等离子竹材表面处理提高亲水性,改善后续粘接胶合性能

随着森林面积的减少,快速生长的竹子作为材料来源变得越来越重要,特别是对于森林匮乏的国家,如印度、中国等。竹业为22多亿人口提供了收入、食物和纤维;世界1/2的人口都在使用和交易竹类产品。竹制品被广泛应用于许多领域,如家具、建筑、乐器等。竹子作为一种生物材料,与其他草本植物相比,具有生长快、加工能耗低、强度大等优点,其某些性能可与木材相比。

目前,我国竹类资源充足,植被面积广阔,种类较多。竹材具有生长速度快、成材周期短、绿色环保、可再生等特点,用途较多,可以代替木材,“以竹代木”能够有效缓解木材的供需矛盾。对竹材进行改性可以提高竹材的利用率,提升竹材板的质量。

利用等离子体对材料表面进行改性是一种相对较新的表面处理技术,最早出现在20世纪60年代。看似神秘的等离子体,其实是宇宙中的一种常见物质,如太阳、星星等,占宇宙的99%。等离子体被认为是继固体、液体和气体之后的第四种物质状态,可以由中性气体电离生成。工业中常见的等离子体通常是由正离子和电子明显分离而产生的,进而产生电场、电流和磁场。等离子体表面改性技术是通过粒子(电子、离子和中性原子)来激发、电离或破坏反应物分子,产生一系列蚀刻、聚合、交联和其他复杂的物理和化学效应。只需一个非常薄的表面层的处理深度,就能显著改变界面特性,对基材没有太大影响。

等离子体竹材表面改性机理

气体等离子体可以通过将所需气体引入真空室(通常为0.1~10.0Torr)来产生,然后通过一定能量激发气体,所使用的能量使气体离解成电子、离子、自由基和其他亚稳态激发态。等离子体中产生的自由基和电子与材料表面发生碰撞,破坏共价键,产生自由基。活化材料表面可轻易与激发气体相结合,并提供化学活性基团。等离子体的产生过程可以很容易地控制几个独立变量,如流量、压力、功率输入和时间。由无机气体(如氩、氦、氢、氮和氧)作为工质气体产生的等离子体,导致原子注入、自由基生成和蚀刻反应,而由有机气体(如碳氢化合物和烷基硅烷工质气体)产生的等离子体,导致聚合物形成反应。等离子体分为两类:第一类为非聚合物形成等离子体,第二类是聚合物形成等离子体。等离子体可以通过改变材料的物理性质和化学性质发挥重要作用,等离子体技术也被广泛用于改变材料表面能、提高润湿性和产生官能团等。

等离子体是具有能量的粒子,其与竹材表面接触、碰撞时会将自己的能量传递给竹材表面的分子和原子,进而在其表面产生一些物理和化学反应,从而改变包括润湿性在内的竹材的表面性能。润湿性所表征的是液体与竹材接触时,液体在竹材表面上润湿、铺展及粘附的难易程度和效果,是持久胶合的必要条件,常用接触角来表示。竹材润湿性的改性对竹材胶合、表面涂饰、防腐、阻燃等后期加工具有重要意义。

等离子表面处理,并没有引入其他新的基团,也不会改变其主要化学成分,而是通过在其表面引入大量的自由基,生成O-H、C=O和C-O等含氧极性官能团,使竹材表面亲水性增强,润湿性提高;氧等离子体处理可有效提高竹材表面的润湿性,尤其是竹青、竹黄的润湿性,为竹材涂饰、浸胶等后期加工提供有效改性手段。