祝 奇

（成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610106）

隨著社會(huì)進(jìn)步，環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，人們的環(huán)保意識(shí)也逐漸加強(qiáng)，世界各地有越來(lái)越多的塑料制品被木制品替代[1]?？紤]到木材表面不易涂飾、防腐性能較差等特點(diǎn)，等離子體改善木材表面性能從眾多改性技術(shù)中脫穎而出，相較于化學(xué)試劑，有綠色環(huán)保無(wú)污染和不破壞材料本身性質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。

木材屬于天然高分子聚合物，不僅有化學(xué)和物理特征，還有生物學(xué)特征，是一種不均勻的各向異性材料，其化學(xué)組成和表面結(jié)構(gòu)影響膠合性能、表面自由能、韌性、強(qiáng)度、耐久性、濕潤(rùn)性等。

國(guó)內(nèi)早期關(guān)于等離子體處理木材表面后的表面化學(xué)成分和膠合性能分析的報(bào)道，分別采用微波等離子體和低溫等離子體[2]，指出增強(qiáng)木材表面膠合性能的關(guān)鍵是增強(qiáng)木材表面的濕潤(rùn)性。采用低溫冷等離子體需要昂貴的真空系統(tǒng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求較高，而采用大氣常壓等離子體處理，不僅操作簡(jiǎn)單，還節(jié)約成本[3]。各種研究表明，等離子體處理木材表面會(huì)增強(qiáng)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(qiáng)一般可以用極性部分增加來(lái)解釋，通過(guò)X射線光電子能譜技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，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(huì)使其變得更加粗糙，主要是因?yàn)榈入x子體中的高能粒子與木材表面作用時(shí)，會(huì)使表面的一些化學(xué)鍵斷裂，部分形成新鍵并脫去小分子碎片，從而發(fā)生蝕刻，使其表面粗糙化、濕潤(rùn)性改變。

1 冷等離子體的特點(diǎn)

等離子體是物質(zhì)的第四種形態(tài)，不同于氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)，是由光子、離子、電子和中性粒子共同組成的物質(zhì)聚集態(tài)，一般被定義為與氣體中的原子電離之后，形成的正負(fù)帶電粒子數(shù)幾乎相同的導(dǎo)電體。在高氣壓、中氣壓和低氣壓下通常會(huì)產(chǎn)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(huán)境）下產(chǎn)生的氣體溫度與室溫接近、處于非平衡狀態(tài)的等離子體[4]。

大氣等離子體和低壓等離子體的產(chǎn)生及維持條件的關(guān)鍵不同點(diǎn)在于是否存在真空系統(tǒng)。從當(dāng)前的實(shí)際情況看，大氣等離子體的實(shí)現(xiàn)條件簡(jiǎn)單，設(shè)備制造及維護(hù)成本都比低壓等離子體低，且離子源具有可移動(dòng)性；無(wú)需真空系統(tǒng)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(gè)工藝流程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化連續(xù)性生產(chǎn)，大大節(jié)約了時(shí)間成本，進(jìn)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(duì)木材表面濕潤(rùn)性的影響

2.1 等離子體處理時(shí)間對(duì)木材表面濕潤(rùn)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(shí)間。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，處理時(shí)間不同導(dǎo)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(shí)間處理人工林木材和天然林木材，發(fā)現(xiàn)人工林木材的最佳處理時(shí)間為3.0 min、天然林木材為4.0 min。實(shí)驗(yàn)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(shí)間分別為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、7.0、10.0 min，接觸角測(cè)試液為水。實(shí)驗(yàn)證明，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，木材表面受到高能粒子相對(duì)持續(xù)的轟擊導(dǎo)致蝕刻明顯，粗糙度進(jìn)一步增大、表面接觸角減小、親水性增強(qiáng)，可見(jiàn)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(shí)間的影響。

2.2 等離子體處理功率對(duì)木材表面濕潤(rùn)性的影響

當(dāng)?shù)入x子體處理時(shí)間一定、采用不同功率等離子體改性處理木材表面時(shí)，木材表面的濕潤(rùn)性有所改變且有一定規(guī)律。王洪艷等[7]采用空氣介質(zhì)阻擋放電冷等離子體處理云南松表面（結(jié)果見(jiàn)圖1），分析了不同處理功率對(duì)其表面濕潤(rùn)性的影響。實(shí)驗(yàn)采用了控制變量法，在其他客觀條件一致的情況下，首先設(shè)置處理次數(shù)為3次，處理功率分別設(shè)為1、2、3、4 kW，通過(guò)測(cè)量云南松表面接觸角來(lái)分析最佳處理功率。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)處理功率為4 kW時(shí)，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(méi)有明顯變化，說(shuō)明在一定時(shí)間內(nèi)，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(duì)木材表面時(shí)效性的影響

隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，等離子體改性木材表面的時(shí)效性有明顯的下降。時(shí)效性產(chǎn)生的機(jī)制較為復(fù)雜，木材表面經(jīng)過(guò)等離子體處理后，由于高能粒子的轟擊引入了極性基團(tuán)，表面親水性增強(qiáng)。

M. R. Sanchis等[8]提出，等離子體處理木材表面基本是通過(guò)兩種機(jī)制進(jìn)行的：（1）主要作用機(jī)制是在其表面插入極性基團(tuán)實(shí)現(xiàn)表面功能化和活化；（2）等離子體能促進(jìn)大量自由基形成和其他可能發(fā)生反應(yīng)的高度不穩(wěn)定物質(zhì)形成，暴露在空氣中時(shí)促進(jìn)了表面和水蒸氣的反應(yīng)，重要的是，等離子體處理不是穩(wěn)定和永久性的，這是因?yàn)榈入x子體產(chǎn)生的物質(zhì)是高度不穩(wěn)定的，導(dǎo)致部分恢復(fù)疏水。

影響等離子體處理木材表面時(shí)效性的主要因素包括等離子體的處理時(shí)間、處理功率、木材種類以及環(huán)境因素等。處理時(shí)間和處理功率不同會(huì)導(dǎo)致其濕潤(rùn)性不同，而木材種類不同意味著材料結(jié)構(gòu)不同，用等離子體處理后，木材表面的交聯(lián)程度有明顯差異，分子鏈的結(jié)構(gòu)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(huán)境中，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，時(shí)效性會(huì)受到影響。

為探究等離子體處理的時(shí)效性，閆霜等[9]采用空氣氣氛的射流等離子體對(duì)木粉進(jìn)行表面處理，放置天數(shù)分別為0、1、3、5、7 d，通過(guò)分析接觸角和膠合強(qiáng)度研究其時(shí)效性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)等離子體處理后，材料表面的接觸角明顯減小，隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，接觸角會(huì)逐漸增大，膠合強(qiáng)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(shù)的增加，膠合強(qiáng)度還是有所下降，表明等離子體處理有一定的時(shí)效性。

Fei Kong等[10]研究時(shí)效性與處理功率之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，隨著處理功率的增大，時(shí)效性的下降趨勢(shì)減弱，如圖2所示。這是因?yàn)樘幚砉β实脑龃髸?huì)引起大量極性親水基團(tuán)的增加，表面的導(dǎo)電率會(huì)提高，有利于材料表面的交聯(lián)反應(yīng)，從而減緩時(shí)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(duì)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(huì)改變木材表面的含氧官能團(tuán)，造成木材表面顏色變化。為研究等離子體處理對(duì)木材表面變色的影響，彭曉瑞等[11]研究了不同參數(shù)等離子體處理柚木、紅櫟和花梨的顏色變化。結(jié)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(chǎn)生了一定幅度的下降，色差均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中，柚木經(jīng)等離子體處理后的變色最不明顯，受到的影響最??；紅櫟薄膜表面變色最明顯，主要是由明度變化引起的。當(dāng)?shù)入x子體處理功率高于3 kW時(shí)，3類薄木表面會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的蝕刻作用。

5 結(jié)論

現(xiàn)階段，關(guān)于冷等離子體處理木材表面的研究已經(jīng)較為常見(jiàn)，而采用空氣等離子體處理木材表面可達(dá)到高效、清潔、經(jīng)濟(jì)的效果，適用于木材工業(yè)。采用掃描電鏡、X射線衍射儀和紅外光譜可測(cè)試木材表面的形貌及化學(xué)成分。

水接觸角減小的已知效應(yīng)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(xiàn)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(shí)間和工作功率等工藝參數(shù)密切相關(guān)，且處理時(shí)間和工作功率均有最佳參數(shù)。冷等離子體改性木材表面的效果有一定的時(shí)效性，隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，環(huán)境等客觀因素的影響，木材表面的改性效果會(huì)大大削弱。此外，木材表面改性的時(shí)效性也與等離子體氣氛以及木材的類型等有關(guān)。但是，時(shí)效性的下降趨勢(shì)基本一致，最終穩(wěn)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(xù)的木藝加工需要在有效期間內(nèi)進(jìn)行，并且時(shí)間間隔越短越好。對(duì)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(yīng)該探尋其最佳等離子體處理工藝參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)實(shí)需求找到最佳處理手段。

6 展望

冷等離子體表面改性技術(shù)的研究覆蓋面較廣，應(yīng)用也越來(lái)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(xué)結(jié)構(gòu)，還改變了木材的機(jī)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(jī)制尚未明確，還需加強(qiáng)對(duì)機(jī)理性的研究，明確表面的物理和化學(xué)變化。