低温等离子体改性增强木材胶合性能-Plasma

木材胶合界面显著影响木质工程材料的应力/应变传递,因此对木材胶合界面的改性可有效增强木质工程材料的宏观力学性能。近年来,高效可控的低温等离子体被认为十分适用于增强木材胶合界面及木质工程材料的力学性能。低温等离子体可在空气中激发,其内部包含多种高能粒子(如电子、离子、原子以及光子等),可以引起木材表面化学键的断裂或重组。此外,如表1.1中所列,与砂光和热改性等传统木材表面改性技术相比,低温等离子体改性具有改性速度快、效率高和改性过程环保等优点,十分契合社会绿色可持续发展需求。研究表明,低温等离子体改性会造成木材表面刻蚀和氧化,以上两点均能显著提高木材表面自由能,改善涂料或胶黏剂在其表面的润湿性和渗透性。

低温等离子体对木材的刻蚀

低温等离子体对木材表面的刻蚀作用可以去除弱边界层,提高表面的粗糙度,增大木材的比表面积,可以改善胶黏剂和涂料在木质表面的润湿性。如图1.11所示,研究者发现低温等离子改性的刻蚀作用会降低木材细胞壁厚度,改性后木材细胞壁次生壁上会出现大小不一的凹孔,这是由于低温等离子体改性过程中木材细胞壁内芳香族和脂肪族高聚物发生降解。细胞壁厚度的减少和凹孔的出现有利于促进胶黏剂在细胞壁内的渗透和填充,并与细胞壁中的大分子形成交联结构,增强胶黏剂和木材的机械啮合作用,从而成功提高胶合界面内细胞壁的力学性能。此外,研究结果表明,几乎所有的低温等离子改性方式均能在木材表面形成刻蚀,提高胶黏剂木材表面的接触面积,从而成功增强界面的胶合强度。

图1.1 1扫描电子显微镜下低温等离子体改性前后的木材早材细胞壁(a、c)和晚材细胞壁(b、d)

低温等离子体对木材的氧化

木质单板表面含氧基团的数量和种类影响其表面的润湿性,对木质工程材料的胶合性能具有重要的意义。研究表明,活性含氧基团(主要包括羟基、羧基和羰基)与水分子会形成氢键,促进水及水分散的大分子在材料表面的润湿。如图1.12所示,经过低温等离子体改性麦秸表面出现大量带负电荷的含氧基团(包括羟基、醚键和C=O等),从而提高单板表面的极性力,促进胶黏剂在其表面的铺展。此外,通过低温等离子体改性成功引入的含氧基团还可能与胶黏剂大分子产生共价键作用,这也有利于促进胶黏剂在其表面的润湿性,提高胶合强度。针对低温等离子体氧化木质材料表面机理的研究证实,低温等离子体内部高能粒子轰击木材表面会产生大量自由基,其中包括反应性较高的含氧自由基。上述研究结果证实,低温等离子体改性的木质材料的氧化主要通过自由基反应完成,相关反应位点主要出现在木质大分子结构内较弱的化学键,如纤维素β-糖苷键和木质素β-O-4结构内Cβ-O共价键上。

图1.12未处理麦秸和等离子体处理麦秸的测量扫描和高分辨率XPS光谱

低温等离子体改性能够氧化并刻蚀木材表面,改性后木材表面极性含氧官能团(包括羟基、羰基和羧基)的相对含量提高，这能够促进胶黏剂向木材细胞腔和细胞壁内渗透,构建更牢固的互穿聚合物网络结构,改性木材胶合界面内细胞壁的静力学性能得到增强。