低温等离子体改性竹粉/PETG复合材料

张贵忠，陈寒娴，李文焰，杨文斌，郑 峰

(福建农林大学材料工程学院，福建 福州 350002)

低温等离子体改性竹粉/PETG复合材料

张贵忠，陈寒娴，李文焰，杨文斌，郑 峰

(福建农林大学材料工程学院，福建 福州 350002)

等离子体；竹塑复合材料；表面性能

木塑复合材料是用热塑性塑料和竹纤维并加入少量的化学添加剂和填料等其它助剂，经过专门的复合方法而制成的一种复合材料，具有塑料和竹材的双重特性[1]，即具有如下优点：耐酸碱、耐化学品、耐盐水性好，可以在低温下使用，耐紫外光、不腐烂、不开裂或翘曲等机械性能好，价格便宜、使用寿命长、易于成型、加工方便、可回收、无甲醛等有害气体释放等[2-3]，已被广泛用于汽车制造、建筑、运输、包装等领域[4]。但是由于竹塑复合材料表面的润湿性不好，粘结性较差，极大地影响了对其表面的粘结这一2次加工工艺进行[5]。为提高材料表面的润湿性能，较为理想的改性方法是等离子体处理技术[6-10]。等离子体是一种离子化的气体状物质[11]，包含电子、正离子和中性粒子[12]，一种高能的多种粒子集合体[13]。等离子体按照温度分为高温等离子体和低温等离子体[11]。通常以低温等离子体处理技术用于材料表面的改性[11]。低温等离子体中的活性粒子具有的能量一般都接近或超过 C—C或其他碳键的键能[14]，会对复合材料的表面改性使材料表面发生复杂的物理和化学变化，如刻蚀、交联等从而改善聚合物表面的接触角和表面能[15-16]。本文通过低温等离子体改性竹粉/PETG复合材料，利用触角测量仪、红外光谱分析对处理前后竹塑复合材料的表面性能变化进行了初探。

1 材料与方法

1.1 试验原料

PETG：型号GN071，美国伊士曼公司；马来酸酐接枝聚乙烯(maleic anhydride grafted polyethy，MAPE)：型号PE-G-1，密度0.922 g·cm-3，熔融指数(melt flow index，MFI)0.1～0.3 g·min-1(在190 ℃/2.16 kg条件下测定)，南京德巴化工有限公司；竹粉：100目，浙江临安市明珠竹木粉有限公司；氧气：纯度≥99.999%，福州华鑫达工气体有限公司。

1.2 试验仪器

等离子体表面处理系统(型号OKSUN-PR60L，深圳市奥坤鑫科技有限公司)；傅立叶变换红外光谱仪(型号Nicolet380，美国热电公司)；转矩流变仪(型号XSS-300，上海科创橡塑机械设备有限公司)；静滴接触角/界面张力测量仪(型号JC2000A，上海中晨数字技术设备有限公司)；高速涡流多用磨粉机(型号DHG-9240A，张家港市松本塑料机械有限公司)；试验热压机(型号QD，上海人造板机器厂)；摇臂式万能木工圆锯机(型号MJ223-600，四川都江木工机床厂)；电热恒温鼓风干燥箱(型号DHG-9240，上海精宏实验设备有限公司)。

1.3 竹粉/PETG复合材料制备

参考张贵忠等[16]的方法进行竹粉/PETG复合材料制备。将竹粉、PETG分别在100 ℃、60 ℃下干燥9 h，MAPE在100 ℃下干燥5 h；分别称取竹粉30 g、PETG 70 g、MAPE 3.5 g，充分混合后，放入转矩流变仪密炼，进行熔融共混，温度170 ℃，时间10 min；取出共混物，粉碎，最后用热压机进行热压，复合材料成型后再取出冷却，并剪切成适合测量的试样。

1.4 低温等离子体处理

根据试验经验，取64个试样，分为2大组：第1大组处理时间为0.5 min，第2大组处理时间为2 min。等离子体放电功率分别为100、140、180、220、260、300、400、500 W。

1.5 接触角测试

运用静态液滴测角法，采用接触角测试仪测试各组试样的接触角，每组有4 个试样，每个试样上取4点，分别测出左右两边的接触角，并取4个数的平均值作所测角度。

1.6 吸水性试验

按照GB/T 1462—2005纤维增强塑料吸水性试验方法[17]进行吸水性试验。将低温等离子体处理后的试样置于20 ℃的恒温水浴中，每隔一段时间测量1次直至152 h为止，取样后立即用滤纸擦拭表面的水分，利用分析天平称量水浸前后的重量变化[18]，并计算吸水率，吸水率为试样前、后质量的改变量与试样起始质量的比值，并记为m[19]。

1.7 时效性研究

试样经不同放电功率的低温等离子体处理不同时间后，保存于温度变化不大的室内环境中，以蒸馏水为测试液[16]，测量不同时间段后试样表面的接触角，测到接触角不再随时间变化为止[19]。

1.8 材料表面官能团测定

参考梁文城等[20]的方法进行材料表面的官能团测定。采用溴化钾压片法，溴化钾和复合材料按照质量比为1∶100的比例放于玛瑙研钵中研磨成粉末，之后用手动压片机在10 MPa压力下压1 min，取出将试样磨成粉末，按照此法对未处理、放电功率300 W等离子体处理不同时间后复合材料表面的官能团进行测定。

2 结果与分析

2.1 接触角分析

处理时间分别为0.5、2 min，在放电功率分别100、140、180、220、260、300、400、500 W的低温等离子体处理试样后，分别以蒸馏水、乙二醇为测试液所得的接触角见图1。由图1可知，低温等离子体处理试样0.5 min后，试样表面的接触角开始随着放电功率的增大而减少，到400 W达到最小；而后随着放电功率的增大，试样表面的接触角随着放电功率的增大而增大。这是由于随着低温等离子体放电功率的增大，等离子体气氛中活性粒子的数量增加，能量提高，活性粒子对试样表面的刻蚀作用加强[21]，试样表面的接触角减少，试样表面的润湿性提高。但随着放电功率的进一步增加，相当于高放电功率的低温等离子体对试样进行高温加热，使得试样表面引入的极性含氧官能团数量减少，且考虑到极性含氧官能团的亲水性对减少材料表面接触角的贡献要大于材料表面的粗糙度的[16]，故400 W以上高放电功率的低温等离子体处理试样后，试样的表面接触角反而增加，润湿性反而下降。低温等离子体处理试样2 min后，试样表面的接触角开始随着放电功率的增大而减少，到300 W达到最小；而后随着放电功率的增大，试样表面的接触角随着放电功率的增大而增大。相比于低温等离子体处理0.5 min后的试样，低温等离子体处理2 min后试样的表面接触角的最小值迁移至300 W，这是由于随着处理时间的增加，氧化层厚度增加，含氧官能团的极性增强[22]。

2.2 吸水率分析

放电功率分别为100、200、300、400、500 W的低温等离子体处理试样5 min后，试样的质量随浸水时间延长的变化见表1。由表1数据计算可得，各试样浸泡152 h后，吸水率分别为m100W=1.26%，m200W=1.58%，m300W=1.93%，m400W=1.90%，m500W=1.68%。说明放电功率在300 W及以下的低温等离子体处理试样后，试样的吸水率随低温等离子体放电功率的增大而增加；放电功率300 W以上的低温等离子体处理试样后，试样的吸水率随着低温等离子体放电功率的增大而减少。这是由于300 W及以下低放电功率的低温等离子体处理试样后，增加低温等离子体放电功率会促进低温等离子体内部的非活泼性粒子转化为能量较高的易于参与反应的活泼性粒子，有利于低温等离子体与试样表面的反应，使试样表面的氧元素含量升高，极性含氧官能团数量增多[23]，吸水率升高；随着功率的进一步增加，活性粒子从电场中获得的能量增高，粒子间相互碰撞的几率就变大，导致粒子能量损失，使得活性粒子与试样表面的分子作用的幅度减弱[21]，从而导致润湿性的相对下降，吸水率降低。

表1 低温等离子体处理5 min后的试样随浸水时间延长的质量变化

2.3 时效性分析

放电功率为300 W的低温等离子体分别处理试样0.5、2 min后，试样表面接触角随保存时间延长的变化见图2a。从图2a可以看出，低温等离子体处理2 min后试样表面的接触角在24 h后达到稳定，而低温等离子体处理0.5 min后试样表面的接触角在144 h后达到稳定，且低温等离子体处理2 min后试样表面接触角的稳定值更小，即低温等离子体处理2 min后试样的时效性更优。这是由于随着处理时间的增加，试样表面引入的极性含氧官能团数量增多，表面极性增强[22]。放电功率分别为220、300 W的低温等离子体处理试样2 min后，试样表面的接触角随保存时间延长的变化见图2b。从图2b可以看出，放电功率为220 W的低温等离子处理试样后，试样表面的接触角相比于放电功率为300 W的低温等离子体处理的试样表面的接触角更迟趋于稳定，且稳定值更大，说明放电功率为220 W的低温等离子体处理的试样的时效性较劣。这是由于放电功率300 W的低温等离子体处理试样后，试样表面引入的极性含氧官能团数量最大，表面极性最强，表面润湿性最高[16]。

2.4 FTIR分析

3 结论

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Using the Low Temperature Plasma to Modified the Bamboo Powder/PETG Composites

ZHANG Gui-zhong，CHEN Han-xian，LI Wen-yan，YANG Wen-bin，ZHANG Feng

(MaterialsEngineeringCollege，FujianAgricultureandForestryUniversity，Fuzhou350002，Fujian，China)

plasma；bamboo plastic composite；surface properties

10.13428/j.cnki.fjlk.2016.02.019

2015-06-08；

2015-07-19

国家自然科学基金资助项目(31170535、30771683)

张贵忠(1990—)，男，福建南平人，福建农林大学材料工程学院本科生，从事木塑复合材料研究。E-mail：979415901@qq.com。

陈寒娴(1983—)，女，福建农林大学材料工程学院讲师，从事竹基复合材料研究。E-mail：hanxian1229@163.com。

TU531.3

A

1002-7351(2016)02-0101-05