等離子體對竹材表面改性的相關研究

黃 港

（成都大學 機械工程學院，四川 成都 610106）

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[1]。

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%[2-4]。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[5-6]。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[7]。

1 等離子體表面改性機理

氣體等離子體可以通過將所需氣體引入真空室（通常為0.1～10.0 Torr）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[8]。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[9]。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[10]。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。

2 等離子體對竹材表面潤濕性和膠合性的影響

王洪艷等[11]通過使用介質阻擋放電冷等離子體對毛竹和巨龍竹表面潤濕性進行了研究。針對毛竹，結果表明，當處理功率從1 kW增加到5 kW時，表面水的接觸角隨著功率的增大而減小，而表面能呈現相反趨勢。當處理次數從1次增加到11次時，表面水的接觸角逐漸減小，處理7次后為0°，而表面能逐漸增加。針對巨龍竹，結果表明，當處理功率從 1 kW增加到5 kW時，表面水的接觸角隨著功率的增大先減小后增大，在4 kW時達到最小值2.84°，而表面能逐漸增大。當處理次數從1次增加到11次時，處理3次時，接觸角為2.83°（效果最好）。

巫其榮等[12]研究了不同工質氣體放電對毛竹竹壁各部位表面潤濕性的影響。當氧氣作為工質氣體時，在160 W功率以及90 s放電時間下，竹黃接觸角減小48.32%、竹肉接觸角減小43.59%、竹青接觸角減小55.44%。在相同條件下，當氬氣作為工質氣體時，竹黃接觸角減小28.78%、竹肉接觸角減小23.46%、竹青接觸角減小48.06%。對比發現，利用氧氣作為工質氣體時影響更大。

杜官本等[13]研究了微波等離子體放電的不同反應距離對甜龍竹表面潤濕性的影響。在同樣的處理條件下，竹材試件距反應腔越近，短時間內，竹材接觸角減小的幅度越大，總體處理效果也越好。

Wang等[14]研究了輝光放電對綠竹表面潤濕性的影響。經過輝光放電等離子體在150 W、5 min條件下的處理后，竹材表面由疏水性變為親水性，初始接觸角從115°減小到14°，這種接觸角的減小與使用低壓冷射頻等離子體放電處理竹材相似。但是隨著時間的推移，接觸角逐漸恢復。

王洪艷等[15]利用射頻等離子體，在不同工質氣體下，對巨龍竹表面膠合性能進行了研究。結果表明，使用N2、O2、Ar 3種不同工質氣體處理巨龍竹后，膠合強度均有所增加，并且區別不大。造成這種結果的原因是，利用等離子體處理巨龍竹表面后，接觸角為0°，且自由能差別不大。

3 結論和展望

主要針對等離子體與材料的相互作用，介紹了冷等離子體處理對竹材表面改性。首先介紹了等離子體表面改性的機理，這對理解表面改性技術是非常必要的。其次，針對等離子體處理對竹材表面潤濕性、膠合性方面的影響以及不同放電類型和放電氣體對竹材表面改性的影響也進行了綜述。

利用等離子體對竹材表面進行改性有較好的發展前景，發展方向：

（1）深入探究等離子體表面改性技術機理，找出表面化學變化的原因和機理[16]。

（2）發展等離子體表面改性過程中的原位診斷技術。

（3）優化工藝參數和工藝步驟，實現商業與工業化應用。