動角分別減小為19°±4.4°和24.9°±8.5°(圖5B)。沿順紋方向的滾動角始終小于橫紋方向，滾動角均隨沉積時間增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(圖5A和B)，其原因可能是沉積20 s時木材表面未被碳氟薄膜充分覆蓋，而隨著沉積時間增加薄膜厚度增大，致使由刻蝕所構筑的木材表面的粗糙度逐漸減小，使得滾動角逐漸增大。從圖5A和B可進一步看出，刻蝕45 min時所制備的木材表面的疏水性較之刻蝕15 min時要大，這是由于木材表面的粗糙度隨刻蝕時間的延長而增加(表1)，充分說明了粗糙結構對于水滴與木材表面之間的潤濕性及黏附行為具有決定性影響。

木材表面刻蝕45 min后沉積碳氟薄膜40 s和160 s的SEM見圖6?？梢钥闯?，隨著沉積時間增加，木材表面的微納顆粒增大(圖6B)，致使液-固界面之間的空氣墊比例有所減小，因此沉積碳氟薄膜160 s樣品的滾動角與沉積40 s時相比有所增大，沿順紋和橫紋方向分別為16.3°±0.7°和17.7°±4.6°。而沉積碳氟薄膜40 s的樣品，其靜態(tài)接觸角高達160.6°±0.4°(圖6A中的內嵌圖)，且沿順紋和橫紋方向具有最小滾動角，分別為11.5°±1.2°和14.7°±2.5°。

圖5 碳氟薄膜沉積時間對刻蝕15 min(A)及45 min(B)木材表面接觸角和滾動角的影響Fig.5 Effects of the time of deposited fluorocarbon film on water contact angles and roll-off angles of etched wood surfaces for 15 min(A)and 45 min(B)

圖6 木材表面刻蝕45 min后沉積碳氟薄膜40 s(A)和160 s(B)的SEMFig.6 SEM images of wood surfaces etched for 45 min and followed with fluorocarbon film deposition for 40 s (A) and 160 s (B)

上述超疏水現(xiàn)象可用Cassie理論來進一步解釋和說明。當水滴接觸經低表面能碳氟薄膜修飾后的粗糙木材表面時，粗糙表面能捕獲大量的空氣，在木材表面形成一層空氣墊，水滴不能滲入其中，實際上水滴是與空氣和經碳氟薄膜修飾的微納顆粒組成的復合界面相接觸，根據(jù)Cassie方程(Lietal., 2007)： cosθc=f(1+ cosθ0)-1，式中：θc表示粗糙表面的表觀接觸角；f表示水滴與材料的接觸界面占整個復合接觸面的面積分數(shù)，對應的，1-f則表示水滴與空氣的接觸界面所占的面積分數(shù)；θ0表示本征接觸角(Young’s接觸角)，此處θ0=103.2°，由光滑Si片表面沉積碳氟薄膜40 s后測得。將θc=160.6°、θ0=103.2°代入Cassie方程，計算得到f=7.4%，這表明當水滴與圖6A的樣品表面接觸時，在接觸界面上僅有約7.4%的面積是水滴和固體接觸，約92.6%的面積是水滴和空氣接觸，因此產生了超疏水現(xiàn)象。而所出現(xiàn)的“黏附”現(xiàn)象是由于水滴浸入和填充木材粗糙表面上的凹槽所致，呈現(xiàn)Wenzel狀態(tài)(Lietal., 2007)。

2.3 沉積碳氟薄膜前后木材表面的元素組成及其化學環(huán)境

素材、刻蝕15 min后分別沉積碳氟薄膜40 s和160 s樣品的元素種類及含量見表2。可以看出，素材樣品主要由C、O 2種元素組成，其含量分別為75.5%和24.5%。而沉積碳氟薄膜40 s及160 s樣品的F元素含量接近50%，F(xiàn)/C分別為0.998和0.974，表明所沉積的碳氟薄膜在元素組成和含量上隨著沉積時間增加并未發(fā)生明顯變化。沉積碳氟薄膜后的樣品均檢測到了微量的O元素，這是由于處理后的樣品暴露于空氣中被氧化所致。

表2 XPS全掃描圖譜中的元素組成及含量Tab. 2 XPS atomic concentrations of controlled and deposited fluorocarbon film wood substrates

圖7 素材(A)及沉積碳氟薄膜40 s(B)樣品的C1s高分辨率擬合圖譜Fig.7 High resolution C1s spectra and their fitted spectrum of controlled (A) and deposited fluorocarbon film for 40 s (B) wood substrates

3 結論

1) 刻蝕時間小于30 min時，木材表面的平均粗糙度、均方面光潔度和最大高低差均隨著刻蝕時間增加逐漸增大，而當刻蝕時間延長至45 min時，木材表面的平均粗糙度與刻蝕30 min時相比略有減小，刻蝕后的木材表面產生了微納復合粗糙結構。

2) 當沉積碳氟薄膜的時間固定為40 s時，刻蝕時間對木材表面靜態(tài)接觸角的影響并不明顯，但滾動角則隨著刻蝕時間增加逐漸減小，且順紋方向的滾動角均小于橫紋方向，保持了木材本身各向異性的特點。

3) 未經刻蝕木材表面的靜態(tài)接觸角隨著薄膜沉積時間增加逐漸減小，沉積20 s時木材表面的接觸角最大且僅為139.9°±1.9°，水滴與木材表面之間均表現(xiàn)出較強的黏附性。薄膜厚度隨沉積時間增加線性增大。

4) 當刻蝕時間一定時，增加碳氟薄膜沉積時間對木材表面靜態(tài)接觸角的影響并不明顯，但滾動角均隨著沉積時間增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢?？涛g45 min并沉積碳氟薄膜40 s時，木材表面的靜態(tài)接觸角高達160.6°±0.4°，且沿順紋和橫紋方向具有最小滾動角，分別為11.5°±1.2°和14.7°±2.5°，此時水滴與固體界面相的接觸面積僅為7.4%。

5) XPS分析顯示，木材表面沉積碳氟薄膜后F元素含量接近50%，而且所沉積的薄膜在元素組成和含量上隨著沉積時間增加并未發(fā)生明顯的變化，薄膜中富含—C—CFx基團及—CF3、—CF2和—CF等碳氟基團，說明所沉積的薄膜發(fā)生了高度交聯(lián)。

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(責任編輯 石紅青)

The Superhydrophobic Properties for Wood Surfaces by Plasma Etching and Deposition of Fluorocarbon Film

Xie Linkun1,2Zheng Shaojiang3Du Guanben1,2

(1.YunnanProvincialKeyLaboratoryofWoodAdhesivesandGluedProductsSouthwestForestryUniversityKunming650224; 2.CollegeofMaterialEngineering,SouthwestForestryUniversityKunming650224; 3.CollegeofArt,SouthwestForestryUniversityKunming650224)

【Objective】 The greatest disadvantage of wood in actual applications is its hygroscopicity, hydroxyl groups on the porous surface readily form hydrogen bonds with adsorted water molecules. In order to inhibit or reduce moisture adsorption on the surface of wood, this study fabricated superhydrophobic wood surfaces, therefore, prolong the lifetime of wood and improve its service performance, and provide a method for creation of superhydrophobic wood using plasma technology. 【Method】 Firstly,the radial sections ofAcersaccharumMarsh. wood were etched for different times with an O2plasma at a discharge power of 150 W and working pressure of 66 Pa. The effect of O2plasma etching time on morphology and roughness of wood surfaces was investigated using scanning electron microscopy (SEM) and laser scanning confocal microscope (LSCM) profilometry. Then, the superhydrophobic wood were fabricated by plasma chemical vapor deposition of fluorocarbon film which has lower surface free energy on etched wood surfaces from a mixture of pentafluoroethane (PFE) and argon gas at a discharge power of 120 W and working pressure of 133 Pa. The wetting behavior of the treated wood was determined by static water contact angle and roll-off angle measurement. Furthermore, the morphology, thickness of deposited films , element composition and their chemical bonding information of wood surfaces before and after deposition treatment were also measured and analyzed by SEM, ellipsometer and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). 【Result】 The average roughness (Sa) , root mean square roughness (Sq) and peak-to-valley roughness (Sz) of wood surfaces increased with the etching time within 30 min. However, the wood surface roughness decreased slightly after prolonged etching time to 45 min. when the time of deposition fluorocarbon film was fixed at 40 s, the static water contact angles did not change significantly as a function of etching time, but the roll-off angles of wood surfaces decreased gradually with increasing etching time, moreover, the roll-off angles along the grain direction were always smaller than those across the grain direction. The static water contact angles of wood surfaces without prior O2plasma etching displayed a gradually decreasing trend with the increasing of deposition time, and water drops always remained “pinned” to the wood surface even when the substrate was tilted to 90°. Ellipsometer results showed that the thickness of deposited films exhibited a linear increase trend with the increasing of deposition time. When the etching time was 15 min or 45 min, the static water contact angles did not change significantly as a function of deposition time, but the roll-off angles of wood surfaces reduced firstly and then increased with the increasing time for fluorocarbon film deposition. It should be noted that the static water contact angle of the sample treated by 45 min etching and deposition of fluorocarbon film for 40 s was as high as 160.6°±0.4° and showed the lowest roll-off angle of 11.5°±1.2°(along grain) and 14.7°±2.5°(across grain). XPS analysis showed that almost 50% fluorine atoms were found on the wood surfaces deposited with fluorocarbon film and the C1s spectra exhibited that the surface composition of fluorocarbon film was heterogeneous with—C—CFx, —CF3, —CF2, and —CF groups indicating that this film was highly cross-linked.【Conclusion】 This study demonstrated the probability to fabricate superhydrophobic wood surfaces with O2plasma etching prior to fluorocarbon film deposition. The treated wood exhibited superhydrophobicity (the static water contact angle >150°) with low roll-off angles, and could avoid water droplets adhere to wood surface effectively.

wood surface; plasma etching; plasma chemical vapor deposition; fluorocarbon film; superhydrophobicity

10.11707/j.1001-7488.20170414

2016-05-11；

2016-08-18。

國家自然科學基金項目 (31260159)； 云南省應用基礎研究計劃面上項目(2012FB166)。

S781.7

A

1001-7488(2017)04-0121-08

*鄭紹江為通訊作者。