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木材膠合界面顯著影響木質工程材料的應力/應變傳遞,因此對木材膠合界面的改性可有效增強木質工程材料的宏觀力學性能。近年來,高效可控的低溫等離子體被認為十分適用于增強木材膠合界面及木質工程材料的力學性能。低溫等離子體可在空氣中激發,其內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木材表面改性技術相比,低溫等離子體改性具有改性速度快、效率高和改性過程環保等優點,十分契合社會綠色可持續發展需求。研究表明,低溫等離子體改性會造成木材表面刻蝕和氧化,以上兩點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濕性和滲透性。

低溫等離子體對木材的刻蝕

低溫等離子體對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表面的潤濕性。如圖1.11所示,研究者發現低溫等離子改性的刻蝕作用會降低木材細胞壁厚度,改性后木材細胞壁次生壁上會出現大小不一的凹孔,這是由于低溫等離子體改性過程中木材細胞壁內芳香族和脂肪族高聚物發生降解。細胞壁厚度的減少和凹孔的出現有利于促進膠黏劑在細胞壁內的滲透和填充,并與細胞壁中的大分子形成交聯結構,增強膠黏劑和木材的機械嚙合作用,從而成功提高膠合界面內細胞壁的力學性能。此外,研究結果表明,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,從而成功增強界面的膠合強度。

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胞壁(a、c)和晚材細胞壁(b、d)

低溫等離子體對木材的氧化

木質單板表面含氧基團的數量和種類影響其表面的潤濕性,對木質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(主要包括羥基、羧基和羰基)與水分子會形成氫鍵,促進水及水分散的大分子在材料表面的潤濕。如圖1.12所示,經過低溫等離子體改性麥秸表面出現大量帶負電荷的含氧基團(包括羥基、醚鍵和C=O等),從而提高單板表面的極性力,促進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還可能與膠黏劑大分子產生共價鍵作用,這也有利于促進膠黏劑在其表面的潤濕性,提高膠合強度。針對低溫等離子體氧化木質材料表面機理的研究證實,低溫等離子體內部高能粒子轟擊木材表面會產生大量自由基,其中包括反應性較高的含氧自由基。上述研究結果證實,低溫等離子體改性的木質材料的氧化主要通過自由基反應完成,相關反應位點主要出現在木質大分子結構內較弱的化學鍵,如纖維素β-糖苷鍵和木質素β-O-4結構內Cβ-O共價鍵上。

圖1.12未處理麥秸和等離子體處理麥秸的測量掃描和高分辨率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(包括羥基、羰基和羧基)的相對含量提高，這能夠促進膠黏劑向木材細胞腔和細胞壁內滲透,構建更牢固的互穿聚合物網絡結構,改性木材膠合界面內細胞壁的靜力學性能得到增強。