丛生竹材润湿特性的比较研究

杨 喜，刘杏娥，李贤军，杨淑敏，尚莉莉，单海斌

（1.中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004；2.国际竹藤中心 竹藤科学与技术重点实验室，北京 100102）

丛生竹材润湿特性的比较研究

杨 喜1,2，刘杏娥2，李贤军1，杨淑敏2，尚莉莉2，单海斌2

（1.中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004；2.国际竹藤中心 竹藤科学与技术重点实验室，北京 100102）

为了丛生竹材工业化利用提供理论依据，采用比较手法对两种丛生竹材的动态润湿性能进行研究。结果表明：不同液体在不同竹材表面上的接触角都随时间增长以反函数模型呈减小趋势，斜率越来越小。甲酰胺和二碘甲烷在竹材表面形成的初始接触角较蒸馏水大。蒸馏水和甲酰胺在竹材表面的接触角随时间的变化曲线非常接近，从刚接触至2 s，接触角急剧减小，之后变化较缓。二碘甲烷在竹材表面的接触角随时间增长基本保持不变，只稍有下降。经不同处理后的龙竹和车筒竹材表面接触角随时间的变化曲线基本一致，且随时间增长接触角减小的速率越来越小。经过高温和硼酸处理后的竹材表面初始接触角较未处理材大10 °左右，高温处理和防霉处理后的表面接触角差异较小。龙竹的润湿性优于车筒竹。

丛生竹；润湿性；接触角；比较研究

竹材具有比强度高，韧性好，生长周期短，一次栽培永续利用的特性，是一种可以替代部分木质材料的生物质资源。丛生竹材由于其节径小，加工利用较困难，造成了大量竹资源的浪费。重组竹技术的开发利用，可以有效的利用这些小径级丛生竹材。在重组竹制造过程中，除材料本身的物理力学性能外，材料的表面特性也是重组材料的重要参数之一。

润湿性是固体材料的一种重要的界面特性。竹材的润湿性表征某些液体（如水、胶粘剂、涂料以及各种改性处理溶液等）与竹材接触时，在竹材表面上润湿、铺展、渗透及粘附的难易程度，对竹材胶合等各种改性处理效果起着决定性的作用。因此，对丛竹材表面润湿性进行研究，能促进丛生竹材工业化利用和改善新型材料性能和品质。材料的润湿性与材料组织结构、各种表面处理方式和液滴的表面张力等因子密切相关。国内外学者针对润湿性的影响因素进行了全面的研究。Chen等[1]研究表明抽提物增加会降低木材表面的湿润性。Casilla R C等[2]对4种亚洲柳桉和白杉木的润湿性研究得出，润湿性随酸碱度的增加而增加。Sheldon. Q[3]建立了评价胶粘剂在木材表面铺张和渗透好坏的数学模型。还有微波、热处理、防霉等各种改性处理对木材和竹材润湿性的影响[4-9]。本研究对龙竹和车筒竹两种丛生竹材的瞬时接触角和润湿过程进行了比较研究，以期为丛生竹材工业化利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

3年生龙竹Dendrocalamus giganteus和车筒竹Bambusa sinospinosa 5株，取宽度为20 mm、长为节间长、厚为竹壁自然厚度的竹条，用压刨将竹青竹黄面刨平。由于竹株竹壁厚度各不相同，先从距竹青面1.5～2.0 mm处刨削，再刨削竹黄面，最终统一厚度至5 mm。将刨削好的竹片锯切成50 mm×20 mm×5 mm试样，试样的长度与纹理方向平行。然后人工对其表面进行砂光，除掉毛刺，使其平整光滑。

制备好的竹材样品分为3组。第一组进行防霉处理，将硼酸、硼砂和水按3.6∶2.4∶94的比例配制成水溶液，加热到80 ℃，放入试样处理6 h，接着在60 ℃温度下干燥24 h后取出备用；第二组进行高温干燥处理，试样在105 ℃的温度下干燥10 h，干燥完后取出备用；第三组为空白样不作任何处理。将上述3组样品放入温度20℃、湿度65%的恒温恒湿箱中处理10 d，使含水率达到10%左右。

1.2 实验方法

Zisman法，采用OCA-20接触角自动测定仪，记录液滴在竹片表面随时间而变化的状态。每组试样6～8个样，每个样分竹青和竹黄面各测6个点，每个液滴在从0 s到10 s的时间里记录10个接触角数据。

测试液体：蒸馏水、二碘甲烷、甲酞胺。水代表具有强极性液体，二碘甲烷代表非极性液体。

2 结果与分析

通常材料的润湿性以液滴在材料表面上润湿接触角（θ）或接触角的余弦（cosθ）的大小来表示。当0°＜θ＜90°，即0＜cosθ＜1时，液滴在材料表面形成扁平状，表明液体能部分润湿材料。当θ=0°，cosθ=1时，表明液体能完全润湿材料。当θ＞90°，cosθ＜0时，液滴在材料表面上形成滚珠状，表明液体不能润湿材料[10]。蒸馏水、二碘甲烷和甲酰胺3种液滴在龙竹和车筒竹表面上都辅展开来，形成扁平状，接触角都小于90°，大于0°，表明这两种丛生竹材属于部分润湿材料。

液体在竹材表面形成的接触角随时间增长呈动态变化，液滴刚接触竹材表面时，可以看作是热力学稳定状态，形成初始接触角。接着由于吸附和润湿动力的作用，液滴会在表面铺展开来，加上竹材是多孔材料，会伴随渗透。竹材表面管孔和细胞腔径的大小直接影响铺展和渗透的快慢，从而影响达到平衡接触角的时间。由于龙竹和车筒竹材表面空隙较多，液滴在表面10 s左右就能达到一个相对平衡状态，故取10 s时的接触角为平衡接触角。

表 1 不同竹种竹材表面接触角随时间的变化Table 1 Contact angles changed with time on surface of two bamboos

2.1 不同液体对润湿性的影响

由表1、图1和图2可知，不同液体在同种竹材表面上的接触角随时间增长以反函数模型呈减小趋势，斜率越来越小，在前2 s内较大，斜率达20°/s左右。甲酰胺和二碘甲烷在竹材表面形成的初始接触角较蒸馏水大，与江泽慧等[11]的研究结果不太一致。龙竹和车筒竹材质比较疏松，细胞孔径较大，竹材表面平整度稍差，表面的润湿性大增，使得人为扑捉初始接触角误差增大。竹材的表面能为53.5 mJ/m2[10]，与甲酰胺和二碘甲烷比较接近，小于水的表面张力（72.8 mJ/m2），也即水和竹材表面间的势能作用较甲酰胺和二碘甲烷与竹材表面势能强，那么水在竹材表面的润湿性较后两者好，增大了人为误差。图1，2中，蒸馏水和甲酰胺在竹材表面的接触角随时间的变化曲线非常接近，在2 s之前，接触角急剧减小，2～10 s接触角减少幅度越来越小，8 s的总下降量只有前2 s的50%左右。说明蒸馏水和甲酰胺在竹材表面的扩展和渗透非常迅速，且10 s基本已经渗透完全。蒸馏水在竹黄表面的接触角随时间的变化较甲酰胺缓和。与甲酰胺在竹黄表面的接触角变化情况相比，蒸馏水在前2 s内接触角下降速率只有甲酰胺的2/3，最后平衡接触角也较甲酰胺大。但整体扩展渗透速率也较快。二碘甲烷在竹材表面接触角较大，在0～10 s间接触角下降较小，基本呈水平状变化趋势。二碘甲烷在不同竹种竹青和竹黄表面的渗透和扩展速率几乎相同。

图1 不同液体在车筒竹竹青、竹黄表面接触角随时间变化情况Fig. 1 Surface contact angle of B. Sinospinosa bamboo measured by different liquid

图2 不同液体在龙竹竹青、竹黄表面接触角随时间变化情况Fig. 2 Surface contact angles of D. Giganteus bamboo measured by different liquids

龙竹和车筒竹表面接触角随时间变化趋势图基本一致。二碘甲烷在龙竹和车筒竹上的接触角大小差异很小，蒸馏水和甲酰胺在车筒竹上的接触角大于龙竹，说明车筒竹的润湿性不如龙竹。

2.2 不同处理对润湿性的影响

由表1和图3、图4可知，经不同处理后，龙竹和车筒竹材表面的接触角随时间的变化斜率基本一致，都随时间增长接触角减小的斜率越来越小，在前2 s内较大，速率皆达10°/s左右。经过高温和硼酸处理后的竹材表面初始接触角较未处理材大10°左右，高温处理和防霉处理后的表面接触角差异较小。高温和硼酸处理使得竹材表面抽提物含量增多，将表面的纹孔和暴露在外的细胞腔等渗透渠道给堵塞了。De Bruyne研究指出在高温干燥条件下，单板表面的活性基团由于相互结合而丧失了相互吸引的能力，导致其表面湿润性降低。江泽慧研究指出高温处理和硼酸处理使得竹材表面酸碱性能降低，导致竹材表面润湿性下降，接触角增大。蒸馏水在处理材上的初始接触角显著增大，甲酰胺和二碘甲烷增长较小。经过10 s的扩展和渗透，高温处理材表面的平衡接触角大于未处理材，大于防霉处理材。竹青和竹黄表面的接触角随时间的变化趋势基本一致，只是竹黄面的接触角要稍大于竹青面。这与江泽慧等对毛竹的研究结果不太一致。

图3 不同处理对车筒竹竹青、竹黄表面接触角的影响Fig. 3 Surface contact angle of B. Sinospinosa bamboo under different treatment methods

图4 不同处理对龙竹竹青、竹黄表面上接触角的影响Fig. 4 Surface contact angles of D. Giganteus bamboo under different treatment methods

3 结 论

不同液体在不同竹材表面上的接触角都随时间增长以反函数模型呈减小趋势，斜率越来越小。甲酰胺和二碘甲烷在竹材表面形成的初始接触角较蒸馏水大。蒸馏水和甲酰胺在竹材表面的接触角随时间的变化曲线非常接近，在2 s之前，接触角急剧减小，2～10 s接触角减少幅度越来越小。二碘甲烷在竹材表面的接触角随时间增长基本保持不变，只稍有下降。经不同处理后的龙竹和车筒竹材表面接触角随时间的变化曲线基本一致，且随时间增长接触角减小的速率越来越小。经过高温和硼酸处理后的竹材表面初始接触角较未处理材大10°左右，高温处理和防霉处理后的表面接触角差异较小。蒸馏水和甲酰胺在车筒竹上的接触角大于龙竹，即龙竹的润湿性优于车筒竹。

[1] Chen C. Effect of extractive removal on adhesion and wettability of some tropical woods[J ]. For. Prod,1970,20(1):36-40.

[2] Casilla R C, Chow S, Steiner P R, et al. Wettability of four asianmeranti species[J]. Wood Science and Technology, 1984,18:87-96.

[3] Sheldon Q. Dynamic adhesive wettability of wood[J]. Wood and fi ber science, 2001, 33(1):58-68.

[4] 杜官本,孙照斌,黄林荣. 微波等离子体处理对竹材表面接触角的影响[J].南京林业大学学报(自然科学版),2007,31(4): 33-36.

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[10] 陈广琪, 华毓坤. 竹材表面润湿性的研究[J]. 南京林业大学学报, 1992, 16(3):77-81.

[11] 江泽慧,于文吉,余养伦. 竹材表面润湿性研究[J]. 竹子研究汇刊,2005, 24(4):31-38.

Comparative study on wettability of caespitose bamboos

YANG Xi1,2, LIU Xing-e2, LI Xian-jun1, YANG Shu-min2, SHANG Li-li2, SHAN Hai-bin2
(1.School of Wood Science and Technology, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China;2.International Centre for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, China)

The dynamic wettability of Dendrocalamus giganteus and Bambusa sinospinosa have been studied by comparative method.The results show that contact angles of different liquid decreased with the time grew based on inverse functions model in different bamboo; and the slope became smaller with the time increased; the original contact angles of Diiodomethane and Formamide were larger than the distilled water on bamboo surface; the contact angle-time curves showed almost the same of distilled water and formamide on bamboo surface; fi rst two seconds, the contact angle sharply decreased, then slowed down; While D. giganteus on the bamboo surface,the contact angle only had little decrease; Two caespitose bamboos after high temperature and boric acid treatments, the contact angletime curves had smaller slope with thetime grew; the bamboo surface contact angles after treated with high temperature and boric acid were bigger 10° than no treated bamboo, and the two treatments have almost effect on contact angle. D. giganteus has better wettability than B. sinospinosa.

caespitose bamboos; wettability; contact angle; comparative study

S795

A

1673-923X(2013)10-0103-04

2013-03-05

国际竹藤中心基本科研业务费专项（1632010002）；公益性行业科研专项（201004005）；“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAD23B01）

杨 喜（1989-），女，湖南岳阳人，硕士研究生，主要从事竹材材性方面的研究；E-mail:yangxijy@126.com

李贤军（1972-），男，湖南常德人，教授，主要从事木材干燥、木材改性等方面研究；E-mail:lxjmu@163.com

[本文编校：文凤鸣]