介質阻擋放電冷等離子體處理對2種竹材表面潤濕性的影響

王洪艷，李 波，趙 飛，李 琴，杜官本

(1.浙江省林業科學研究院浙江省竹類研究重點實驗室，浙江杭州 310023；2.西南林業大學，云南昆明 650224)

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介質阻擋放電冷等離子體處理對2種竹材表面潤濕性的影響

王洪艷1，李 波2，趙 飛2，李 琴1，杜官本2

(1.浙江省林業科學研究院浙江省竹類研究重點實驗室，浙江杭州 310023；2.西南林業大學，云南昆明 650224)

[目的]改善竹材表面潤濕性。[方法]采用介質阻擋放電(DBD)冷等離子體分別處理毛竹和巨龍竹表面，研究處理對2種竹材表面潤濕性的影響。[結果]經DBD冷等離子體處理后，毛竹和巨龍竹表面潤濕性均得到明顯改善；DBD冷等離子體處理毛竹的最優工藝為處理功率5 kW，處理7次；DBD冷等離子體處理巨龍竹的最優工藝為處理功率4 kW，處理3次。[結論]DBD冷等離子體處理能明顯改善2種竹材表面潤濕性。

介質阻擋放電；冷等離子體；毛竹；巨龍竹；潤濕性

竹材生長速度快、生態功能性強，在世界范圍內分布廣泛，竹林被稱為“世界第二大森林”[1-3]。與木材相比，竹材結構相對復雜，主要由竹青、竹肉和竹黃組成。竹青組織致密，質地比較堅硬，表面光滑，附有一層蠟質，潤濕性較差；竹黃組織疏松，質地比較脆弱，潤濕性也比較差[4-5]。竹材難以涂膠和涂飾的缺點，給其實現工業產業化帶來一定的負面影響[6-7]。

自20世紀60年代以來，關于等離子體技術特別是冷等離子體技術對高分子材料表面改性的研究十分活躍，應用越來越廣泛[8-9]。竹材是一種高分子材料，對其進行表面改性是經濟有效地開發新材料的重要途徑。

筆者采用介質阻擋放電(DBD)冷等離子體分別對毛竹(Phyllostachysheterocyclacv.pubescens)和巨龍竹(Dendrocalamussinicus)表面進行處理，研究處理對這2種竹材表面潤濕性的影響，以期改善竹材表面潤濕性。

1 材料與方法

1.1 材料 毛竹竹片，購于安吉恒豐竹木產品有限公司，約為3年生；巨龍竹取自云南省西雙版納州景洪市，3年生，不是新伐材，去青去黃刨片。

1.2 儀器與試劑 ZD-1000C型冷等離子體木板表面處理系統(南京蘇曼電子有限公司生產)； JC2000型靜滴接觸角測定儀(上海中晨數字技術設備有限公司生產)。二碘甲烷(CH2I2，化學純，95%)，購于阿拉丁試劑網；蒸餾水(H2O)，市購。

1.3 方法

1.3.1 DBD冷離子體處理竹材表面。開啟冷等離子體設備，調整好一定功率(共設置0、1、2、3、4、5 kW共6個處理)，傳送帶速度為12 m/min。將材料放置于進口傳送帶上，材料自動從進口進入，經過等離子體表面處理，從出口出來，如此循環1次為處理1次(共設置0、1、3、5、7、9、11次共7個處理)。處理時間通過處理次數來實現，處理時工作氣體為空氣，處理時為雙面處理。

1.3.2 竹材表面接觸角的測定及表面能的計算。采用靜態液滴法對毛竹和巨龍竹表面接觸角進行測量，測試液體為H2O和CH2I2。測試時直接進樣，當測試液為同一種液體時，接觸角隨測量時間的延長而逐漸減小，該試驗在1～2 s時立即拍照，在照片上用切線法測量材料表面接觸角，并計算材料表面能的變化情況。每個試樣至少測12次，去除最大接觸角3個、最小接觸角3個，求剩余6個接觸角的平均值，作為此試樣接觸角的數值。

表面能的計算方法：測量2種參考液體(H2O和CH2I2)在木材表面的接觸角，采用Young- Good- Girifalco- Fowkes方程(簡稱YGGF方程)，結合接觸角數據來計算固體表面能[7]。此次試驗采用的方程[8]如下：

(Ⅰ)

(Ⅱ)

(Ⅲ)

(Ⅳ)

考慮到DBD冷等離子體處理具有時效性，即經DBD冷等離子體處理后竹材表面的接觸角會隨著放置時間的變化而變化，所有的樣品均在處理后1 h內進行表面接觸角的測試。

2 結果與分析

2.1 DBD冷等離子體處理對毛竹表面潤濕性的影響

2.1.1 處理功率對毛竹表面潤濕性的影響。由表1可知，經過DBD冷等離子體處理后，毛竹表面接觸角(H2O和CH2I2)均減小，表面能增大，且隨著處理功率的增大，表面能也基本隨之增大，表明經過DBD冷等離子體處理后，毛竹表面潤濕性得到改善。試驗中，處理功率為5 kW時，毛竹表面能(69.17×10-7J/cm2)較未處理毛竹表面能(35.26×10-7J/cm2)提高了96.17%。

表1 處理功率對毛竹表面潤濕性的影響

Table 1 Effects of treatment power on the surface wettability ofP.heterocycla

處理功率Treat-mentpowerkW接觸角Contactangle∥°H2OCH2I2色散力Dispersionforce×10-7J/cm2極性力Polarforce×10-7J/cm2表面能Surfaceenergy×10-7J/cm2未處理73.9056.4024.5410.7235.26Untreated163.5028.1037.5911.3148.90256.3019.0039.1914.7153.91365.4044.3029.8413.3943.23437.9037.2528.3731.7860.15526.0014.3034.8934.2769.17

2.1.2 處理次數對毛竹表面潤濕性的影響。選擇處理功率為5 kW，考察不同處理次數對毛竹表面潤濕性的影響。由表2可知，當處理次數增加時，毛竹表面與H2O的接觸角逐漸減小，而與CH2I2的接觸角呈現不規律變化，變化范圍不大，基本在20°左右。處理7次后，毛竹表面與H2O的接觸角均為0。從表面能的結果看到，隨著處理次數增加，毛竹表面能增加，處理7次時，毛竹表面能為73.95×10-7J/cm2，較未處理的表面能(35.26×10-7J/cm2)提高了38.69×10-7J/cm2，提高幅度達109.73%，當處理次數繼續增加時，毛竹表面能變化不大，約為74×10-7J/cm2。

表2 處理次數對毛竹表面潤濕性的影響

Table 2 Effects of treatment times on the surface wettability ofP.heterocycla

處理次數Treat-menttimes接觸角Contactangle∥°H2OCH2I2色散力Dispersionforce×10-7J/cm2極性力Polarforce×10-7J/cm2表面能Surfaceenergy×10-7J/cm2未處理73.8856.3825.5410.7235.26Untreated126.0014.2535.0133.7568.76327.3822.0033.0834.3767.45512.3827.7529.7942.3472.137023.3831.0042.9573.959022.2531.3642.6774.0411017.8832.6241.7374.35

綜合表1、2可知，DBD冷等離子體處理毛竹表面，最優工藝為處理功率5 kW，處理7次。

2.2 DBD冷等離子體處理對巨龍竹表面潤濕性的影響

2.2.1 處理功率對巨龍竹表面潤濕性的影響。由表3可知，在處理功率為4 kW時，巨龍竹與H2O的接觸角降低到最小(2.84°)，與CH2I2的接觸角也有較大幅度的降低，為13.58°，在此工藝下巨龍竹的表面能為74.55×10-7J/cm2，為所有處理功率中表面能最大的。

表3 處理功率對巨龍竹表面潤濕性的影響

Table 3 Effects of treatment power on the surface wettability ofD.sinicus

處理功率Treat-mentpower∥kW接觸角Contactangle∥°H2OCH2I2色散力Dispersionforce×10-7J/cm2極性力Polarforce×10-7J/cm2表面能Surfaceenergy×10-7J/cm2未處理38.3041.1026.5132.8459.35Untreated131.3021.9033.6132.0865.69221.8023.1032.1337.5269.65318.0011.3034.7937.0671.8642.8413.5823.6440.9174.55517.6022.2032.0639.1071.18

2.2.2 處理次數對巨龍竹表面潤濕性的影響。選擇處理功率為4 kW來考察不同處理時間對毛竹表面潤濕性的影響。由表4可知，處理功率為4 kW時，經空氣DBD冷等離子體處理后巨龍竹表面的接觸角均減小，表面能均有一定程度的增加，但并不隨著處理時間的延長一直增大。從該試驗結果來看，處理3次時，巨龍竹表面與H2O和CH2I2的接觸角最小，分別為2.83°和13.58°；色散力和極性力分別為33.64×10-7和40.91×10-7J/cm2，表面能為74.55×10-7J/cm2，較未處理的表面能(59.35×10-7J/cm2)提高了15.20×10-7J/cm2，提高幅度為25.61%，在此試驗中處理3次的效果最優。

綜合表3、4可知，DBD冷等離子體處理巨龍竹表面，最優工藝為處理功率4 kW，處理3次。

表4 處理次數對巨龍竹表面潤濕性的影響

Table 4 Effects of treatment times on the surface wettability ofD.sinicus

處理次數Treat-menttimes接觸角Contactangle∥°H2OCH2I2色散力Dispersionforce×10-7J/cm2極性力Polarforce×10-7J/cm2表面能Surfaceenergy×10-7J/cm2未處理38.3041.1026.5132.8459.35Untreated130.3034.9028.3836.2064.5932.8313.5833.6440.9174.55515.0017.1033.3339.0072.3478.9025.3030.5242.5173.03911.2019.5032.4640.6173.071112.2012.4034.1839.1571.18

3 小結

采用DBD冷等離子體處理毛竹和巨龍竹表面，結果表明：①經DBD冷等離子體處理后，毛竹和巨龍竹表面潤濕性均得到明顯改善；②DBD冷等離子體處理毛竹的最優工藝為處理功率5 kW，處理7次；③DBD冷等離子體處理巨龍竹的最優工藝為處理功率4 kW，處理3次。

[1] 以竹代木前景好[J].農村實用技術，1999(1)：54-55.

[2] 黃永平.以竹代木 以竹代鋼：“柳星”牌竹膠合混凝土模板年節約木材30萬[J].廣西林業，2006(6)：29.

[3] 一山.竹子性能新發現[J].湖南林業，2006(3)：18.

[4] 周芳純.竹材的缺陷及其處理[J].竹類研究，1991(1)：72-83.

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[6] 張齊生.我國竹類資源利用應當注意的幾個問題[J].廣西節能，2003(4)：38.

[7] 陳存及，唐小麗.福建竹業發展的基礎與前景[J].竹子研究匯刊，2002，21(3)：13-20.

[8] 李篤信，賈德民.等離子體技術對高分子材料的表面改性[J].高分子材料科學與工程，1999，15(3)：172-175.

[9] HOLLAHAN J R，BELL A T.Techniques and applications of plasma chemistry[M].New York：John Wiley，1974.

[10] 沈鐘.膠體與表面化學[M].北京：化學工業出版社，2004.

Effects of DBD Cold Plasma Processing on the Surface Wettability of Two Bamboo Materials

WANG Hong-yan1, LI Bo2, ZHAO Fei2et al

(1.Zhejiang Key Laboratory of Bamboo Research, Zhejiang Forestry Academy, Hangzhou, Zhejiang 310023; 2.Southwest Forestry University, Kunming, Yunan 650224)

[Objective] To improve the surface wettability of bamboo forest. [Method] The surfaces ofPhyllostachysheterocyclacv.pubescensandDendrocalamussinicuswere treated by DBD (Dielectric Barrier Discharge) cold plasma. Effects of DBD cold plasma treatment on the surface wettability of two bamboos were researched. [Result] After DBD cold plasma treatment, the surface wettability of two kinds of bamboos were improved significantly. The optimal technology for DBD cold plasma treatment ofP.heterocyclawas as follows: 5 kW treatment power and 7 treatment times. And the optimal technology forD.sinicuswas 5 kW treatment power and 3 treatment times. [Conclusion] DBD cold plasma treatment significantly enhances the surface wettability of bamboo.

Dieletric Barrier Discharge; Cold plasma;Phyllostachysheterocyclacv.pubescens;Dendrocalamussinicus; Wettability

浙江省林業工程重中之重一級學科開放基金項目(2014lygcy026)；浙江省公益技術農業項目(2015C32087)。

王洪艷(1984-)，女，湖北荊州人，助理研究員，博士，從事人造板及膠黏劑的研究。

2016-08-31

S 785

A

0517-6611(2016)29-0167-02