介質(zhì)阻擋放電冷等離子體處理對2種竹材表面潤濕性的影響

王洪艷，李 波，趙 飛，李 琴，杜官本

(1.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院浙江省竹類研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310023；2.西南林業(yè)大學(xué)，云南昆明 650224)

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介質(zhì)阻擋放電冷等離子體處理對2種竹材表面潤濕性的影響

王洪艷1，李 波2，趙 飛2，李 琴1，杜官本2

(1.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院浙江省竹類研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310023；2.西南林業(yè)大學(xué)，云南昆明 650224)

[目的]改善竹材表面潤濕性。[方法]采用介質(zhì)阻擋放電(DBD)冷等離子體分別處理毛竹和巨龍竹表面，研究處理對2種竹材表面潤濕性的影響。[結(jié)果]經(jīng)DBD冷等離子體處理后，毛竹和巨龍竹表面潤濕性均得到明顯改善；DBD冷等離子體處理毛竹的最優(yōu)工藝為處理功率5 kW，處理7次；DBD冷等離子體處理巨龍竹的最優(yōu)工藝為處理功率4 kW，處理3次。[結(jié)論]DBD冷等離子體處理能明顯改善2種竹材表面潤濕性。

介質(zhì)阻擋放電；冷等離子體；毛竹；巨龍竹；潤濕性

竹材生長速度快、生態(tài)功能性強(qiáng)，在世界范圍內(nèi)分布廣泛，竹林被稱為“世界第二大森林”[1-3]。與木材相比，竹材結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，主要由竹青、竹肉和竹黃組成。竹青組織致密，質(zhì)地比較堅(jiān)硬，表面光滑，附有一層蠟質(zhì)，潤濕性較差；竹黃組織疏松，質(zhì)地比較脆弱，潤濕性也比較差[4-5]。竹材難以涂膠和涂飾的缺點(diǎn)，給其實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)業(yè)化帶來一定的負(fù)面影響[6-7]。

自20世紀(jì)60年代以來，關(guān)于等離子體技術(shù)特別是冷等離子體技術(shù)對高分子材料表面改性的研究十分活躍，應(yīng)用越來越廣泛[8-9]。竹材是一種高分子材料，對其進(jìn)行表面改性是經(jīng)濟(jì)有效地開發(fā)新材料的重要途徑。

筆者采用介質(zhì)阻擋放電(DBD)冷等離子體分別對毛竹(Phyllostachysheterocyclacv.pubescens)和巨龍竹(Dendrocalamussinicus)表面進(jìn)行處理，研究處理對這2種竹材表面潤濕性的影響，以期改善竹材表面潤濕性。

1 材料與方法

1.1 材料 毛竹竹片，購于安吉恒豐竹木產(chǎn)品有限公司，約為3年生；巨龍竹取自云南省西雙版納州景洪市，3年生，不是新伐材，去青去黃刨片。

1.2 儀器與試劑 ZD-1000C型冷等離子體木板表面處理系統(tǒng)(南京蘇曼電子有限公司生產(chǎn))； JC2000型靜滴接觸角測定儀(上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司生產(chǎn))。二碘甲烷(CH2I2，化學(xué)純，95%)，購于阿拉丁試劑網(wǎng)；蒸餾水(H2O)，市購。

1.3 方法

1.3.1 DBD冷離子體處理竹材表面。開啟冷等離子體設(shè)備，調(diào)整好一定功率(共設(shè)置0、1、2、3、4、5 kW共6個(gè)處理)，傳送帶速度為12 m/min。將材料放置于進(jìn)口傳送帶上，材料自動(dòng)從進(jìn)口進(jìn)入，經(jīng)過等離子體表面處理，從出口出來，如此循環(huán)1次為處理1次(共設(shè)置0、1、3、5、7、9、11次共7個(gè)處理)。處理時(shí)間通過處理次數(shù)來實(shí)現(xiàn)，處理時(shí)工作氣體為空氣，處理時(shí)為雙面處理。

1.3.2 竹材表面接觸角的測定及表面能的計(jì)算。采用靜態(tài)液滴法對毛竹和巨龍竹表面接觸角進(jìn)行測量，測試液體為H2O和CH2I2。測試時(shí)直接進(jìn)樣，當(dāng)測試液為同一種液體時(shí)，接觸角隨測量時(shí)間的延長而逐漸減小，該試驗(yàn)在1～2 s時(shí)立即拍照，在照片上用切線法測量材料表面接觸角，并計(jì)算材料表面能的變化情況。每個(gè)試樣至少測12次，去除最大接觸角3個(gè)、最小接觸角3個(gè)，求剩余6個(gè)接觸角的平均值，作為此試樣接觸角的數(shù)值。

表面能的計(jì)算方法：測量2種參考液體(H2O和CH2I2)在木材表面的接觸角，采用Young- Good- Girifalco- Fowkes方程(簡稱YGGF方程)，結(jié)合接觸角數(shù)據(jù)來計(jì)算固體表面能[7]。此次試驗(yàn)采用的方程[8]如下：

(Ⅰ)

(Ⅱ)

(Ⅲ)

(Ⅳ)

考慮到DBD冷等離子體處理具有時(shí)效性，即經(jīng)DBD冷等離子體處理后竹材表面的接觸角會(huì)隨著放置時(shí)間的變化而變化，所有的樣品均在處理后1 h內(nèi)進(jìn)行表面接觸角的測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 DBD冷等離子體處理對毛竹表面潤濕性的影響

2.1.1 處理功率對毛竹表面潤濕性的影響。由表1可知，經(jīng)過DBD冷等離子體處理后，毛竹表面接觸角(H2O和CH2I2)均減小，表面能增大，且隨著處理功率的增大，表面能也基本隨之增大，表明經(jīng)過DBD冷等離子體處理后，毛竹表面潤濕性得到改善。試驗(yàn)中，處理功率為5 kW時(shí)，毛竹表面能(69.17×10-7J/cm2)較未處理毛竹表面能(35.26×10-7J/cm2)提高了96.17%。

表1 處理功率對毛竹表面潤濕性的影響

Table 1 Effects of treatment power on the surface wettability ofP.heterocycla

處理功率Treat-mentpowerkW接觸角Contactangle∥°H2OCH2I2色散力Dispersionforce×10-7J/cm2極性力Polarforce×10-7J/cm2表面能Surfaceenergy×10-7J/cm2未處理73.9056.4024.5410.7235.26Untreated163.5028.1037.5911.3148.90256.3019.0039.1914.7153.91365.4044.3029.8413.3943.23437.9037.2528.3731.7860.15526.0014.3034.8934.2769.17

2.1.2 處理次數(shù)對毛竹表面潤濕性的影響。選擇處理功率為5 kW，考察不同處理次數(shù)對毛竹表面潤濕性的影響。由表2可知，當(dāng)處理次數(shù)增加時(shí)，毛竹表面與H2O的接觸角逐漸減小，而與CH2I2的接觸角呈現(xiàn)不規(guī)律變化，變化范圍不大，基本在20°左右。處理7次后，毛竹表面與H2O的接觸角均為0。從表面能的結(jié)果看到，隨著處理次數(shù)增加，毛竹表面能增加，處理7次時(shí)，毛竹表面能為73.95×10-7J/cm2，較未處理的表面能(35.26×10-7J/cm2)提高了38.69×10-7J/cm2，提高幅度達(dá)109.73%，當(dāng)處理次數(shù)繼續(xù)增加時(shí)，毛竹表面能變化不大，約為74×10-7J/cm2。

表2 處理次數(shù)對毛竹表面潤濕性的影響

Table 2 Effects of treatment times on the surface wettability ofP.heterocycla

處理次數(shù)Treat-menttimes接觸角Contactangle∥°H2OCH2I2色散力Dispersionforce×10-7J/cm2極性力Polarforce×10-7J/cm2表面能Surfaceenergy×10-7J/cm2未處理73.8856.3825.5410.7235.26Untreated126.0014.2535.0133.7568.76327.3822.0033.0834.3767.45512.3827.7529.7942.3472.137023.3831.0042.9573.959022.2531.3642.6774.0411017.8832.6241.7374.35

綜合表1、2可知，DBD冷等離子體處理毛竹表面，最優(yōu)工藝為處理功率5 kW，處理7次。

2.2 DBD冷等離子體處理對巨龍竹表面潤濕性的影響

2.2.1 處理功率對巨龍竹表面潤濕性的影響。由表3可知，在處理功率為4 kW時(shí)，巨龍竹與H2O的接觸角降低到最小(2.84°)，與CH2I2的接觸角也有較大幅度的降低，為13.58°，在此工藝下巨龍竹的表面能為74.55×10-7J/cm2，為所有處理功率中表面能最大的。

表3 處理功率對巨龍竹表面潤濕性的影響

Table 3 Effects of treatment power on the surface wettability ofD.sinicus

處理功率Treat-mentpower∥kW接觸角Contactangle∥°H2OCH2I2色散力Dispersionforce×10-7J/cm2極性力Polarforce×10-7J/cm2表面能Surfaceenergy×10-7J/cm2未處理38.3041.1026.5132.8459.35Untreated131.3021.9033.6132.0865.69221.8023.1032.1337.5269.65318.0011.3034.7937.0671.8642.8413.5823.6440.9174.55517.6022.2032.0639.1071.18

2.2.2 處理次數(shù)對巨龍竹表面潤濕性的影響。選擇處理功率為4 kW來考察不同處理時(shí)間對毛竹表面潤濕性的影響。由表4可知，處理功率為4 kW時(shí)，經(jīng)空氣DBD冷等離子體處理后巨龍竹表面的接觸角均減小，表面能均有一定程度的增加，但并不隨著處理時(shí)間的延長一直增大。從該試驗(yàn)結(jié)果來看，處理3次時(shí)，巨龍竹表面與H2O和CH2I2的接觸角最小，分別為2.83°和13.58°；色散力和極性力分別為33.64×10-7和40.91×10-7J/cm2，表面能為74.55×10-7J/cm2，較未處理的表面能(59.35×10-7J/cm2)提高了15.20×10-7J/cm2，提高幅度為25.61%，在此試驗(yàn)中處理3次的效果最優(yōu)。

綜合表3、4可知，DBD冷等離子體處理巨龍竹表面，最優(yōu)工藝為處理功率4 kW，處理3次。

表4 處理次數(shù)對巨龍竹表面潤濕性的影響

Table 4 Effects of treatment times on the surface wettability ofD.sinicus

處理次數(shù)Treat-menttimes接觸角Contactangle∥°H2OCH2I2色散力Dispersionforce×10-7J/cm2極性力Polarforce×10-7J/cm2表面能Surfaceenergy×10-7J/cm2未處理38.3041.1026.5132.8459.35Untreated130.3034.9028.3836.2064.5932.8313.5833.6440.9174.55515.0017.1033.3339.0072.3478.9025.3030.5242.5173.03911.2019.5032.4640.6173.071112.2012.4034.1839.1571.18

3 小結(jié)

采用DBD冷等離子體處理毛竹和巨龍竹表面，結(jié)果表明：①經(jīng)DBD冷等離子體處理后，毛竹和巨龍竹表面潤濕性均得到明顯改善；②DBD冷等離子體處理毛竹的最優(yōu)工藝為處理功率5 kW，處理7次；③DBD冷等離子體處理巨龍竹的最優(yōu)工藝為處理功率4 kW，處理3次。

[1] 以竹代木前景好[J].農(nóng)村實(shí)用技術(shù)，1999(1)：54-55.

[2] 黃永平.以竹代木 以竹代鋼：“柳星”牌竹膠合混凝土模板年節(jié)約木材30萬[J].廣西林業(yè)，2006(6)：29.

[3] 一山.竹子性能新發(fā)現(xiàn)[J].湖南林業(yè)，2006(3)：18.

[4] 周芳純.竹材的缺陷及其處理[J].竹類研究，1991(1)：72-83.

[5] 唐永裕.我國竹材加工工業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].竹子研究匯刊，1999，18(4)：5-10.

[6] 張齊生.我國竹類資源利用應(yīng)當(dāng)注意的幾個(gè)問題[J].廣西節(jié)能，2003(4)：38.

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[8] 李篤信，賈德民.等離子體技術(shù)對高分子材料的表面改性[J].高分子材料科學(xué)與工程，1999，15(3)：172-175.

[9] HOLLAHAN J R，BELL A T.Techniques and applications of plasma chemistry[M].New York：John Wiley，1974.

[10] 沈鐘.膠體與表面化學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

Effects of DBD Cold Plasma Processing on the Surface Wettability of Two Bamboo Materials

WANG Hong-yan1, LI Bo2, ZHAO Fei2et al

(1.Zhejiang Key Laboratory of Bamboo Research, Zhejiang Forestry Academy, Hangzhou, Zhejiang 310023; 2.Southwest Forestry University, Kunming, Yunan 650224)

[Objective] To improve the surface wettability of bamboo forest. [Method] The surfaces ofPhyllostachysheterocyclacv.pubescensandDendrocalamussinicuswere treated by DBD (Dielectric Barrier Discharge) cold plasma. Effects of DBD cold plasma treatment on the surface wettability of two bamboos were researched. [Result] After DBD cold plasma treatment, the surface wettability of two kinds of bamboos were improved significantly. The optimal technology for DBD cold plasma treatment ofP.heterocyclawas as follows: 5 kW treatment power and 7 treatment times. And the optimal technology forD.sinicuswas 5 kW treatment power and 3 treatment times. [Conclusion] DBD cold plasma treatment significantly enhances the surface wettability of bamboo.

Dieletric Barrier Discharge; Cold plasma;Phyllostachysheterocyclacv.pubescens;Dendrocalamussinicus; Wettability

浙江省林業(yè)工程重中之重一級學(xué)科開放基金項(xiàng)目(2014lygcy026)；浙江省公益技術(shù)農(nóng)業(yè)項(xiàng)目(2015C32087)。

王洪艷(1984-)，女，湖北荊州人，助理研究員，博士，從事人造板及膠黏劑的研究。

2016-08-31

S 785

A

0517-6611(2016)29-0167-02