等离子体处理对高温干燥杨木单板表面性能的影响

NGUYEN Thiphuong，陈卫民，曹倚中，陈敏智，周晓燕*，NGUYEN Quangtrung, NGUYEN Hongminh

(1.南京林业大学材料科学与工程学院, 南京 210037; 2.越南林业科学院木材工业研究所, 河内 100803)

等离子体处理对高温干燥杨木单板表面性能的影响

NGUYEN Thiphuong1,2，陈卫民1，曹倚中1，陈敏智1，周晓燕1*，NGUYEN Quangtrung2, NGUYEN Hongminh2

(1.南京林业大学材料科学与工程学院, 南京 210037; 2.越南林业科学院木材工业研究所, 河内 100803)

单板在高温干燥条件下表面会发生钝化，表面活性下降，从而影响胶合性能。利用常压低温等离子体处理高温干燥杨木单板，以改善其表面特性，提高胶合性能。主要研究了等离子体处理功率和处理速率对高温干燥杨木单板表面特性及界面胶合性能的影响。研究结果表明：等离子体处理可明显提高单板表面的润湿性，当处理功率为4.5 kW、处理速率为2 m/min时，脲醛树脂胶和酚醛树脂胶在杨木单板表面的初始接触角和平衡接触角分别降低了18.2%，17.8%和40.4%，38.8%，脲醛树脂和酚醛树脂胶所制胶合板的胶合剪切强度分别增加了56.0%和51.5%。等离子体处理后脲醛树脂在高温干燥杨木单板所制胶合板的胶合界面中的渗透深度明显提高，胶合界面的平均渗透深度和有效渗透深度增幅分别为80.0%和61.9%。等离子体处理后，高温干燥杨木单板表面羰基数量有所增加。

高温干燥；常压低温等离子体；胶合板；表面性能

胶合板具有尺寸稳定性好、纹理美观、制造工艺相对简单、应用广泛等特点，而单板质量决定了胶合板的质量和成本[1]。在胶合板生产过程中，单板干燥是一个重要工序，直接影响胶合板生产效率和质量。而除了原料和胶黏剂，能源消耗也是胶合板产品的主要成本之一。据统计，能源消耗约占胶合板总成本的25%，其中，单板干燥过程的热能消耗占总能耗的75%以上[2-5]。为节约能源并提高生产效率，已有研究采用高温快速干燥代替原有的干燥技术[6-8]。但高温快速干燥会导致单板表面“钝化”，降低其表面反应活性，影响胶合性能[9]。

近年来，等离子体处理技术已逐渐在木材科学与技术领域得到研究和应用。等离子体处理能使木材表面产生大量的自由基，使木材表面活化，从而进一步引入特定官能团，达到改善木材表面特性的目的[10-13]。此外，等离子体处理对单板表面有刻蚀作用，可以提高单板表面的粗糙度，有利于胶黏剂在单板表面的扩散与渗透。笔者研究了等离子体处理对高温干燥杨木单板表面接触角、胶合板胶合强度、胶黏剂在单板表面的渗透以及单板表面化学组分的影响，以期实现高温干燥杨木单板有效胶合的目的。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

杨树(Populusspp.)单板购自金湖泓达木业有限公司，初始含水率12%～15%，厚度(1.50±0.12)mm。 脲醛树脂胶(UF)，黏度86.64 mm2/s，固体含量50%；酚醛树脂胶(PF)，黏度109.78 mm2/s，固体含量52%，均购自上海太尔(化工)有限公司。

X16型平板硫化热压机，中国青岛亚东橡机有限公司；Theta型光学接触角测量仪，瑞典百欧林科技有限公司；NICOLET3802-6型红外光谱仪，美国Thermo electronic公司；K-Alpha型X 射线光电子能谱仪(XPS)，美国Thermo Scientific公司；Olympus BX51荧光显微镜，日本Olympus公司；恒温水浴槽；钢板尺，精度为1 mm；天平，精度0.01 g；SANS微机控制电子万能力学试验机，深圳SANS公司。

1.2 试验方法

1.2.1 杨木单板高温干燥

将单板置于压机中，在无压力的情况下利用上下压板的温度(230℃)进行单板干燥。将杨木单板裁成300 mm×300 mm的规格进行干燥，干燥时间为3 min，而常规干燥条件为120℃。

1.2.2 等离子体处理

采用ZD-1000B型常压低温等离子体连续处理装置(南京苏曼有限公司和南京林业大学联合研制)对高温干燥杨木单板进行处理，处理参数如表1所示。

表1 常压等离子体处理工艺参数Table 1 The parameters of atmospheric plasmatreatment technology

1.2.3 性能检测

采用高温干燥单板制备胶合板，预压压力0.8 MPa，预压时间20 min，热压时间按胶合板厚度计算，分别为60和70 s/mm，热压压力1.0和1.1 MPa，热压温度110和135℃，单面涂胶量120和140 g/m2。

胶合强度参照GB/T 9846—2015《普通胶合板》进行测试，其中，UF和PF树脂所制胶合板分别按Ⅱ类和I类剪切强度进行测试。每组工艺条件制取 32个试件，结果取平均值。

选择表面相对较平整的杨木单板制成100 mm(顺纹)×10 mm的试样，利用光学接触角测量仪测定UF和PF树脂在杨木单板表面的接触角。在每组试样上滴10滴树脂求得接触角平均值，每滴树脂经900 s达到平衡状态后进行测定。

以五层胶合板为试件，对胶黏剂在单板表面的渗透进行分析。在五层胶合板厚度方向切出30 μm的薄片，使用甲苯胺蓝为染色剂研究UF胶的胶合渗透，而含有PF胶的薄片则直接采用荧光显微镜分析胶黏剂的渗透深度。胶黏剂在木质材料中的渗透量化指标包括有效渗透深度(SEP)和平均渗透深度(SAP)。有效渗透深度是胶黏剂在基材中的渗透面积除以胶线长度值；平均渗透深度是指胶黏剂在基材中5个最大渗透深度的平均值。通过图像分析软件可以看到胶黏剂和基材间的明暗对比，并测出胶黏剂在基材中的渗透深度和渗透面积。SEP和SAP可分别通过公式(1)和(2)求得：

新时期，我们要重视舞蹈对中老年人的作用，丰富他们的生活方式，帮助他们养成健康的生活习惯。在舞蹈培训与辅导过程中，要将情感贯穿于舞蹈教学的始终，提高舞蹈活动的亲和力和感染力，激发中老年人的学习兴趣。通过舞蹈活动，愉悦中老年人的心情，树立积极、乐观和健康的生活态度，提高生活的质量。

(1)

(2)

式中：Ai为第i个胶黏剂渗透区域面积，μm2；n为胶黏剂渗透区域数量；X0为测量范围内的胶线长度，μm，本试验胶线长度为1 700～1 850 μm；yi为从界面基材表面到胶黏剂在基材中的5个最深渗透位置间的距离，μm。

采用FT-IR和XPS分析杨木单板表面的化学组分。将杨木单板干燥后切成规格为10 mm×10 mm的试样，然后以4.5 kW和8 m/min的等离子体处理工艺对样品进行处理，之后立刻进行测试。

2 结果与分析

2.1 高温干燥杨木单板的表面特性

当干燥温度为120℃时，UF和PF胶所制胶合板的胶合强度分别为0.94和0.98 MPa，均已达到国家标准要求(≥0.7 MPa)。当干燥温度为230℃时，UF和PF胶所制造胶合板的胶合强度分别为0.50和0.72 MPa，与120℃常规干燥相比，胶合强度分别降低了46.8%和26.5%。这是因为杨木单板中木质素、半纤维素和纤维素等成分在高温条件下发生了降解，导致单板表面钝化，阻碍了胶黏剂向单板内部的渗透，从而影响了胶合板的胶合强度。

高温干燥对杨木单板接触角的影响见表2。当干燥温度为230℃时，UF胶在杨木单板表面的初始角和平衡角与120℃常规干燥单板相比分别增加了15.2%和33.3%，PF胶的初始角和平衡角分别为129°和67°，分别增加了20.6%和59.5%。这是因为热处理木材的吸水性会有所降低[4]，在230℃干燥条件下，杨木单板表面部分纤维被炭化，降低了单板表面的亲水性，胶在单板表面不容易扩散。

表2 高温干燥对杨木单板接触角的影响Table 2 Effects of high temperature drying on thecontact angle of poplar veneer

2.2 等离子体处理对高温干燥单板表面润湿性的影响

等离子体处理功率对高温干燥单板表面接触角的影响见表3。由表3可知，在不同等离子体处理功率下，UF和PF胶在杨木单板表面的初始角和平衡角发生显著变化。随着处理功率的增加，UF和PF胶在杨木单板表面的初始角和平衡角均有下降的趋势。当处理功率为6.0 kW时，UF胶的初始角和平衡角达到最小，相比未处理时分别降低了16.5%与42.3%，PF胶的初始角和平衡角分别下降了17.1%与40.3%。这是因为等离子体处理功率越大，等离子体活性成分动能越强，对单板表面纤维的刻蚀能力越强，这会大大提高单板表面的粗糙度，加快胶在单板表面的扩散[13]。

表3 处理功率对高温干燥单板表面接触角的影响Table 3 Influence of plasma treatment power on thesurface contact angle of high-temperature-dried veneers

表4 处理速率对高温干燥单板表面接触角的影响Table 4 Influence of plasma treatment rate on the surfacecontact angle of high-temperature-dried veneers

2.3 等离子体处理对胶黏剂在高温干燥单板表面渗透性的影响

4.5 kW和8 m/min等离子体处理条件前后UF和PF胶在杨木胶合板中的渗透如图1所示。由图1可知，UF和PF胶在等离子体处理后的高温干燥单板所制胶合板胶合界面的渗透深度明显增加。结合公式(1)和(2)的计算结果(表5)来看，等离子体处理后，UF胶在杨木胶合板胶合界面的平均渗透深度和有效渗透深度分别增加了80.0%和61.9%，PF胶的平均渗透深度和有效渗透深度分别增加了165.0%和35.2%。由此可见，等离子体处理对UF和PF胶在杨木胶合板胶合界面的渗透深度有明显影响，有利于UF和PF胶在杨木胶合板胶合界面的渗透。高温干燥杨木单板经常压低温等离子体处理后，胶黏剂与木材的接触面积增加，形成无数的胶钉，增强了机械嵌合作用，有利于提高胶合强度。

图1 等离子体处理前后UF和PF胶在杨木胶合板中的渗透Fig. 1 Permeation of UF and PF resins between poplar veneers before and after plasma treatment

处理条件胶黏剂种类平均渗透深度有效渗透深度均值/μm标准差/μm变异系数/%均值/μm标准差/μm变异系数/%处理前UF6741562316327429PF6921752537140563处理后UF121333727810244431PF18345182829639406

2.4 等离子体处理对高温干燥单板所制胶合板胶合强度的影响

等离子体处理对高温干燥单板所制胶合板胶合强度的影响见图2。从图2a可以看出，随着处理功率的增大，胶合板的胶合性能明显提高。当等离子体处理功率为6.0 kW时，UF胶所制胶合板的胶合强度相比未处理时增加了52.0%，PF胶所制胶合板的胶合强度增加了57.4%。这是因为处理功率越大，等离子体刻蚀产生的单板表面粗糙度越高，胶黏剂在胶合界面的渗透性越好，提高了胶合板的胶合强度。

等离子体处理速率对UF和PF胶所制胶合板的胶合强度影响见图2b。随着处理速率的降低，胶合板胶合强度逐渐提高。当等离子体处理速率为2 m/min时，UF和PF胶所制胶合板的胶合强度相比未处理时分别增加了56.0%和51.5%。等离子体处理速率降低，杨木单板在等离子体氛围内的处理时间增加，等离子体处理效果较强，从而提高了胶合强度。此外，由图2还可以看出，处理功率对PF胶所制胶合板的胶合强度影响更大，而处理速率对UF胶所制胶合板的胶合强度影响更大。

图2 等离子体处理对高温干燥单板所制胶合板胶合强度的影响Fig. 2 Effects of plasma treatments on bonding strength of plywood made of high-temperature-dried veneers

2.5 等离子体处理对高温干燥单板表面化学组分的影响

未处理与4.5 kW和8 m/min处理后杨木单板表面的FT-IR图谱见图3。由图3可知，杨木中的甲基、亚甲基、半纤维素和木质素等特征峰经常压低温等离子体处理后仍然非常明显[14-15]，但其他一些特征峰则发生了变化，如1 031和1 156 cm-1处的峰强度增加说明C—O数量有所增加，2 848 cm-1处的峰强度增加则说明C—H数量有所增加。这说明等离子体处理产生的高能量粒子和活性粒子能量，可使杨木表面的半纤维素氧化，木质素降解或者氧化，使胶黏剂在单板表面更容易渗透，从而提高胶合强度。

为进一步确定干燥温度对杨木单板表面官能团的影响，采用Lorentzian-Gaussian函数对X射线光电子能谱宽扫描中的C1s谱峰进行分峰拟合，结果如图4所示。

图3 未处理与4.5 kW和8 m/min处理后杨木单板表面的FT-IR图谱Fig. 3 The FT-IR spectrum of untreated and 4.5 kWand 8 m/min treated poplar veneer surface

图4 未处理与4.5 kW和8 m/min处理后杨木单板XPS的C1s分峰图谱Fig. 4 The XPS C1s spectra of untreated and 4.5 kW and 8 m/min treated poplar veneers

处理条件C元素质量分数/%C1C2C3C4未处理65492637554224处理后54083344924324

3 结 论

1)杨木单板在230℃的干燥条件下，UF和PF胶在单板表面的接触角明显增大，胶合板胶合性能明显下降。高温干燥单板所制胶合板相比常规干燥单板所制胶合板的胶合强度分别下降了46.8%(UF胶)和26.5%(PF胶)。

2)随着处理处理功率的增大，UF和PF胶在高温干燥杨木单板表面的初始角和平衡角有所减小，胶合板胶合性能有所提高。当处理工艺为6.0 kW和8 m/min时，UF和PF胶所制胶合板的胶合强度相比未处理时分别提高了52.0%和57.4%。随着处理速率的减小，UF和PF胶在高温干燥杨木单板表面的初始角和平衡角有所降低，胶合板胶合性能有所提高。当处理工艺为4.5 kW和2 m/min时，UF和PF胶所制胶合板的胶合性能相比未处理时分别提高了56.0%和51.5%。

4)常压低温等离子体处理能够提高高温干燥杨木单板的胶合特性，实现有效胶合。这主要是利用等离子体的活性成分对杨木表面的刻蚀作用，增大杨木单板的表面粗糙度，有利于胶黏剂在单板表面的扩散与渗透，从而提高胶合板的胶合强度。

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Effectofplasmatreatmentonsurfacepropertiesofhightemperaturedriedpoplarveneers

NGUYEN Thiphuong1,2, CHEN Weimin1, CAO Yizhong1, CHEN Minzhi1,ZHOU Xiaoyan1*, NGUYEN Quangtrung2, NGUYEN Hongminh2

(1. College of Materials Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China;2. Vietnamese Acacdemy of Forest Sciences, Research Institute of Forestry Industry, Hanoi 100803, Vietnam)

Through the high temperature drying, poplar veneer surfaces can undergo passivation and the surface activity of poplar veneer reduced. As a result, the plywood bonding strength was affected. In this paper, the atmospheric cold plasma was used to modify poplar veneer surfaces for better surface properties and bonding performance. The plywood was prepared by using the veneers that were high-temperature-dried and then plasma-treated. Two main parameters of plasma modification, i.e., plasma processing rate and plasma processing power were adjusted for studying the influence on surface properties of poplar veneers and bonding strength of the modified plywood. The results showed that the plasma treatment can significantly improve the wettability of poplar veneer surfaces. The initial contact angle and equilibrium contact angle of urea-formaldehyde (UF) resin decreased by 18.2% and 17.8% when plasma processing power and processing rate were set to 4.5 kW and 2 m/min, respectively. While the initial contact angle and equilibrium contact angle of phenol-formaldehyde (PF) resin decreased by 40.4% and 38.8%, respectively. Correspondingly, the bonding strength of the plywood prepared by UF and PF resin increased by 56.0% and 51.5%, respectively. The results of further analysis showed that the content of carbonyl on plasma treated high-temperature-dried poplar veneer surfaces increased slightly. After the plasma treatment, the penetration depth of resin into high-temperature-dried poplar veneer significantly increased as well. The average penetration depth of the UF resin into interface increased by 80.0%, while the effective penetration depth of bonding interface increased by 61.9%. After the plasma treatment, the amount of carbonyl on the surface of high temperature dried poplar veneers was increased.

high temperature drying; atmospheric cold plasma; plywood; surface property

2017-03-31

2017-06-13

国家重点研发计划(2016YFD0600702)；林业科技成果国家级推广项目([2016]42)；江苏省“333工程”资助科研项目(BRA2016381)；江苏省科技厅前瞻性联合研究项目(BY2016006-03)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)。

NGUYEN Thiphuong，女，博士，研究方向为人造板与胶黏剂。

周晓燕，女，教授。E-mail:zhouxiaoyan@njfu.edu.cn

S781

A

2096-1359(2017)06-0015-06