等離子竹材表面處理提高親水性,改善后續粘接膠合性能

隨著森林面積的減少,快速生長的竹子作為材料來源變得越來越重要,特別是對于森林匱乏的國家,如印度、中國等。竹業為22多億人口提供了收入、食物和纖維;世界1/2的人口都在使用和交易竹類產品。竹制品被廣泛應用于許多領域,如家具、建筑、樂器等。竹子作為一種生物材料,與其他草本植物相比,具有生長快、加工能耗低、強度大等優點,其某些性能可與木材相比。

目前,我國竹類資源充足,植被面積廣闊,種類較多。竹材具有生長速度快、成材周期短、綠色環保、可再生等特點,用途較多,可以代替木材,“以竹代木”能夠有效緩解木材的供需矛盾。對竹材進行改性可以提高竹材的利用率,提升竹材板的質量。

利用等離子體對材料表面進行改性是一種相對較新的表面處理技術,最早出現在20世紀60年代。看似神秘的等離子體,其實是宇宙中的一種常見物質,如太陽、星星等,占宇宙的99%。等離子體被認為是繼固體、液體和氣體之后的第四種物質狀態,可以由中性氣體電離生成。工業中常見的等離子體通常是由正離子和電子明顯分離而產生的,進而產生電場、電流和磁場。等離子體表面改性技術是通過粒子(電子、離子和中性原子)來激發、電離或破壞反應物分子,產生一系列蝕刻、聚合、交聯和其他復雜的物理和化學效應。只需一個非常薄的表面層的處理深度,就能顯著改變界面特性,對基材沒有太大影響。

等離子體竹材表面改性機理

氣體等離子體可以通過將所需氣體引入真空室(通常為0.1~10.0Torr)來產生,然后通過一定能量激發氣體,所使用的能量使氣體離解成電子、離子、自由基和其他亞穩態激發態。等離子體中產生的自由基和電子與材料表面發生碰撞,破壞共價鍵,產生自由基。活化材料表面可輕易與激發氣體相結合,并提供化學活性基團。等離子體的產生過程可以很容易地控制幾個獨立變量,如流量、壓力、功率輸入和時間。由無機氣體(如氬、氦、氫、氮和氧)作為工質氣體產生的等離子體,導致原子注入、自由基生成和蝕刻反應,而由有機氣體(如碳氫化合物和烷基硅烷工質氣體)產生的等離子體,導致聚合物形成反應。等離子體分為兩類:第一類為非聚合物形成等離子體,第二類是聚合物形成等離子體。等離子體可以通過改變材料的物理性質和化學性質發揮重要作用,等離子體技術也被廣泛用于改變材料表面能、提高潤濕性和產生官能團等。

等離子體是具有能量的粒子,其與竹材表面接觸、碰撞時會將自己的能量傳遞給竹材表面的分子和原子,進而在其表面產生一些物理和化學反應,從而改變包括潤濕性在內的竹材的表面性能。潤濕性所表征的是液體與竹材接觸時,液體在竹材表面上潤濕、鋪展及粘附的難易程度和效果,是持久膠合的必要條件,常用接觸角來表示。竹材潤濕性的改性對竹材膠合、表面涂飾、防腐、阻燃等后期加工具有重要意義。

等離子表面處理,并沒有引入其他新的基團,也不會改變其主要化學成分,而是通過在其表面引入大量的自由基,生成O-H、C=O和C-O等含氧極性官能團,使竹材表面親水性增強,潤濕性提高;氧等離子體處理可有效提高竹材表面的潤濕性,尤其是竹青、竹黃的潤濕性,為竹材涂飾、浸膠等后期加工提供有效改性手段。