冷等离子体改性处理木材的相关研究

2022-07-12祝奇

现代盐化工 2022年3期

祝奇

（成都大学机械工程学院，四川成都 610106）

随着社会进步，环境问题越来越严重，人们的环保意识也逐渐加强，世界各地有越来越多的塑料制品被木制品替代[1]。考虑到木材表面不易涂饰、防腐性能较差等特点，等离子体改善木材表面性能从众多改性技术中脱颖而出，相较于化学试剂，有绿色环保无污染和不破坏材料本身性质等优点。

木材属于天然高分子聚合物，不仅有化学和物理特征，还有生物学特征，是一种不均匀的各向异性材料，其化学组成和表面结构影响胶合性能、表面自由能、韧性、强度、耐久性、湿润性等。

国内早期关于等离子体处理木材表面后的表面化学成分和胶合性能分析的报道，分别采用微波等离子体和低温等离子体[2]，指出增强木材表面胶合性能的关键是增强木材表面的湿润性。采用低温冷等离子体需要昂贵的真空系统，对实验环境要求较高，而采用大气常压等离子体处理，不仅操作简单，还节约成本[3]。各种研究表明，等离子体处理木材表面会增强其表面自由能和亲水性。

等离子体处理木材表面后，亲水性的增强一般可以用极性部分增加来解释，通过X射线光电子能谱技术分析发现，木材表面的极性部分增加是由于其氧碳原子比的增加。另外，等离子体处理木材表面后会使其变得更加粗糙，主要是因为等离子体中的高能粒子与木材表面作用时，会使表面的一些化学键断裂，部分形成新键并脱去小分子碎片，从而发生蚀刻，使其表面粗糙化、湿润性改变。

1 冷等离子体的特点

等离子体是物质的第四种形态，不同于气态、液态、固态，是由光子、离子、电子和中性粒子共同组成的物质聚集态，一般被定义为与气体中的原子电离之后，形成的正负带电粒子数几乎相同的导电体。在高气压、中气压和低气压下通常会产生并维持不同的等离子体。大气压冷等离子体就是在大气压条件（即高气压环境）下产生的气体温度与室温接近、处于非平衡状态的等离子体[4]。

大气等离子体和低压等离子体的产生及维持条件的关键不同点在于是否存在真空系统。从当前的实际情况看，大气等离子体的实现条件简单，设备制造及维护成本都比低压等离子体低，且离子源具有可移动性；无需真空系统意味着等离子体材料加工便捷，被加工材料的尺寸不受真空腔室的限制，整个工艺流程实现了自动化连续性生产，大大节约了时间成本，进一步降低了等离子体材料的加工成本[5]。

2 等离子体处理对木材表面湿润性的影响

2.1 等离子体处理时间对木材表面湿润性的影响

冷等离子体处理木材的重要影响因素之一是处理时间。在实验过程中，处理时间不同导致木材表面改性的效果也不同。彭晓瑞等[6]采用不同的处理时间处理人工林木材和天然林木材，发现人工林木材的最佳处理时间为3.0 min、天然林木材为4.0 min。实验具体为：在电功率1 000 W下利用N2等离子体处理木材表面，时间分别为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、7.0、10.0 min，接触角测试液为水。实验证明，随着处理时间的延长，木材表面受到高能粒子相对持续的轰击导致蚀刻明显，粗糙度进一步增大、表面接触角减小、亲水性增强，可见在客观条件以及其他条件一致的情况下，木材表面的亲水性受到处理时间的影响。

2.2 等离子体处理功率对木材表面湿润性的影响

当等离子体处理时间一定、采用不同功率等离子体改性处理木材表面时，木材表面的湿润性有所改变且有一定规律。王洪艳等[7]采用空气介质阻挡放电冷等离子体处理云南松表面（结果见图1），分析了不同处理功率对其表面湿润性的影响。实验采用了控制变量法，在其他客观条件一致的情况下，首先设置处理次数为3次，处理功率分别设为1、2、3、4 kW，通过测量云南松表面接触角来分析最佳处理功率。实验发现，当处理功率为4 kW时，云南松表面与H2O和CH2I2的接触角最小，随后增大处理功率，接触角没有明显变化，说明在一定时间内，等离子体处理木材表面能获得最佳处理功率。

图1 不同处理功率下云南松表面的接触角

3 等离子体处理对木材表面时效性的影响

随着时间的延长，等离子体改性木材表面的时效性有明显的下降。时效性产生的机制较为复杂，木材表面经过等离子体处理后，由于高能粒子的轰击引入了极性基团，表面亲水性增强。

M. R. Sanchis等[8]提出，等离子体处理木材表面基本是通过两种机制进行的：（1）主要作用机制是在其表面插入极性基团实现表面功能化和活化；（2）等离子体能促进大量自由基形成和其他可能发生反应的高度不稳定物质形成，暴露在空气中时促进了表面和水蒸气的反应，重要的是，等离子体处理不是稳定和永久性的，这是因为等离子体产生的物质是高度不稳定的，导致部分恢复疏水。

影响等离子体处理木材表面时效性的主要因素包括等离子体的处理时间、处理功率、木材种类以及环境因素等。处理时间和处理功率不同会导致其湿润性不同，而木材种类不同意味着材料结构不同，用等离子体处理后，木材表面的交联程度有明显差异，分子链的结构也不同，所以处理后其亲水性也不同。将处理后的木材置于环境中，随着时间的延长，时效性会受到影响。

为探究等离子体处理的时效性，闫霜等[9]采用空气气氛的射流等离子体对木粉进行表面处理，放置天数分别为0、1、3、5、7 d，通过分析接触角和胶合强度研究其时效性。实验发现，经等离子体处理后，材料表面的接触角明显减小，随着放置时间的延长，接触角会逐渐增大，胶合强度从最初的11.24降到10.72，虽然变化不是很明显，但是随着放置天数的增加，胶合强度还是有所下降，表明等离子体处理有一定的时效性。

Fei Kong等[10]研究时效性与处理功率之间的关系发现，随着处理功率的增大，时效性的下降趋势减弱，如图2所示。这是因为处理功率的增大会引起大量极性亲水基团的增加，表面的导电率会提高，有利于材料表面的交联反应，从而减缓时效性的下降。

图2 处理5 d和60 d后PS样品的诱捕水平峰值

4 等离子体处理对木材表面变色的影响

为了提高木材表面的胶合性能，通常采用等离子体处理其表面，但是这也会改变木材表面的含氧官能团，造成木材表面颜色变化。为研究等离子体处理对木材表面变色的影响，彭晓瑞等[11]研究了不同参数等离子体处理柚木、红栎和花梨的颜色变化。结果表明，随着等离子体处理速度的减缓和处理功率的增大，这3类木材薄木的明度都产生了一定幅度的下降，色差均呈增长趋势。其中，柚木经等离子体处理后的变色最不明显，受到的影响最小；红栎薄膜表面变色最明显，主要是由明度变化引起的。当等离子体处理功率高于3 kW时，3类薄木表面会发生严重的蚀刻作用。

5 结论

现阶段，关于冷等离子体处理木材表面的研究已经较为常见，而采用空气等离子体处理木材表面可达到高效、清洁、经济的效果，适用于木材工业。采用扫描电镜、X射线衍射仪和红外光谱可测试木材表面的形貌及化学成分。

水接触角减小的已知效应是由表面自由能的分散性减小和极性部分增加引起的，木材表面半纤维素的降解是造成这一现象的原因。

采用冷等离子体改性木材表面，其亲水性、胶合性、疏水性均与处理时间和工作功率等工艺参数密切相关，且处理时间和工作功率均有最佳参数。冷等离子体改性木材表面的效果有一定的时效性，随着放置时间的延长，环境等客观因素的影响，木材表面的改性效果会大大削弱。此外，木材表面改性的时效性也与等离子体气氛以及木材的类型等有关。但是，时效性的下降趋势基本一致，最终稳定后的接触角还是比未处理前的效果好。因此，为了保证改性效果，后续的木艺加工需要在有效期间内进行，并且时间间隔越短越好。对于不同类型的木材，考虑到其表面被等离子体处理后的色差变化，应该探寻其最佳等离子体处理工艺参数，结合现实需求找到最佳处理手段。