四種木纖維表面接觸角和表面自由能的比較

劉　如，張智林

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 海淀 100091；2.陜西建森實業(yè)有限公司，西安 未央 710016)

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四種木纖維表面接觸角和表面自由能的比較

劉如1，張智林2*

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 海淀 100091；2.陜西建森實業(yè)有限公司，西安 未央 710016)

摘要：通過毛細(xì)管上升法測定了四種木纖維的表面接觸角，并依據(jù)Washburn方程和Owens-Wendt法，對四種木纖維的表面自由能及其極性和非極性分量進(jìn)行計算。結(jié)果表明，四種木纖維的表面自由能排序依次為：南方松>杉木>橡膠木>青楊。青楊和橡膠木體現(xiàn)分子非極性的色散力分量分別為5.19和6.59 mJ/m2，說明青楊和橡膠木表現(xiàn)出較強的極性。南方松和杉木的色散力分量分別為42.30和31.54 mJ/m2，表現(xiàn)出較強的非極性。

關(guān)鍵詞：木纖維；接觸角；表面自由能；極性；非極性

以天然植物纖維為原材料制備木質(zhì)復(fù)合材料是近年來的研究熱點[1-3]。相比人工纖維，天然植物纖維具有可再生、可降解、來源廣泛、密度低、強重比高以及價格較低廉等優(yōu)點，因此，將其制備成為木質(zhì)復(fù)合材料可以提高復(fù)合材料的附加值，使其應(yīng)用于建筑、家具、園林、室內(nèi)地板、裝飾墻體等各個領(lǐng)域[4-6]。常見的天然植物纖維包括木纖維、竹纖維、麻纖維、棉花纖維、秸稈纖維等，其中木纖維是制備木質(zhì)復(fù)合材料最常用的一種天然植物纖維[7]。由于各種木纖維之間的化學(xué)組分和微觀結(jié)構(gòu)存在著很大的差異，因此，在制備木質(zhì)復(fù)合材料時會對木質(zhì)復(fù)合材料的性能產(chǎn)生很大的影響[8]。

表面自由能是固體表面最基本的特性之一，它體現(xiàn)了固體表面的極性與非極性情況，與固體潤濕性和粘結(jié)性等性能密切相關(guān)[9]。因此，本研究采用毛細(xì)管上升法測定了四種市場上常見木纖維的接觸角，包括兩種針葉材木纖維(南方松與杉木)與兩種闊葉材木纖維(青楊與橡膠木)。依據(jù)Washburn方程和Owens-Wendt-Kaelble法，對四種木纖維的表面自由能及其極性和非極性分量進(jìn)行計算，旨在為研究和制備高性能的天然植物纖維復(fù)合材料提供基礎(chǔ)的理論數(shù)據(jù)。

1實驗部分

1.1原料與試劑

青楊、橡膠木、杉木、南方松纖維：80～100目，在103℃烘箱中干燥2 h；甲醇、甲酰胺為分析純；蒸餾水。

1.2接觸角的測定

(1)

式中：h為在時間t內(nèi)液體深入毛細(xì)管中的高度；γL為液體的表面自由能；η為液體的粘度；φ為液體在固體表面的接觸角；R為平均有效半徑。

對于同一種木纖維，在相同的填充條件下，其平均有效半徑為常數(shù)，可以通過選擇已知接觸角為0的液體求得，如甲醇。

對同一種探測液體，測試6個重復(fù)樣。

1.3表面自由能的計算

根據(jù)Young方程，可以通過測定不同液體在固體表面的接觸角來計算出固體的表面自由能。γS=γSL+γLcosφ

(2)

式中：γS為固體的表面自由能；γSL為固液界面的表面自由能；γL為液體的表面自由能，而φ為固體與測試液體之間的接觸角。

依據(jù)Owens-Wendt法，固體的表面自由能可以分為非極性分量與極性分量兩部分。

0.5γSL(1+cosφ)=(γdSγdL)0.5+(γpSγpL)0.5

(3)

式中，γdS和γpS分別為固體表面自由能的非極性分量與極性分量；γdL和γpL分別為液體表面自由能的非極性分量與極性分量。

因此，只需要兩個已知 γdS和γpS的探測液體便可以計算出固體的表面自由能。本研究選擇蒸餾水、甲酰胺和甲醇作為探測液體，其自由能分量與粘度值見表1。

表1　探測液體的表面自由能參數(shù)

2結(jié)果與討論

2.1接觸角

圖1為4種木纖維在甲醇、蒸餾水和甲酰胺探測液體中的p-t曲線，由圖中直線的斜率可以計算出探測液體的接觸角。

表2為以甲醇為標(biāo)準(zhǔn)液體，以蒸餾水和甲酰胺作為探測液體所測得的斜率K值與接觸角的余弦值。

由表2結(jié)果可以看出，青楊、橡膠木和南方松纖維在甲醇中的斜率K值相差不大，說明這三種木纖維在毛細(xì)管中的有效半徑基本一致，而杉木纖維在甲醇中的斜率K值與其它木纖維相比相差很大，因此，其在毛細(xì)管中有效半徑值也相比其它木纖維較大。而對于青楊和橡膠木纖維，在蒸餾水中的斜率K值明顯大于甲酰胺，說明青楊和橡膠木更容易被蒸餾水浸潤。而杉木和南方松纖維在甲酰胺中的斜率K值較大，說明杉木和南方松更容易被甲酰胺浸潤。

圖1　四種木纖維在甲醇、蒸餾水和甲酰胺探測液體中的p-t曲線

樹種甲醇斜率/K(×10-3)cosφ蒸餾水斜率/K(×10-3)cosφ甲酰胺斜率/K(×10-3)cosφ青楊2.1815.220.11141.320.1608橡膠木2.7717.140.13701.970.2095杉木8.4116.320.037714.110.4086南方松3.7911.110.02026.840.4763

2.2表面自由能

在分別求出各木纖維在蒸餾水和甲酰胺中的接觸角后，根據(jù)公式(3)可以計算出四種木纖維的表面自由能及其極性與非極性分量，結(jié)果如表3所示。由表3結(jié)果可以看出，四種木纖維的表面自由能排序依次為：南方松>杉木>橡膠木>青楊。青楊和橡膠木的表面自由能相差不大，分別為22.62和23.54 mJ/m2。而杉木和南方松的表面自由能較大，分別為34.16和43.20 mJ/m2，接近前兩者的1.5和2倍。一般來說，在木質(zhì)復(fù)合材料制備過程中，木纖維表面的自由能較高可以獲得較好的潤濕效果[10]。由此可見，杉木和南方松在制備木質(zhì)復(fù)合材料時，其液體潤濕效果要好于青楊和橡膠木。此外，青楊和橡膠木表面自由能的極性分量較高，說明青楊和橡膠木表現(xiàn)出較強的極性，而杉木和南方松表面自由能的非極性分量較高，表現(xiàn)出較強的非極性。這可能是由于青楊和橡膠木屬于闊葉材，其細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成分中還含有樹膠、硅化物等成分，會增加木纖維的極性值。而杉木和南方松屬于針葉材，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)較為簡單。相比杉木，南方松的非極性更高，這可能是由于南方松具有樹脂道，木纖維表面會被一層松脂包覆，因此非極性較強，與非極性物質(zhì)的親和力較高。

表3　四種木纖維的表面自由能

3結(jié)論

以毛細(xì)管測定法, 結(jié)合Washburn方程和Owents-Wendt法，對四種木纖維的接觸角與表面自由能進(jìn)行了測定。青楊、橡膠木、杉木、南方松的表面自由能分別為22.62、23.54、34.16和43.20 mJ/m2。青楊和橡膠木的表面自由能極性部分較高，與極性物質(zhì)的親和力較好，而杉木和南方松的表面自由能非極性部分較高。針對以上木纖維表面自由能的不同，在制備木質(zhì)復(fù)合材料時應(yīng)選擇不同種類的膠黏劑。

參 考 文 獻(xiàn):

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收稿日期：2016-03-18

作者簡介：劉如(1987-)，男，助理研究員，從事木質(zhì)復(fù)合材料研究。E-mail：liuru@criwi.org.cn。 *通訊作者：張智林(1965-)，男，工程師，從事木制品技術(shù)與生產(chǎn)管理。E-mail：571356887@qq.com。

中圖分類號:TU366.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1001-2117(2016)03-0009-04

Comparison of Contact Angle and Surface Free Energy of the Four Kinds of Wood Fibers

LIU Ru1，ZHANG Zhi-lin2

( 1.ResearchInstituteofWoodIndustry,ChineseAcademyofForestry,Haidian100091，Beijing;( 1.ResearchInstituteofWoodIndustry,ChineseAcademyofForestry,Haidian100091，Beijing;2.JianshiIndustrialCompanyofShaanxi,Xi’an710032,Shaanxi)

Abstract:The contact angles of four kinds of wood fibers were tested by using capillary rising methods. Besides, the surface free energies with the four kinds of wood fibers as well as their polarity and non-polarity parts were calculated according to Washburn equation and Owens-Wendt method. The results showed that the surface free energies of the four kinds of wood fibers decreased in the order: Southern yellow pine >Chinese fir > rubber wood >Cathay poplar. The non-polarity parts which reflect the dispersive force of Cathay poplar, and rubber wood were 5.19 and 6.59 mJ/m2, respectively, indicating high polarity characters of Cathay poplar and rubber wood. The dispersive parts of Southern yellow pine and Chinese fir were 42.30 and 31.54 mJ/m2, showing very high non-polarity.

Key words:Plant fibers; contact angle; surface free energy; polarity; non-polarity