介质阻挡放电冷等离子体处理对2种竹材表面润湿性的影响

王洪艳，李 波，赵 飞，李 琴，杜官本

(1.浙江省林业科学研究院浙江省竹类研究重点实验室，浙江杭州 310023；2.西南林业大学，云南昆明 650224)



介质阻挡放电冷等离子体处理对2种竹材表面润湿性的影响

王洪艳1，李 波2，赵 飞2，李 琴1，杜官本2

(1.浙江省林业科学研究院浙江省竹类研究重点实验室，浙江杭州 310023；2.西南林业大学，云南昆明 650224)

[目的]改善竹材表面润湿性。[方法]采用介质阻挡放电(DBD)冷等离子体分别处理毛竹和巨龙竹表面，研究处理对2种竹材表面润湿性的影响。[结果]经DBD冷等离子体处理后，毛竹和巨龙竹表面润湿性均得到明显改善；DBD冷等离子体处理毛竹的最优工艺为处理功率5 kW，处理7次；DBD冷等离子体处理巨龙竹的最优工艺为处理功率4 kW，处理3次。[结论]DBD冷等离子体处理能明显改善2种竹材表面润湿性。

介质阻挡放电；冷等离子体；毛竹；巨龙竹；润湿性

竹材生长速度快、生态功能性强，在世界范围内分布广泛，竹林被称为“世界第二大森林”[1-3]。与木材相比，竹材结构相对复杂，主要由竹青、竹肉和竹黄组成。竹青组织致密，质地比较坚硬，表面光滑，附有一层蜡质，润湿性较差；竹黄组织疏松，质地比较脆弱，润湿性也比较差[4-5]。竹材难以涂胶和涂饰的缺点，给其实现工业产业化带来一定的负面影响[6-7]。

自20世纪60年代以来，关于等离子体技术特别是冷等离子体技术对高分子材料表面改性的研究十分活跃，应用越来越广泛[8-9]。竹材是一种高分子材料，对其进行表面改性是经济有效地开发新材料的重要途径。

笔者采用介质阻挡放电(DBD)冷等离子体分别对毛竹(Phyllostachysheterocyclacv.pubescens)和巨龙竹(Dendrocalamussinicus)表面进行处理，研究处理对这2种竹材表面润湿性的影响，以期改善竹材表面润湿性。

1 材料与方法

1.1 材料 毛竹竹片，购于安吉恒丰竹木产品有限公司，约为3年生；巨龙竹取自云南省西双版纳州景洪市，3年生，不是新伐材，去青去黄刨片。

1.2 仪器与试剂 ZD-1000C型冷等离子体木板表面处理系统(南京苏曼电子有限公司生产)； JC2000型静滴接触角测定仪(上海中晨数字技术设备有限公司生产)。二碘甲烷(CH2I2，化学纯，95%)，购于阿拉丁试剂网；蒸馏水(H2O)，市购。

1.3 方法

1.3.1 DBD冷离子体处理竹材表面。开启冷等离子体设备，调整好一定功率(共设置0、1、2、3、4、5 kW共6个处理)，传送带速度为12 m/min。将材料放置于进口传送带上，材料自动从进口进入，经过等离子体表面处理，从出口出来，如此循环1次为处理1次(共设置0、1、3、5、7、9、11次共7个处理)。处理时间通过处理次数来实现，处理时工作气体为空气，处理时为双面处理。

1.3.2 竹材表面接触角的测定及表面能的计算。采用静态液滴法对毛竹和巨龙竹表面接触角进行测量，测试液体为H2O和CH2I2。测试时直接进样，当测试液为同一种液体时，接触角随测量时间的延长而逐渐减小，该试验在1～2 s时立即拍照，在照片上用切线法测量材料表面接触角，并计算材料表面能的变化情况。每个试样至少测12次，去除最大接触角3个、最小接触角3个，求剩余6个接触角的平均值，作为此试样接触角的数值。

表面能的计算方法：测量2种参考液体(H2O和CH2I2)在木材表面的接触角，采用Young- Good- Girifalco- Fowkes方程(简称YGGF方程)，结合接触角数据来计算固体表面能[7]。此次试验采用的方程[8]如下：

(Ⅰ)

(Ⅱ)

(Ⅲ)

(Ⅳ)

考虑到DBD冷等离子体处理具有时效性，即经DBD冷等离子体处理后竹材表面的接触角会随着放置时间的变化而变化，所有的样品均在处理后1 h内进行表面接触角的测试。

2 结果与分析

2.1 DBD冷等离子体处理对毛竹表面润湿性的影响

2.1.1 处理功率对毛竹表面润湿性的影响。由表1可知，经过DBD冷等离子体处理后，毛竹表面接触角(H2O和CH2I2)均减小，表面能增大，且随着处理功率的增大，表面能也基本随之增大，表明经过DBD冷等离子体处理后，毛竹表面润湿性得到改善。试验中，处理功率为5 kW时，毛竹表面能(69.17×10-7J/cm2)较未处理毛竹表面能(35.26×10-7J/cm2)提高了96.17%。

表1 处理功率对毛竹表面润湿性的影响

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

处理功率Treat-mentpowerkW接触角Contactangle∥°H2OCH2I2色散力Dispersionforce×10-7J/cm2极性力Polarforce×10-7J/cm2表面能Surfaceenergy×10-7J/cm2未处理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 处理次数对毛竹表面润湿性的影响。选择处理功率为5 kW，考察不同处理次数对毛竹表面润湿性的影响。由表2可知，当处理次数增加时，毛竹表面与H2O的接触角逐渐减小，而与CH2I2的接触角呈现不规律变化，变化范围不大，基本在20°左右。处理7次后，毛竹表面与H2O的接触角均为0。从表面能的结果看到，随着处理次数增加，毛竹表面能增加，处理7次时，毛竹表面能为73.95×10-7J/cm2，较未处理的表面能(35.26×10-7J/cm2)提高了38.69×10-7J/cm2，提高幅度达109.73%，当处理次数继续增加时，毛竹表面能变化不大，约为74×10-7J/cm2。

表2 处理次数对毛竹表面润湿性的影响

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

处理次数Treat-menttimes接触角Contactangle∥°H2OCH2I2色散力Dispersionforce×10-7J/cm2极性力Polarforce×10-7J/cm2表面能Surfaceenergy×10-7J/cm2未处理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

综合表1、2可知，DBD冷等离子体处理毛竹表面，最优工艺为处理功率5 kW，处理7次。

2.2 DBD冷等离子体处理对巨龙竹表面润湿性的影响

2.2.1 处理功率对巨龙竹表面润湿性的影响。由表3可知，在处理功率为4 kW时，巨龙竹与H2O的接触角降低到最小(2.84°)，与CH2I2的接触角也有较大幅度的降低，为13.58°，在此工艺下巨龙竹的表面能为74.55×10-7J/cm2，为所有处理功率中表面能最大的。

表3 处理功率对巨龙竹表面润湿性的影响

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

处理功率Treat-mentpower∥kW接触角Contactangle∥°H2OCH2I2色散力Dispersionforce×10-7J/cm2极性力Polarforce×10-7J/cm2表面能Surfaceenergy×10-7J/cm2未处理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 处理次数对巨龙竹表面润湿性的影响。选择处理功率为4 kW来考察不同处理时间对毛竹表面润湿性的影响。由表4可知，处理功率为4 kW时，经空气DBD冷等离子体处理后巨龙竹表面的接触角均减小，表面能均有一定程度的增加，但并不随着处理时间的延长一直增大。从该试验结果来看，处理3次时，巨龙竹表面与H2O和CH2I2的接触角最小，分别为2.83°和13.58°；色散力和极性力分别为33.64×10-7和40.91×10-7J/cm2，表面能为74.55×10-7J/cm2，较未处理的表面能(59.35×10-7J/cm2)提高了15.20×10-7J/cm2，提高幅度为25.61%，在此试验中处理3次的效果最优。

综合表3、4可知，DBD冷等离子体处理巨龙竹表面，最优工艺为处理功率4 kW，处理3次。

表4 处理次数对巨龙竹表面润湿性的影响

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

处理次数Treat-menttimes接触角Contactangle∥°H2OCH2I2色散力Dispersionforce×10-7J/cm2极性力Polarforce×10-7J/cm2表面能Surfaceenergy×10-7J/cm2未处理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 小结

采用DBD冷等离子体处理毛竹和巨龙竹表面，结果表明：①经DBD冷等离子体处理后，毛竹和巨龙竹表面润湿性均得到明显改善；②DBD冷等离子体处理毛竹的最优工艺为处理功率5 kW，处理7次；③DBD冷等离子体处理巨龙竹的最优工艺为处理功率4 kW，处理3次。

[1] 以竹代木前景好[J].农村实用技术，1999(1)：54-55.

[2] 黄永平.以竹代木 以竹代钢：“柳星”牌竹胶合混凝土模板年节约木材30万[J].广西林业，2006(6)：29.

[3] 一山.竹子性能新发现[J].湖南林业，2006(3)：18.

[4] 周芳纯.竹材的缺陷及其处理[J].竹类研究，1991(1)：72-83.

[5] 唐永裕.我国竹材加工工业的现状及发展[J].竹子研究汇刊，1999，18(4)：5-10.

[6] 张齐生.我国竹类资源利用应当注意的几个问题[J].广西节能，2003(4)：38.

[7] 陈存及，唐小丽.福建竹业发展的基础与前景[J].竹子研究汇刊，2002，21(3)：13-20.

[8] 李笃信，贾德民.等离子体技术对高分子材料的表面改性[J].高分子材料科学与工程，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] 沈钟.胶体与表面化学[M].北京：化学工业出版社，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

浙江省林业工程重中之重一级学科开放基金项目(2014lygcy026)；浙江省公益技术农业项目(2015C32087)。

王洪艳(1984-)，女，湖北荆州人，助理研究员，博士，从事人造板及胶黏剂的研究。

2016-08-31

S 785

A

0517-6611(2016)29-0167-02