叢生竹材潤濕特性的比較研究

楊 喜，劉杏娥，李賢軍，楊淑敏，尚莉莉，單海斌

（1.中南林業(yè)科技大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004；2.國際竹藤中心 竹藤科學與技術重點實驗室，北京 100102）

叢生竹材潤濕特性的比較研究

楊 喜1,2，劉杏娥2，李賢軍1，楊淑敏2，尚莉莉2，單海斌2

（1.中南林業(yè)科技大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004；2.國際竹藤中心 竹藤科學與技術重點實驗室，北京 100102）

為了叢生竹材工業(yè)化利用提供理論依據(jù)，采用比較手法對兩種叢生竹材的動態(tài)潤濕性能進行研究。結果表明：不同液體在不同竹材表面上的接觸角都隨時間增長以反函數(shù)模型呈減小趨勢，斜率越來越小。甲酰胺和二碘甲烷在竹材表面形成的初始接觸角較蒸餾水大。蒸餾水和甲酰胺在竹材表面的接觸角隨時間的變化曲線非常接近，從剛接觸至2 s，接觸角急劇減小，之后變化較緩。二碘甲烷在竹材表面的接觸角隨時間增長基本保持不變，只稍有下降。經(jīng)不同處理后的龍竹和車筒竹材表面接觸角隨時間的變化曲線基本一致，且隨時間增長接觸角減小的速率越來越小。經(jīng)過高溫和硼酸處理后的竹材表面初始接觸角較未處理材大10 °左右，高溫處理和防霉處理后的表面接觸角差異較小。龍竹的潤濕性優(yōu)于車筒竹。

叢生竹；潤濕性；接觸角；比較研究

竹材具有比強度高，韌性好，生長周期短，一次栽培永續(xù)利用的特性，是一種可以替代部分木質材料的生物質資源。叢生竹材由于其節(jié)徑小，加工利用較困難，造成了大量竹資源的浪費。重組竹技術的開發(fā)利用，可以有效的利用這些小徑級叢生竹材。在重組竹制造過程中，除材料本身的物理力學性能外，材料的表面特性也是重組材料的重要參數(shù)之一。

潤濕性是固體材料的一種重要的界面特性。竹材的潤濕性表征某些液體（如水、膠粘劑、涂料以及各種改性處理溶液等）與竹材接觸時，在竹材表面上潤濕、鋪展、滲透及粘附的難易程度，對竹材膠合等各種改性處理效果起著決定性的作用。因此，對叢竹材表面潤濕性進行研究，能促進叢生竹材工業(yè)化利用和改善新型材料性能和品質。材料的潤濕性與材料組織結構、各種表面處理方式和液滴的表面張力等因子密切相關。國內外學者針對潤濕性的影響因素進行了全面的研究。Chen等[1]研究表明抽提物增加會降低木材表面的濕潤性。Casilla R C等[2]對4種亞洲柳桉和白杉木的潤濕性研究得出，潤濕性隨酸堿度的增加而增加。Sheldon. Q[3]建立了評價膠粘劑在木材表面鋪張和滲透好壞的數(shù)學模型。還有微波、熱處理、防霉等各種改性處理對木材和竹材潤濕性的影響[4-9]。本研究對龍竹和車筒竹兩種叢生竹材的瞬時接觸角和潤濕過程進行了比較研究，以期為叢生竹材工業(yè)化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

3年生龍竹Dendrocalamus giganteus和車筒竹Bambusa sinospinosa 5株，取寬度為20 mm、長為節(jié)間長、厚為竹壁自然厚度的竹條，用壓刨將竹青竹黃面刨平。由于竹株竹壁厚度各不相同，先從距竹青面1.5～2.0 mm處刨削，再刨削竹黃面，最終統(tǒng)一厚度至5 mm。將刨削好的竹片鋸切成50 mm×20 mm×5 mm試樣，試樣的長度與紋理方向平行。然后人工對其表面進行砂光，除掉毛刺，使其平整光滑。

制備好的竹材樣品分為3組。第一組進行防霉處理，將硼酸、硼砂和水按3.6∶2.4∶94的比例配制成水溶液，加熱到80 ℃，放入試樣處理6 h，接著在60 ℃溫度下干燥24 h后取出備用；第二組進行高溫干燥處理，試樣在105 ℃的溫度下干燥10 h，干燥完后取出備用；第三組為空白樣不作任何處理。將上述3組樣品放入溫度20℃、濕度65%的恒溫恒濕箱中處理10 d，使含水率達到10%左右。

1.2 實驗方法

Zisman法，采用OCA-20接觸角自動測定儀，記錄液滴在竹片表面隨時間而變化的狀態(tài)。每組試樣6～8個樣，每個樣分竹青和竹黃面各測6個點，每個液滴在從0 s到10 s的時間里記錄10個接觸角數(shù)據(jù)。

測試液體：蒸餾水、二碘甲烷、甲酞胺。水代表具有強極性液體，二碘甲烷代表非極性液體。

2 結果與分析

通常材料的潤濕性以液滴在材料表面上潤濕接觸角（θ）或接觸角的余弦（cosθ）的大小來表示。當0°＜θ＜90°，即0＜cosθ＜1時，液滴在材料表面形成扁平狀，表明液體能部分潤濕材料。當θ=0°，cosθ=1時，表明液體能完全潤濕材料。當θ＞90°，cosθ＜0時，液滴在材料表面上形成滾珠狀，表明液體不能潤濕材料[10]。蒸餾水、二碘甲烷和甲酰胺3種液滴在龍竹和車筒竹表面上都輔展開來，形成扁平狀，接觸角都小于90°，大于0°，表明這兩種叢生竹材屬于部分潤濕材料。

液體在竹材表面形成的接觸角隨時間增長呈動態(tài)變化，液滴剛接觸竹材表面時，可以看作是熱力學穩(wěn)定狀態(tài)，形成初始接觸角。接著由于吸附和潤濕動力的作用，液滴會在表面鋪展開來，加上竹材是多孔材料，會伴隨滲透。竹材表面管孔和細胞腔徑的大小直接影響鋪展和滲透的快慢，從而影響達到平衡接觸角的時間。由于龍竹和車筒竹材表面空隙較多，液滴在表面10 s左右就能達到一個相對平衡狀態(tài)，故取10 s時的接觸角為平衡接觸角。

表 1 不同竹種竹材表面接觸角隨時間的變化Table 1 Contact angles changed with time on surface of two bamboos

2.1 不同液體對潤濕性的影響

由表1、圖1和圖2可知，不同液體在同種竹材表面上的接觸角隨時間增長以反函數(shù)模型呈減小趨勢，斜率越來越小，在前2 s內較大，斜率達20°/s左右。甲酰胺和二碘甲烷在竹材表面形成的初始接觸角較蒸餾水大，與江澤慧等[11]的研究結果不太一致。龍竹和車筒竹材質比較疏松，細胞孔徑較大，竹材表面平整度稍差，表面的潤濕性大增，使得人為撲捉初始接觸角誤差增大。竹材的表面能為53.5 mJ/m2[10]，與甲酰胺和二碘甲烷比較接近，小于水的表面張力（72.8 mJ/m2），也即水和竹材表面間的勢能作用較甲酰胺和二碘甲烷與竹材表面勢能強，那么水在竹材表面的潤濕性較后兩者好，增大了人為誤差。圖1，2中，蒸餾水和甲酰胺在竹材表面的接觸角隨時間的變化曲線非常接近，在2 s之前，接觸角急劇減小，2～10 s接觸角減少幅度越來越小，8 s的總下降量只有前2 s的50%左右。說明蒸餾水和甲酰胺在竹材表面的擴展和滲透非常迅速，且10 s基本已經(jīng)滲透完全。蒸餾水在竹黃表面的接觸角隨時間的變化較甲酰胺緩和。與甲酰胺在竹黃表面的接觸角變化情況相比，蒸餾水在前2 s內接觸角下降速率只有甲酰胺的2/3，最后平衡接觸角也較甲酰胺大。但整體擴展?jié)B透速率也較快。二碘甲烷在竹材表面接觸角較大，在0～10 s間接觸角下降較小，基本呈水平狀變化趨勢。二碘甲烷在不同竹種竹青和竹黃表面的滲透和擴展速率幾乎相同。

圖1 不同液體在車筒竹竹青、竹黃表面接觸角隨時間變化情況Fig. 1 Surface contact angle of B. Sinospinosa bamboo measured by different liquid

圖2 不同液體在龍竹竹青、竹黃表面接觸角隨時間變化情況Fig. 2 Surface contact angles of D. Giganteus bamboo measured by different liquids

龍竹和車筒竹表面接觸角隨時間變化趨勢圖基本一致。二碘甲烷在龍竹和車筒竹上的接觸角大小差異很小，蒸餾水和甲酰胺在車筒竹上的接觸角大于龍竹，說明車筒竹的潤濕性不如龍竹。

2.2 不同處理對潤濕性的影響

由表1和圖3、圖4可知，經(jīng)不同處理后，龍竹和車筒竹材表面的接觸角隨時間的變化斜率基本一致，都隨時間增長接觸角減小的斜率越來越小，在前2 s內較大，速率皆達10°/s左右。經(jīng)過高溫和硼酸處理后的竹材表面初始接觸角較未處理材大10°左右，高溫處理和防霉處理后的表面接觸角差異較小。高溫和硼酸處理使得竹材表面抽提物含量增多，將表面的紋孔和暴露在外的細胞腔等滲透渠道給堵塞了。De Bruyne研究指出在高溫干燥條件下，單板表面的活性基團由于相互結合而喪失了相互吸引的能力，導致其表面濕潤性降低。江澤慧研究指出高溫處理和硼酸處理使得竹材表面酸堿性能降低，導致竹材表面潤濕性下降，接觸角增大。蒸餾水在處理材上的初始接觸角顯著增大，甲酰胺和二碘甲烷增長較小。經(jīng)過10 s的擴展和滲透，高溫處理材表面的平衡接觸角大于未處理材，大于防霉處理材。竹青和竹黃表面的接觸角隨時間的變化趨勢基本一致，只是竹黃面的接觸角要稍大于竹青面。這與江澤慧等對毛竹的研究結果不太一致。

圖3 不同處理對車筒竹竹青、竹黃表面接觸角的影響Fig. 3 Surface contact angle of B. Sinospinosa bamboo under different treatment methods

圖4 不同處理對龍竹竹青、竹黃表面上接觸角的影響Fig. 4 Surface contact angles of D. Giganteus bamboo under different treatment methods

3 結 論

不同液體在不同竹材表面上的接觸角都隨時間增長以反函數(shù)模型呈減小趨勢，斜率越來越小。甲酰胺和二碘甲烷在竹材表面形成的初始接觸角較蒸餾水大。蒸餾水和甲酰胺在竹材表面的接觸角隨時間的變化曲線非常接近，在2 s之前，接觸角急劇減小，2～10 s接觸角減少幅度越來越小。二碘甲烷在竹材表面的接觸角隨時間增長基本保持不變，只稍有下降。經(jīng)不同處理后的龍竹和車筒竹材表面接觸角隨時間的變化曲線基本一致，且隨時間增長接觸角減小的速率越來越小。經(jīng)過高溫和硼酸處理后的竹材表面初始接觸角較未處理材大10°左右，高溫處理和防霉處理后的表面接觸角差異較小。蒸餾水和甲酰胺在車筒竹上的接觸角大于龍竹，即龍竹的潤濕性優(yōu)于車筒竹。

[1] Chen C. Effect of extractive removal on adhesion and wettability of some tropical woods[J ]. For. Prod,1970,20(1):36-40.

[2] Casilla R C, Chow S, Steiner P R, et al. Wettability of four asianmeranti species[J]. Wood Science and Technology, 1984,18:87-96.

[3] Sheldon Q. Dynamic adhesive wettability of wood[J]. Wood and fi ber science, 2001, 33(1):58-68.

[4] 杜官本,孫照斌,黃林榮. 微波等離子體處理對竹材表面接觸角的影響[J].南京林業(yè)大學學報(自然科學版),2007,31(4): 33-36.

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[11] 江澤慧,于文吉,余養(yǎng)倫. 竹材表面潤濕性研究[J]. 竹子研究匯刊,2005, 24(4):31-38.

Comparative study on wettability of caespitose bamboos

YANG Xi1,2, LIU Xing-e2, LI Xian-jun1, YANG Shu-min2, SHANG Li-li2, SHAN Hai-bin2
(1.School of Wood Science and Technology, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China;2.International Centre for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, China)

The dynamic wettability of Dendrocalamus giganteus and Bambusa sinospinosa have been studied by comparative method.The results show that contact angles of different liquid decreased with the time grew based on inverse functions model in different bamboo; and the slope became smaller with the time increased; the original contact angles of Diiodomethane and Formamide were larger than the distilled water on bamboo surface; the contact angle-time curves showed almost the same of distilled water and formamide on bamboo surface; fi rst two seconds, the contact angle sharply decreased, then slowed down; While D. giganteus on the bamboo surface,the contact angle only had little decrease; Two caespitose bamboos after high temperature and boric acid treatments, the contact angletime curves had smaller slope with thetime grew; the bamboo surface contact angles after treated with high temperature and boric acid were bigger 10° than no treated bamboo, and the two treatments have almost effect on contact angle. D. giganteus has better wettability than B. sinospinosa.

caespitose bamboos; wettability; contact angle; comparative study

S795

A

1673-923X(2013)10-0103-04

2013-03-05

國際竹藤中心基本科研業(yè)務費專項（1632010002）；公益性行業(yè)科研專項（201004005）；“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAD23B01）

楊 喜（1989-），女，湖南岳陽人，碩士研究生，主要從事竹材材性方面的研究；E-mail:yangxijy@126.com

李賢軍（1972-），男，湖南常德人，教授，主要從事木材干燥、木材改性等方面研究；E-mail:lxjmu@163.com

[本文編校：文鳳鳴]