等離子體處理對(duì)高溫干燥楊木單板表面性能的影響

NGUYEN Thiphuong，陳衛(wèi)民，曹倚中，陳敏智，周曉燕*，NGUYEN Quangtrung, NGUYEN Hongminh

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 210037; 2.越南林業(yè)科學(xué)院木材工業(yè)研究所, 河內(nèi) 100803)

等離子體處理對(duì)高溫干燥楊木單板表面性能的影響

NGUYEN Thiphuong1,2，陳衛(wèi)民1，曹倚中1，陳敏智1，周曉燕1*，NGUYEN Quangtrung2, NGUYEN Hongminh2

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 210037; 2.越南林業(yè)科學(xué)院木材工業(yè)研究所, 河內(nèi) 100803)

單板在高溫干燥條件下表面會(huì)發(fā)生鈍化，表面活性下降，從而影響膠合性能。利用常壓低溫等離子體處理高溫干燥楊木單板，以改善其表面特性，提高膠合性能。主要研究了等離子體處理功率和處理速率對(duì)高溫干燥楊木單板表面特性及界面膠合性能的影響。研究結(jié)果表明：等離子體處理可明顯提高單板表面的潤濕性，當(dāng)處理功率為4.5 kW、處理速率為2 m/min時(shí)，脲醛樹脂膠和酚醛樹脂膠在楊木單板表面的初始接觸角和平衡接觸角分別降低了18.2%，17.8%和40.4%，38.8%，脲醛樹脂和酚醛樹脂膠所制膠合板的膠合剪切強(qiáng)度分別增加了56.0%和51.5%。等離子體處理后脲醛樹脂在高溫干燥楊木單板所制膠合板的膠合界面中的滲透深度明顯提高，膠合界面的平均滲透深度和有效滲透深度增幅分別為80.0%和61.9%。等離子體處理后，高溫干燥楊木單板表面羰基數(shù)量有所增加。

高溫干燥；常壓低溫等離子體；膠合板；表面性能

膠合板具有尺寸穩(wěn)定性好、紋理美觀、制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，而單板質(zhì)量決定了膠合板的質(zhì)量和成本[1]。在膠合板生產(chǎn)過程中，單板干燥是一個(gè)重要工序，直接影響膠合板生產(chǎn)效率和質(zhì)量。而除了原料和膠黏劑，能源消耗也是膠合板產(chǎn)品的主要成本之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，能源消耗約占膠合板總成本的25%，其中，單板干燥過程的熱能消耗占總能耗的75%以上[2-5]。為節(jié)約能源并提高生產(chǎn)效率，已有研究采用高溫快速干燥代替原有的干燥技術(shù)[6-8]。但高溫快速干燥會(huì)導(dǎo)致單板表面“鈍化”，降低其表面反應(yīng)活性，影響膠合性能[9]。

近年來，等離子體處理技術(shù)已逐漸在木材科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域得到研究和應(yīng)用。等離子體處理能使木材表面產(chǎn)生大量的自由基，使木材表面活化，從而進(jìn)一步引入特定官能團(tuán)，達(dá)到改善木材表面特性的目的[10-13]。此外，等離子體處理對(duì)單板表面有刻蝕作用，可以提高單板表面的粗糙度，有利于膠黏劑在單板表面的擴(kuò)散與滲透。筆者研究了等離子體處理對(duì)高溫干燥楊木單板表面接觸角、膠合板膠合強(qiáng)度、膠黏劑在單板表面的滲透以及單板表面化學(xué)組分的影響，以期實(shí)現(xiàn)高溫干燥楊木單板有效膠合的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

楊樹(Populusspp.)單板購自金湖泓達(dá)木業(yè)有限公司，初始含水率12%～15%，厚度(1.50±0.12)mm。 脲醛樹脂膠(UF)，黏度86.64 mm2/s，固體含量50%；酚醛樹脂膠(PF)，黏度109.78 mm2/s，固體含量52%，均購自上海太爾(化工)有限公司。

X16型平板硫化熱壓機(jī)，中國青島亞東橡機(jī)有限公司；Theta型光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x，瑞典百歐林科技有限公司；NICOLET3802-6型紅外光譜儀，美國Thermo electronic公司；K-Alpha型X 射線光電子能譜儀(XPS)，美國Thermo Scientific公司；Olympus BX51熒光顯微鏡，日本Olympus公司；恒溫水浴槽；鋼板尺，精度為1 mm；天平，精度0.01 g；SANS微機(jī)控制電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，深圳SANS公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 楊木單板高溫干燥

將單板置于壓機(jī)中，在無壓力的情況下利用上下壓板的溫度(230℃)進(jìn)行單板干燥。將楊木單板裁成300 mm×300 mm的規(guī)格進(jìn)行干燥，干燥時(shí)間為3 min，而常規(guī)干燥條件為120℃。

1.2.2 等離子體處理

采用ZD-1000B型常壓低溫等離子體連續(xù)處理裝置(南京蘇曼有限公司和南京林業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制)對(duì)高溫干燥楊木單板進(jìn)行處理，處理參數(shù)如表1所示。

表1 常壓等離子體處理工藝參數(shù)Table 1 The parameters of atmospheric plasmatreatment technology

1.2.3 性能檢測(cè)

采用高溫干燥單板制備膠合板，預(yù)壓壓力0.8 MPa，預(yù)壓時(shí)間20 min，熱壓時(shí)間按膠合板厚度計(jì)算，分別為60和70 s/mm，熱壓壓力1.0和1.1 MPa，熱壓溫度110和135℃，單面涂膠量120和140 g/m2。

膠合強(qiáng)度參照GB/T 9846—2015《普通膠合板》進(jìn)行測(cè)試，其中，UF和PF樹脂所制膠合板分別按Ⅱ類和I類剪切強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。每組工藝條件制取 32個(gè)試件，結(jié)果取平均值。

選擇表面相對(duì)較平整的楊木單板制成100 mm(順紋)×10 mm的試樣，利用光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)定UF和PF樹脂在楊木單板表面的接觸角。在每組試樣上滴10滴樹脂求得接觸角平均值，每滴樹脂經(jīng)900 s達(dá)到平衡狀態(tài)后進(jìn)行測(cè)定。

以五層膠合板為試件，對(duì)膠黏劑在單板表面的滲透進(jìn)行分析。在五層膠合板厚度方向切出30 μm的薄片，使用甲苯胺藍(lán)為染色劑研究UF膠的膠合滲透，而含有PF膠的薄片則直接采用熒光顯微鏡分析膠黏劑的滲透深度。膠黏劑在木質(zhì)材料中的滲透量化指標(biāo)包括有效滲透深度(SEP)和平均滲透深度(SAP)。有效滲透深度是膠黏劑在基材中的滲透面積除以膠線長(zhǎng)度值；平均滲透深度是指膠黏劑在基材中5個(gè)最大滲透深度的平均值。通過圖像分析軟件可以看到膠黏劑和基材間的明暗對(duì)比，并測(cè)出膠黏劑在基材中的滲透深度和滲透面積。SEP和SAP可分別通過公式(1)和(2)求得：

新時(shí)期，我們要重視舞蹈對(duì)中老年人的作用，豐富他們的生活方式，幫助他們養(yǎng)成健康的生活習(xí)慣。在舞蹈培訓(xùn)與輔導(dǎo)過程中，要將情感貫穿于舞蹈教學(xué)的始終，提高舞蹈活動(dòng)的親和力和感染力，激發(fā)中老年人的學(xué)習(xí)興趣。通過舞蹈活動(dòng)，愉悅中老年人的心情，樹立積極、樂觀和健康的生活態(tài)度，提高生活的質(zhì)量。

(1)

(2)

式中：Ai為第i個(gè)膠黏劑滲透區(qū)域面積，μm2；n為膠黏劑滲透區(qū)域數(shù)量；X0為測(cè)量范圍內(nèi)的膠線長(zhǎng)度，μm，本試驗(yàn)?zāi)z線長(zhǎng)度為1 700～1 850 μm；yi為從界面基材表面到膠黏劑在基材中的5個(gè)最深滲透位置間的距離，μm。

采用FT-IR和XPS分析楊木單板表面的化學(xué)組分。將楊木單板干燥后切成規(guī)格為10 mm×10 mm的試樣，然后以4.5 kW和8 m/min的等離子體處理工藝對(duì)樣品進(jìn)行處理，之后立刻進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫干燥楊木單板的表面特性

當(dāng)干燥溫度為120℃時(shí)，UF和PF膠所制膠合板的膠合強(qiáng)度分別為0.94和0.98 MPa，均已達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求(≥0.7 MPa)。當(dāng)干燥溫度為230℃時(shí)，UF和PF膠所制造膠合板的膠合強(qiáng)度分別為0.50和0.72 MPa，與120℃常規(guī)干燥相比，膠合強(qiáng)度分別降低了46.8%和26.5%。這是因?yàn)闂钅締伟逯心举|(zhì)素、半纖維素和纖維素等成分在高溫條件下發(fā)生了降解，導(dǎo)致單板表面鈍化，阻礙了膠黏劑向單板內(nèi)部的滲透，從而影響了膠合板的膠合強(qiáng)度。

高溫干燥對(duì)楊木單板接觸角的影響見表2。當(dāng)干燥溫度為230℃時(shí)，UF膠在楊木單板表面的初始角和平衡角與120℃常規(guī)干燥單板相比分別增加了15.2%和33.3%，PF膠的初始角和平衡角分別為129°和67°，分別增加了20.6%和59.5%。這是因?yàn)闊崽幚砟静牡奈詴?huì)有所降低[4]，在230℃干燥條件下，楊木單板表面部分纖維被炭化，降低了單板表面的親水性，膠在單板表面不容易擴(kuò)散。

表2 高溫干燥對(duì)楊木單板接觸角的影響Table 2 Effects of high temperature drying on thecontact angle of poplar veneer

2.2 等離子體處理對(duì)高溫干燥單板表面潤濕性的影響

等離子體處理功率對(duì)高溫干燥單板表面接觸角的影響見表3。由表3可知，在不同等離子體處理功率下，UF和PF膠在楊木單板表面的初始角和平衡角發(fā)生顯著變化。隨著處理功率的增加，UF和PF膠在楊木單板表面的初始角和平衡角均有下降的趨勢(shì)。當(dāng)處理功率為6.0 kW時(shí)，UF膠的初始角和平衡角達(dá)到最小，相比未處理時(shí)分別降低了16.5%與42.3%，PF膠的初始角和平衡角分別下降了17.1%與40.3%。這是因?yàn)榈入x子體處理功率越大，等離子體活性成分動(dòng)能越強(qiáng)，對(duì)單板表面纖維的刻蝕能力越強(qiáng)，這會(huì)大大提高單板表面的粗糙度，加快膠在單板表面的擴(kuò)散[13]。

表3 處理功率對(duì)高溫干燥單板表面接觸角的影響Table 3 Influence of plasma treatment power on thesurface contact angle of high-temperature-dried veneers

表4 處理速率對(duì)高溫干燥單板表面接觸角的影響Table 4 Influence of plasma treatment rate on the surfacecontact angle of high-temperature-dried veneers

2.3 等離子體處理對(duì)膠黏劑在高溫干燥單板表面滲透性的影響

4.5 kW和8 m/min等離子體處理?xiàng)l件前后UF和PF膠在楊木膠合板中的滲透如圖1所示。由圖1可知，UF和PF膠在等離子體處理后的高溫干燥單板所制膠合板膠合界面的滲透深度明顯增加。結(jié)合公式(1)和(2)的計(jì)算結(jié)果(表5)來看，等離子體處理后，UF膠在楊木膠合板膠合界面的平均滲透深度和有效滲透深度分別增加了80.0%和61.9%，PF膠的平均滲透深度和有效滲透深度分別增加了165.0%和35.2%。由此可見，等離子體處理對(duì)UF和PF膠在楊木膠合板膠合界面的滲透深度有明顯影響，有利于UF和PF膠在楊木膠合板膠合界面的滲透。高溫干燥楊木單板經(jīng)常壓低溫等離子體處理后，膠黏劑與木材的接觸面積增加，形成無數(shù)的膠釘，增強(qiáng)了機(jī)械嵌合作用，有利于提高膠合強(qiáng)度。

圖1 等離子體處理前后UF和PF膠在楊木膠合板中的滲透Fig. 1 Permeation of UF and PF resins between poplar veneers before and after plasma treatment

處理?xiàng)l件膠黏劑種類平均滲透深度有效滲透深度均值/μm標(biāo)準(zhǔn)差/μm變異系數(shù)/%均值/μm標(biāo)準(zhǔn)差/μm變異系數(shù)/%處理前UF6741562316327429PF6921752537140563處理后UF121333727810244431PF18345182829639406

2.4 等離子體處理對(duì)高溫干燥單板所制膠合板膠合強(qiáng)度的影響

等離子體處理對(duì)高溫干燥單板所制膠合板膠合強(qiáng)度的影響見圖2。從圖2a可以看出，隨著處理功率的增大，膠合板的膠合性能明顯提高。當(dāng)?shù)入x子體處理功率為6.0 kW時(shí)，UF膠所制膠合板的膠合強(qiáng)度相比未處理時(shí)增加了52.0%，PF膠所制膠合板的膠合強(qiáng)度增加了57.4%。這是因?yàn)樘幚砉β试酱螅入x子體刻蝕產(chǎn)生的單板表面粗糙度越高，膠黏劑在膠合界面的滲透性越好，提高了膠合板的膠合強(qiáng)度。

等離子體處理速率對(duì)UF和PF膠所制膠合板的膠合強(qiáng)度影響見圖2b。隨著處理速率的降低，膠合板膠合強(qiáng)度逐漸提高。當(dāng)?shù)入x子體處理速率為2 m/min時(shí)，UF和PF膠所制膠合板的膠合強(qiáng)度相比未處理時(shí)分別增加了56.0%和51.5%。等離子體處理速率降低，楊木單板在等離子體氛圍內(nèi)的處理時(shí)間增加，等離子體處理效果較強(qiáng)，從而提高了膠合強(qiáng)度。此外，由圖2還可以看出，處理功率對(duì)PF膠所制膠合板的膠合強(qiáng)度影響更大，而處理速率對(duì)UF膠所制膠合板的膠合強(qiáng)度影響更大。

圖2 等離子體處理對(duì)高溫干燥單板所制膠合板膠合強(qiáng)度的影響Fig. 2 Effects of plasma treatments on bonding strength of plywood made of high-temperature-dried veneers

2.5 等離子體處理對(duì)高溫干燥單板表面化學(xué)組分的影響

未處理與4.5 kW和8 m/min處理后楊木單板表面的FT-IR圖譜見圖3。由圖3可知，楊木中的甲基、亞甲基、半纖維素和木質(zhì)素等特征峰經(jīng)常壓低溫等離子體處理后仍然非常明顯[14-15]，但其他一些特征峰則發(fā)生了變化，如1 031和1 156 cm-1處的峰強(qiáng)度增加說明C—O數(shù)量有所增加，2 848 cm-1處的峰強(qiáng)度增加則說明C—H數(shù)量有所增加。這說明等離子體處理產(chǎn)生的高能量粒子和活性粒子能量，可使楊木表面的半纖維素氧化，木質(zhì)素降解或者氧化，使膠黏劑在單板表面更容易滲透，從而提高膠合強(qiáng)度。

為進(jìn)一步確定干燥溫度對(duì)楊木單板表面官能團(tuán)的影響，采用Lorentzian-Gaussian函數(shù)對(duì)X射線光電子能譜寬掃描中的C1s譜峰進(jìn)行分峰擬合，結(jié)果如圖4所示。

圖3 未處理與4.5 kW和8 m/min處理后楊木單板表面的FT-IR圖譜Fig. 3 The FT-IR spectrum of untreated and 4.5 kWand 8 m/min treated poplar veneer surface

圖4 未處理與4.5 kW和8 m/min處理后楊木單板XPS的C1s分峰圖譜Fig. 4 The XPS C1s spectra of untreated and 4.5 kW and 8 m/min treated poplar veneers

處理?xiàng)l件C元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%C1C2C3C4未處理65492637554224處理后54083344924324

3 結(jié) 論

1)楊木單板在230℃的干燥條件下，UF和PF膠在單板表面的接觸角明顯增大，膠合板膠合性能明顯下降。高溫干燥單板所制膠合板相比常規(guī)干燥單板所制膠合板的膠合強(qiáng)度分別下降了46.8%(UF膠)和26.5%(PF膠)。

2)隨著處理處理功率的增大，UF和PF膠在高溫干燥楊木單板表面的初始角和平衡角有所減小，膠合板膠合性能有所提高。當(dāng)處理工藝為6.0 kW和8 m/min時(shí)，UF和PF膠所制膠合板的膠合強(qiáng)度相比未處理時(shí)分別提高了52.0%和57.4%。隨著處理速率的減小，UF和PF膠在高溫干燥楊木單板表面的初始角和平衡角有所降低，膠合板膠合性能有所提高。當(dāng)處理工藝為4.5 kW和2 m/min時(shí)，UF和PF膠所制膠合板的膠合性能相比未處理時(shí)分別提高了56.0%和51.5%。

4)常壓低溫等離子體處理能夠提高高溫干燥楊木單板的膠合特性，實(shí)現(xiàn)有效膠合。這主要是利用等離子體的活性成分對(duì)楊木表面的刻蝕作用，增大楊木單板的表面粗糙度，有利于膠黏劑在單板表面的擴(kuò)散與滲透，從而提高膠合板的膠合強(qiáng)度。

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Effectofplasmatreatmentonsurfacepropertiesofhightemperaturedriedpoplarveneers

NGUYEN Thiphuong1,2, CHEN Weimin1, CAO Yizhong1, CHEN Minzhi1,ZHOU Xiaoyan1*, NGUYEN Quangtrung2, NGUYEN Hongminh2

(1. College of Materials Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China;2. Vietnamese Acacdemy of Forest Sciences, Research Institute of Forestry Industry, Hanoi 100803, Vietnam)

Through the high temperature drying, poplar veneer surfaces can undergo passivation and the surface activity of poplar veneer reduced. As a result, the plywood bonding strength was affected. In this paper, the atmospheric cold plasma was used to modify poplar veneer surfaces for better surface properties and bonding performance. The plywood was prepared by using the veneers that were high-temperature-dried and then plasma-treated. Two main parameters of plasma modification, i.e., plasma processing rate and plasma processing power were adjusted for studying the influence on surface properties of poplar veneers and bonding strength of the modified plywood. The results showed that the plasma treatment can significantly improve the wettability of poplar veneer surfaces. The initial contact angle and equilibrium contact angle of urea-formaldehyde (UF) resin decreased by 18.2% and 17.8% when plasma processing power and processing rate were set to 4.5 kW and 2 m/min, respectively. While the initial contact angle and equilibrium contact angle of phenol-formaldehyde (PF) resin decreased by 40.4% and 38.8%, respectively. Correspondingly, the bonding strength of the plywood prepared by UF and PF resin increased by 56.0% and 51.5%, respectively. The results of further analysis showed that the content of carbonyl on plasma treated high-temperature-dried poplar veneer surfaces increased slightly. After the plasma treatment, the penetration depth of resin into high-temperature-dried poplar veneer significantly increased as well. The average penetration depth of the UF resin into interface increased by 80.0%, while the effective penetration depth of bonding interface increased by 61.9%. After the plasma treatment, the amount of carbonyl on the surface of high temperature dried poplar veneers was increased.

high temperature drying; atmospheric cold plasma; plywood; surface property

2017-03-31

2017-06-13

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFD0600702)；林業(yè)科技成果國家級(jí)推廣項(xiàng)目([2016]42)；江蘇省“333工程”資助科研項(xiàng)目(BRA2016381)；江蘇省科技廳前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(BY2016006-03)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)。

NGUYEN Thiphuong，女，博士，研究方向?yàn)槿嗽彀迮c膠黏劑。

周曉燕，女，教授。E-mail:zhouxiaoyan@njfu.edu.cn

S781

A

2096-1359(2017)06-0015-06