冷等离子体改性对木质单板表界面作用机理的研究

发布时间：2017-05-01 16:01

  本文关键词：冷等离子体改性对木质单板表界面作用机理的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：速生材较好地解决了人造板生产原料供应紧张的矛盾,但由于速生材生长周期短,材质疏松,导致其强度低、易变形,限制了使用范围。因此,对速生材进行改性处理已成为木材工业界当前的热点研究课题。本论文以速生材杨木为研究对象,利用冷等离子体对其表面进行改性处理,系统研究了冷等离子体处理对杨木表面特性(包括表面形貌、表面润湿性和表面化学特性)以及界面胶合特性的影响,阐明了冷等离子体改性增强杨木界面胶合性能的作用机理,优化了冷等离子体处理工艺(包括处理气氛、处理时间、放电功率等),同时从杨木表面特性和界面胶合特性等多方面研究了冷等离子体改性的时效性,为实现冷等离子体改性技术在人造板行业的工业化应用奠定理论基础和提供实践依据。研究结果对于促进速生小径材的高校利用具有重要的现实意义。研究结果表明:(1)经冷等离子体处理后,杨木表面产生了明显的刻蚀现象。经原子力显微镜观察,其表面存在纳米尺度刻痕,粗糙度显著增大。不同气氛冷等离子体处理后,杨木表面均有不同程度的刻蚀,表面粗糙度均有所提高。其中O2冷等离子体处理效果最为明显。随着冷等离子体处理时间的延长,杨木表面的刻痕程度不断加深,表面粗糙度逐渐增大;当冷等离子体处理7 min后,表面粗糙度值趋于平缓。随着冷等离子体放电功率的增大,杨木表面刻痕程度越来越严重,表面粗糙度也随着放电功率的增大而逐渐增加。(2)冷等离子体处理能够在杨木单板表面引入自由基,使其表面自由基浓度增大。不同气氛冷等离子体气体处理后,杨木单板表面的自由基浓度有所不同,O2、N2和Air冷等离子体处理后,杨木单板表面的自由基浓度高于Ar和NH3处理,其中O2冷等离子体处理时,杨木单板表面的自由基浓度最大。杨木单板表面的自由基浓度随冷等离子体处理时间的延长呈先增后减的趋势;处理时间为7 min时,表面自由基浓度达到最大。随着冷等离子体放电功率的增大,杨木单板表面的自由基浓度呈现先增大后减少的变化趋势;放电功率为200 W时,表面自由基浓度达到最大。(3)冷等离子体处理使杨木单板表面O元素的相对含量增加,同时在杨木单板表面引入羧基(O-C=O)等新的极性基团,并增加了单板表面极性基团的含量。O2、N2、Air和NH3均为反应性气体,在冷等离子体处理过程中,在杨木单板表面引入了O、N等元素,使单板表面O、N元素的含量增加;O2冷等离子体处理时,杨木单板表面O/C比和极性基团的含量最高。随着冷等离子体处理时间的延长,杨木单板表面O/C比和极性基团的含量随冷等离子体处理时间先增大后减小;当冷等离子体处理时间达7 min时,杨木单板表面O/C比和极性基团的含量达到最大。杨木单板表面O/C和极性基团的含量随冷等离子体放电功率的增大呈现先增大后略有减少的变化趋势;当冷等离子体放电功率达200 W时,杨木单板表面O/C比和极性基团含量达到最高。(4)不同气氛冷等离子体处理后,杨木单板的表面自由能明显提高;UF在单板表面的初始平衡角下降了9~15%,平衡接触角下降了65%~79%;处理后的K值与未处理相比,增大了约3~5倍。随着冷等离子体处理时间的延长,表面自由能及其极性分量逐步增加;当处理时间达到7 min时,杨木单板的表面自由能达到稳定;UF的初始接触角与平衡接触角随着处理时间的延长持续下降,当处理时间7 min后,变化不明显;K值随着处理时间的延长而逐渐增大,当处理时间延长至7 min后,K值变化不大。不同功率处理后,杨木单板表面自由能已达到临界值,功率增大对其影响不大;冷等离子体放电功率从100 W增至500 W时,UF初始接触角变化不大,而平衡接触角呈先减后增的趋势,但增幅不大;K值随着放电功率的增大呈先增大后减小的趋势,放电功率为200 W时的K值达到最大。冷等离子体处理对不同胶种在杨木单板表面润湿性均有显著影响,UF、PF和MDI平衡接触角分别下降了73%、60%和91%,K值分别增大了653%、1204%和38%。(5)冷等离子体处理后,UF在杨木单板中的渗透深度以及渗透面积明显增加,同时胶层厚度也明显增加,EP和AP分别增大了70%和25%;不同气氛冷等离子体处理后,UF在杨木胶合界面的渗透有所不同。O2冷等离子体处理时渗透深度较N2、Air和Ar大,NH3处理后,平均渗透深度增加明显。随着冷等离子体处理时间的延长,UF在杨木胶合界面的EP和AP呈现先增后减的趋势;当处理时间为7 min时,渗透深度达到最大。随着冷等离子体放电功率的增大,UF在杨木胶合界面的渗透深度逐渐增加。(6)冷等离子体处理有利于UF与杨木单板的胶合,胶合强度得到提高,增幅达27%。不同气氛冷等离子体气体处理后,杨木单板的胶合强度有所不同,O2冷等离子体处理后胶合强度最大,NH3处理后的胶合强度比未处理时还低。杨木单板胶合强度随冷等离子体处理时间的延长呈先增后减的趋势;当处理时间达7 min时,胶合强度达到最大。随着冷等离子体放电功率的增大,杨木单板胶合强度呈现先增大后减少的变化;当冷等离子体放电功率达200 W时,胶合强度达到最大。综上所述,最优的冷等离子体处理工艺为:处理气氛O2、处理时间7 min,放电功率200 W。(7)冷等离子体时效性对杨木纤维表面形貌的影响不明显。表面自由基浓度放置在空气中的前3天下降明显,7天后基本保持不变。表面C元素含量明显上升,O元素含量放置3天内明显下降,极性基团含量也明显下降;超过7天,C、O元素以及表面极性基团含量变化不明显。表面自由能放置3天内,表面自由能明显下降,降幅达21%;7天后变化不明显,基本回到未处理时的状态。放置3天内,胶合强度呈线性下降,降幅达27%;28天后,胶合强度回到未处理时的状态。
【关键词】：冷等离子体 杨木单板 表面特性 胶合界面 时效性
【学位授予单位】：南京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TS653.2
【目录】：

• 致谢3-4
• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 前言13-19
• 1.1 课题来源13
• 1.2 引言13
• 1.3 木材改性概述13-14
• 1.4 等离子体概述14
• 1.4.1 等离子体的定义14
• 1.4.2 等离子体的分类14
• 1.4.3 等离子体改性的特点14
• 1.5 国内外等离子体在木材工业中的研究现状14-17
• 1.5.1 等离子体改性对木材润湿性的影响14-15
• 1.5.2 等离子体改性对木材表面形貌的影响15
• 1.5.3 等离子体改性对木材表面化学组成的影响15-16
• 1.5.4 等离子体改性对木材胶合性能的影响16
• 1.5.5 等离子体改性的时效性16-17
• 1.6 研究内容与技术路线17-19
• 1.6.1 研究目的和意义17
• 1.6.2 研究内容17
• 1.6.3 创新点17
• 1.6.4 技术路线17-19
• 第二章 冷等离子体处理对木质材料表面形貌的影响19-40
• 2.1 引言19
• 2.2 材料和方法19-21
• 2.2.1 试验材料19
• 2.2.2 冷等离子体改性处理方法19-21
• 2.2.3 扫描电子显微镜（SEM）分析方法21
• 2.2.4 原子力显微镜（AFM）分析方法21
• 2.3 结果与分析21-39
• 2.3.1 冷等离子体处理与未处理杨木表面形貌的比较21-24
• 2.3.2 冷等离子体处理气氛对杨木表面形貌的影响24-29
• 2.3.3 冷等离子体处理时间对杨木表面形貌的影响29-34
• 2.3.4 冷等离子体放电功率对杨木纤维表面形貌的影响34-39
• 2.4 本章小结39-40
• 第三章 冷等离子体处理对木质单板表面自由基浓度的影响40-45
• 3.1 引言40
• 3.2 材料和方法40-41
• 3.2.1 试验材料40
• 3.2.2 冷等离子体改性处理40
• 3.2.3 表面自由基分析方法40-41
• 3.3 结果与分析41-44
• 3.3.1 冷等离子体处理前后杨木单板表面自由基浓度的比较41
• 3.3.2 冷等离子体处理气氛对杨木单板表面自由基浓度的影响41-42
• 3.3.3 冷等离子体处理时间对杨木单板表面自由基浓度的影响42-43
• 3.3.4 冷等离子体放电功率对杨木单板表面自由基浓度的影响43-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第四章 冷等离子体处理对木质单板表面化学组成的影响45-58
• 4.1 引言45
• 4.2 材料和方法45-46
• 4.2.1 试验材料45
• 4.2.2 冷等离子体改性处理45
• 4.2.3 X射线光电子能谱（XPS）分析方法45-46
• 4.3 结果与分析46-57
• 4.3.1 冷等离子体处理与未处理杨木单板表面化学组成的比较46-48
• 4.3.2 冷等离子体处理气氛对杨木单板表面化学组成的影响48-51
• 4.3.3 冷等离子体处理时间对杨木单板表面化学组成的影响51-54
• 4.3.4 冷等离子体放电功率对杨木单板表面化学组成的影响54-57
• 4.4 本章小结57-58
• 第五章 冷等离子体处理对木质单板表面润湿性的影响58-71
• 5.1 引言58
• 5.2 材料和方法58-61
• 5.2.1 试验材料58
• 5.2.2 冷等离子体改性处理58-59
• 5.2.3 接触角测量方法59
• 5.2.4 表面自由能的分析方法59-60
• 5.2.5 动态润湿性的分析方法60-61
• 5.3 结果与分析61-70
• 5.3.1 冷等离子体处理气氛对杨木单板表面润湿性的影响61-63
• 5.3.2 冷等离子体处理时间对杨木单板表面润湿性的影响63-66
• 5.3.3 冷等离子体放电功率对杨木单板表面润湿性的影响66-68
• 5.3.4 不同胶种在冷等离子体改性杨木单板表面的润湿性分析68-70
• 5.4 本章小结70-71
• 第六章 冷等离子体处理对木质单板胶合界面胶粘剂渗透性能的影响71-78
• 6.1 引言71
• 6.2 材料和方法71-73
• 6.2.1 试验材料71
• 6.2.2 冷等离子体改性处理71-72
• 6.2.3 木质单板复合材料制作方法72
• 6.2.4 木质单板胶合界面渗透性分析方法72-73
• 6.3 结果与分析73-77
• 6.3.1 冷等离子体处理与未处理杨木单板胶合界面胶粘剂渗透性能的比较73-74
• 6.3.2 冷等离子体处理气氛对杨木单板胶合界面胶粘剂渗透性能的影响74-75
• 6.3.3 冷等离子体处理时间对杨木单板胶合界面胶粘剂渗透性能的影响75-76
• 6.3.4 冷等离子体放电功率对杨木单板胶合界面胶粘剂渗透性能的影响76-77
• 6.4 本章小结77-78
• 第七章 冷等离子体处理对木质单板胶合性能的影响78-86
• 7.1 引言78
• 7.2 材料和方法78-79
• 7.2.1 试验材料78
• 7.2.2 冷等离子体改性处理78
• 7.2.3 木质单板复合材料制作方法78
• 7.2.4 木质复合材料胶合强度测试方法78-79
• 7.3 结果与分析79-84
• 7.3.1 冷等离子体处理与未处理杨木单板胶合性能的比较79
• 7.3.2 冷等离子体处理气氛对杨木单板胶合性能的影响79-80
• 7.3.3 冷等离子体处理时间对杨木单板胶合性能的影响80-81
• 7.3.4 冷等离子体放电功率对杨木单板胶合性能的影响81-82
• 7.3.5 冷等离子体改性增强杨木单板界面胶合特性的机理分析82-84
• 7.4 本章小结84-86
• 第八章 木质单板表面冷等离子体改性时效性分析86-97
• 8.1 引言86
• 8.2 试验材料和方法86-87
• 8.2.1 试验材料86
• 8.2.2 冷等离子体改性处理86
• 8.2.3 表面形貌分析方法86
• 8.2.4 润湿性分析方法86
• 8.2.5 表面自由基分析方法86-87
• 8.2.6 表面化学组成分析方法87
• 8.2.7 胶合强度测试分析方法87
• 8.3 结果与分析87-96
• 8.3.1 杨木单板表面形貌时效性分析87-90
• 8.3.2 杨木单板表面自由基浓度时效性分析90
• 8.3.3 杨木单板表面化学组成时效性分析90-94
• 8.3.4 杨木单板表面润湿性时效性分析94-95
• 8.3.5 杨木单板表面时效性对其胶合性能的影响95-96
• 8.4 本章小结96-97
• 第九章 总结论97-100
• 攻读学位期间发表的学术论文100-101
• 攻读学位期间的发明专利101
• 攻读学位期间的科研项目101-102
• 参考文献102-110

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 任煜;邱夷平;;低温等离子体对高聚物材料表面改性处理时效性的研究进展[J];材料导报;2007年01期

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本文编号：339188