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木材膠合界面顯著影響木質(zhì)工程材料的應(yīng)力/應(yīng)變傳遞,因此對(duì)木材膠合界面的改性可有效增強(qiáng)木質(zhì)工程材料的宏觀力學(xué)性能。近年來,高效可控的低溫等離子體被認(rèn)為十分適用于增強(qiáng)木材膠合界面及木質(zhì)工程材料的力學(xué)性能。低溫等離子體可在空氣中激發(fā),其內(nèi)部包含多種高能粒子(如電子、離子、原子以及光子等),可以引起木材表面化學(xué)鍵的斷裂或重組。此外,如表1.1中所列,與砂光和熱改性等傳統(tǒng)木材表面改性技術(shù)相比,低溫等離子體改性具有改性速度快、效率高和改性過程環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),十分契合社會(huì)綠色可持續(xù)發(fā)展需求。研究表明,低溫等離子體改性會(huì)造成木材表面刻蝕和氧化,以上兩點(diǎn)均能顯著提高木材表面自由能,改善涂料或膠黏劑在其表面的潤(rùn)濕性和滲透性。

低溫等離子體對(duì)木材的刻蝕

低溫等離子體對(duì)木材表面的刻蝕作用可以去除弱邊界層,提高表面的粗糙度,增大木材的比表面積,可以改善膠黏劑和涂料在木質(zhì)表面的潤(rùn)濕性。如圖1.11所示,研究者發(fā)現(xiàn)低溫等離子改性的刻蝕作用會(huì)降低木材細(xì)胞壁厚度,改性后木材細(xì)胞壁次生壁上會(huì)出現(xiàn)大小不一的凹孔,這是由于低溫等離子體改性過程中木材細(xì)胞壁內(nèi)芳香族和脂肪族高聚物發(fā)生降解。細(xì)胞壁厚度的減少和凹孔的出現(xiàn)有利于促進(jìn)膠黏劑在細(xì)胞壁內(nèi)的滲透和填充,并與細(xì)胞壁中的大分子形成交聯(lián)結(jié)構(gòu),增強(qiáng)膠黏劑和木材的機(jī)械嚙合作用,從而成功提高膠合界面內(nèi)細(xì)胞壁的力學(xué)性能。此外,研究結(jié)果表明,幾乎所有的低溫等離子改性方式均能在木材表面形成刻蝕,提高膠黏劑木材表面的接觸面積,從而成功增強(qiáng)界面的膠合強(qiáng)度。

圖1.1 1掃描電子顯微鏡下低溫等離子體改性前后的木材早材細(xì)胞壁(a、c)和晚材細(xì)胞壁(b、d)

低溫等離子體對(duì)木材的氧化

木質(zhì)單板表面含氧基團(tuán)的數(shù)量和種類影響其表面的潤(rùn)濕性,對(duì)木質(zhì)工程材料的膠合性能具有重要的意義。研究表明,活性含氧基團(tuán)(主要包括羥基、羧基和羰基)與水分子會(huì)形成氫鍵,促進(jìn)水及水分散的大分子在材料表面的潤(rùn)濕。如圖1.12所示,經(jīng)過低溫等離子體改性麥秸表面出現(xiàn)大量帶負(fù)電荷的含氧基團(tuán)(包括羥基、醚鍵和C=O等),從而提高單板表面的極性力,促進(jìn)膠黏劑在其表面的鋪展。此外,通過低溫等離子體改性成功引入的含氧基團(tuán)還可能與膠黏劑大分子產(chǎn)生共價(jià)鍵作用,這也有利于促進(jìn)膠黏劑在其表面的潤(rùn)濕性,提高膠合強(qiáng)度。針對(duì)低溫等離子體氧化木質(zhì)材料表面機(jī)理的研究證實(shí),低溫等離子體內(nèi)部高能粒子轟擊木材表面會(huì)產(chǎn)生大量自由基,其中包括反應(yīng)性較高的含氧自由基。上述研究結(jié)果證實(shí),低溫等離子體改性的木質(zhì)材料的氧化主要通過自由基反應(yīng)完成,相關(guān)反應(yīng)位點(diǎn)主要出現(xiàn)在木質(zhì)大分子結(jié)構(gòu)內(nèi)較弱的化學(xué)鍵,如纖維素β-糖苷鍵和木質(zhì)素β-O-4結(jié)構(gòu)內(nèi)Cβ-O共價(jià)鍵上。

圖1.12未處理麥秸和等離子體處理麥秸的測(cè)量掃描和高分辨率XPS光譜

低溫等離子體改性能夠氧化并刻蝕木材表面,改性后木材表面極性含氧官能團(tuán)(包括羥基、羰基和羧基)的相對(duì)含量提高，這能夠促進(jìn)膠黏劑向木材細(xì)胞腔和細(xì)胞壁內(nèi)滲透,構(gòu)建更牢固的互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),改性木材膠合界面內(nèi)細(xì)胞壁的靜力學(xué)性能得到增強(qiáng)。