冷等離子體改性處理木材的相關研究

祝 奇

（成都大學 機械工程學院，四川 成都 610106）

隨著社會進步，環境問題越來越嚴重，人們的環保意識也逐漸加強，世界各地有越來越多的塑料制品被木制品替代[1]。考慮到木材表面不易涂飾、防腐性能較差等特點，等離子體改善木材表面性能從眾多改性技術中脫穎而出，相較于化學試劑，有綠色環保無污染和不破壞材料本身性質等優點。

木材屬于天然高分子聚合物，不僅有化學和物理特征，還有生物學特征，是一種不均勻的各向異性材料，其化學組成和表面結構影響膠合性能、表面自由能、韌性、強度、耐久性、濕潤性等。

國內早期關于等離子體處理木材表面后的表面化學成分和膠合性能分析的報道，分別采用微波等離子體和低溫等離子體[2]，指出增強木材表面膠合性能的關鍵是增強木材表面的濕潤性。采用低溫冷等離子體需要昂貴的真空系統，對實驗環境要求較高，而采用大氣常壓等離子體處理，不僅操作簡單，還節約成本[3]。各種研究表明，等離子體處理木材表面會增強其表面自由能和親水性。

等離子體處理木材表面后，親水性的增強一般可以用極性部分增加來解釋，通過X射線光電子能譜技術分析發現，木材表面的極性部分增加是由于其氧碳原子比的增加。另外，等離子體處理木材表面后會使其變得更加粗糙，主要是因為等離子體中的高能粒子與木材表面作用時，會使表面的一些化學鍵斷裂，部分形成新鍵并脫去小分子碎片，從而發生蝕刻，使其表面粗糙化、濕潤性改變。

1 冷等離子體的特點

等離子體是物質的第四種形態，不同于氣態、液態、固態，是由光子、離子、電子和中性粒子共同組成的物質聚集態，一般被定義為與氣體中的原子電離之后，形成的正負帶電粒子數幾乎相同的導電體。在高氣壓、中氣壓和低氣壓下通常會產生并維持不同的等離子體。大氣壓冷等離子體就是在大氣壓條件（即高氣壓環境）下產生的氣體溫度與室溫接近、處于非平衡狀態的等離子體[4]。

大氣等離子體和低壓等離子體的產生及維持條件的關鍵不同點在于是否存在真空系統。從當前的實際情況看，大氣等離子體的實現條件簡單，設備制造及維護成本都比低壓等離子體低，且離子源具有可移動性；無需真空系統意味著等離子體材料加工便捷，被加工材料的尺寸不受真空腔室的限制，整個工藝流程實現了自動化連續性生產，大大節約了時間成本，進一步降低了等離子體材料的加工成本[5]。

2 等離子體處理對木材表面濕潤性的影響

2.1 等離子體處理時間對木材表面濕潤性的影響

冷等離子體處理木材的重要影響因素之一是處理時間。在實驗過程中，處理時間不同導致木材表面改性的效果也不同。彭曉瑞等[6]采用不同的處理時間處理人工林木材和天然林木材，發現人工林木材的最佳處理時間為3.0 min、天然林木材為4.0 min。實驗具體為：在電功率1 000 W下利用N2等離子體處理木材表面，時間分別為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、7.0、10.0 min，接觸角測試液為水。實驗證明，隨著處理時間的延長，木材表面受到高能粒子相對持續的轟擊導致蝕刻明顯，粗糙度進一步增大、表面接觸角減小、親水性增強，可見在客觀條件以及其他條件一致的情況下，木材表面的親水性受到處理時間的影響。

2.2 等離子體處理功率對木材表面濕潤性的影響

當等離子體處理時間一定、采用不同功率等離子體改性處理木材表面時，木材表面的濕潤性有所改變且有一定規律。王洪艷等[7]采用空氣介質阻擋放電冷等離子體處理云南松表面（結果見圖1），分析了不同處理功率對其表面濕潤性的影響。實驗采用了控制變量法，在其他客觀條件一致的情況下，首先設置處理次數為3次，處理功率分別設為1、2、3、4 kW，通過測量云南松表面接觸角來分析最佳處理功率。實驗發現，當處理功率為4 kW時，云南松表面與H2O和CH2I2的接觸角最小，隨后增大處理功率，接觸角沒有明顯變化，說明在一定時間內，等離子體處理木材表面能獲得最佳處理功率。

圖1 不同處理功率下云南松表面的接觸角

3 等離子體處理對木材表面時效性的影響

隨著時間的延長，等離子體改性木材表面的時效性有明顯的下降。時效性產生的機制較為復雜，木材表面經過等離子體處理后，由于高能粒子的轟擊引入了極性基團，表面親水性增強。

M. R. Sanchis等[8]提出，等離子體處理木材表面基本是通過兩種機制進行的：（1）主要作用機制是在其表面插入極性基團實現表面功能化和活化；（2）等離子體能促進大量自由基形成和其他可能發生反應的高度不穩定物質形成，暴露在空氣中時促進了表面和水蒸氣的反應，重要的是，等離子體處理不是穩定和永久性的，這是因為等離子體產生的物質是高度不穩定的，導致部分恢復疏水。

影響等離子體處理木材表面時效性的主要因素包括等離子體的處理時間、處理功率、木材種類以及環境因素等。處理時間和處理功率不同會導致其濕潤性不同，而木材種類不同意味著材料結構不同，用等離子體處理后，木材表面的交聯程度有明顯差異，分子鏈的結構也不同，所以處理后其親水性也不同。將處理后的木材置于環境中，隨著時間的延長，時效性會受到影響。

為探究等離子體處理的時效性，閆霜等[9]采用空氣氣氛的射流等離子體對木粉進行表面處理，放置天數分別為0、1、3、5、7 d，通過分析接觸角和膠合強度研究其時效性。實驗發現，經等離子體處理后，材料表面的接觸角明顯減小，隨著放置時間的延長，接觸角會逐漸增大，膠合強度從最初的11.24降到10.72，雖然變化不是很明顯，但是隨著放置天數的增加，膠合強度還是有所下降，表明等離子體處理有一定的時效性。

Fei Kong等[10]研究時效性與處理功率之間的關系發現，隨著處理功率的增大，時效性的下降趨勢減弱，如圖2所示。這是因為處理功率的增大會引起大量極性親水基團的增加，表面的導電率會提高，有利于材料表面的交聯反應，從而減緩時效性的下降。

圖2 處理5 d和60 d后PS樣品的誘捕水平峰值

4 等離子體處理對木材表面變色的影響

為了提高木材表面的膠合性能，通常采用等離子體處理其表面，但是這也會改變木材表面的含氧官能團，造成木材表面顏色變化。為研究等離子體處理對木材表面變色的影響，彭曉瑞等[11]研究了不同參數等離子體處理柚木、紅櫟和花梨的顏色變化。結果表明，隨著等離子體處理速度的減緩和處理功率的增大，這3類木材薄木的明度都產生了一定幅度的下降，色差均呈增長趨勢。其中，柚木經等離子體處理后的變色最不明顯，受到的影響最小；紅櫟薄膜表面變色最明顯，主要是由明度變化引起的。當等離子體處理功率高于3 kW時，3類薄木表面會發生嚴重的蝕刻作用。

5 結論

現階段，關于冷等離子體處理木材表面的研究已經較為常見，而采用空氣等離子體處理木材表面可達到高效、清潔、經濟的效果，適用于木材工業。采用掃描電鏡、X射線衍射儀和紅外光譜可測試木材表面的形貌及化學成分。

水接觸角減小的已知效應是由表面自由能的分散性減小和極性部分增加引起的，木材表面半纖維素的降解是造成這一現象的原因。

采用冷等離子體改性木材表面，其親水性、膠合性、疏水性均與處理時間和工作功率等工藝參數密切相關，且處理時間和工作功率均有最佳參數。冷等離子體改性木材表面的效果有一定的時效性，隨著放置時間的延長，環境等客觀因素的影響，木材表面的改性效果會大大削弱。此外，木材表面改性的時效性也與等離子體氣氛以及木材的類型等有關。但是，時效性的下降趨勢基本一致，最終穩定后的接觸角還是比未處理前的效果好。因此，為了保證改性效果，后續的木藝加工需要在有效期間內進行，并且時間間隔越短越好。對于不同類型的木材，考慮到其表面被等離子體處理后的色差變化，應該探尋其最佳等離子體處理工藝參數，結合現實需求找到最佳處理手段。

6 展望

冷等離子體表面改性技術的研究覆蓋面較廣，應用也越來越廣泛。冷等離子體處理改性木材表面，不僅改變了木材表面的物理、化學結構，還改變了木材的機械性能。由于等離子體的高能粒子與木材表面的相互作用機制尚未明確，還需加強對機理性的研究，明確表面的物理和化學變化。