壳聚糖-氧化锌(CS-ZnO)常温锚固涂层跃升天然染料木材耐光性

摘要

【目的】天然植物染料因环保优势在木材染色中备受关注，但其耐光性差成为户外应用的瓶颈。传统掺入纳米ZnO虽可提升抗光老化性能，却常因粒子团聚，与木材界面结合弱而失效。本研究以“常温常压、酸碱分步调控”为核心思路，构建壳聚糖-氧化锌（CS-ZnO）复合涂层，旨在同步解决纳米粒子分散稳定性差与涂层-木材界面结合弱两大技术难题，为天然染料染色木材提供高效、持久的耐光保护新策略。【方法】本研究采用“碱-酸-碱”三段式pH调控工艺，在室温下原位诱导CS分子链伸展并与Zn²⁺配位，形成均匀分散的柱状分级ZnO网络；通过前驱体浓度与反应温度耦合优化，实现CS-ZnO在栀子黄染色杨木表面的化学键合与物理锚固。利用FTIR、XPS、XRD解析配位结构，SEM-EDS观察涂层形貌与元素分布，接触角评价表面润湿性变化，并在50℃、相对湿度55%、照射强度550 W/m²的条件下加速老化50 h，对比色差演化。【结果】CS作为“分子桥梁”将柱状ZnO牢固铆钉于木材表面，涂层连续致密无团聚；老化50 h后，处理材的ΔE较未处理染色材降低了89.76%,a^*（绿-红轴）与b^*（蓝-黄轴）偏移量分别下降81.31%、91.02%，显著抑制表面暗化、绿化及蓝化。机制上，ZnO管状阵列延长光热扩散路径并增强紫外反射，CS-Zn配位网络抑制自由基生成，两者协同实现物理屏蔽-化学稳定双重耐光效应。【结论】酸碱分步调控策略在常温常压下即可构建稳定、牢固的CS-ZnO涂层，突破纳米粒子易团聚、结合力弱的技术瓶颈，使栀子黄染色杨木耐光性能大幅提升，为天然植物染料在高附加值木制品中的规模化应用提供了可行、绿色的技术路线。

关键词

木材染色 / 天然植物染料 / 氧化锌(ZnO) / 壳聚糖(CS) / 耐光性 / 原位合成 / 酸碱分步调控

基金资助

北京市大学生创新创业训练计划资助项目（202310022081）; 国家市场监督管理总局重点实验室（家具健康与智能化质量安全）开放课题（KLFHIQS2025-03）