麦秸表面低压射频等离子体改性机理研究

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利用农作物秸秆代替木材生产人造板是国内外人造板研究领域中的热点研究之一。由于农作物秸秆表面富含角质层,严重影响了产品的胶合性能,成为了制约农作物秸秆人造板产业发展的主要技术难题之一。目前采用的异氰酸酯存在成本高、生产工艺复杂等问题,导致农作物秸秆人造板产业化进展缓慢。为了适应市场需求,采用价格低廉的脲醛树脂或酚醛树脂生产秸秆人造板势在必行。本研究针对此问题,采用低压射频等离子体,对麦秸表面进行改性处理,显著改善麦秸表面的润湿性能及麦秸与醛类树脂胶黏剂界面之间的胶合强度,为提升秸秆人造板的产品质量提供了理论依据。本文系统地研究了低压射频等离子体处理对麦秸表面形貌、化学组成、表面润湿性及界面胶合性能的影响,阐明了低压射频等离子体对麦秸表面的改性机理,得出了较优的处理工艺。研究结果表明:1.麦秸内外表面化学结构及成分有所不同。麦秸外表面比较光滑,含有角质层,为脂肪族化合物,多为高级脂肪醇和高级脂肪酸生成的酯类(蜡状层)。角质层的存在影响了醛类树脂胶黏剂的润湿,影响了与胶黏剂之间的胶合强度。2.经等离子体处理后,麦秸内外表面表面形貌发生了明显的变化,表面呈被刻蚀现象,表面粗糙度Ra明显变大;通过原子力显微镜观测麦秸纤维表面可知,等离子体对麦秸表面产生了明显的纳米级别的刻蚀作用。此外,随着处理时间的延长,等离子体对麦秸表面刻蚀作用愈发明显;随着射频功率的加大,等离子体对其表面刻蚀得越发细致均匀;不同气体的等离子体,处理效果有所不同,氧气处理效果最佳。通过对麦秸表面形貌分析可得,处理时间为150s,处理功率为200W~300W,氧等离子体为较优处理工艺。3.经低压射频等离子体处理后,麦秸内外表面的元素含量及化学组成发生了明显的变化,表面产生了大量的自由基,氧元素含量显著增加,碳元素含量显著降低,通过对C谱分峰可知,处理后C1含量降低,C2、C3含量增高;另外,对于麦秸外表面,等离子体处理后硅元素含量有所提高。扫描电镜-能谱仪也可证实此结论。对于不同的处理条件,随着处理时间的延长,射频功率的加大,麦秸表面O/C比含量变化愈加明显;不同气体的等离子体,处理效果有所不同,如在氧气处理条件下,麦秸内外表面氧元素增加最为明显,而在氨气处理条件下,麦秸内表面氮元素有所增加。综合分析等离子体处理对麦秸化学组成的影响可得,处理时间为150s,处理功率为200W~300W时,氧等离子体为较优处理工艺。4.经过低压射频等离子体处理后,麦秸内外表面自由能显著提高,不同种类的胶黏剂(UF、PF和MDI)在麦秸内外表面的接触角均明显降低,扩散-渗透系数K值明显升高,即说明等离子体处理显著改善了麦秸表面润湿性。随着处理时间的延长,内外表面的润湿性也随之增高;随着处理功率的加大,内外表面润湿性也最之增大,但功率达一定程度时,改善幅度降低;不同处理气体改善效有所不同,其中氧气条件下处理效果最好。对于麦秸表面的润湿性,处理功率为200W~300W,处理时间为150s,氧等离子体处理条件下,三种胶黏剂对麦秸外表面的平衡接触角下降达55.17%~85.09%,为较优处理工艺。5.利用UF、PF作为胶黏剂对低压射频等离子体处理前后单片麦秸不同表面进行胶合时,未处理麦秸的胶合强度较低,特别是外-外表面。而经低压射频等离子体处理后,胶合强度有了显著的提高。随着处理时间的延长,随着处理功率的加大,胶合强度逐渐提高。对于不同气体氛围的等离子体处理时,效果不同。综合看来,射频功率为200W~300W,处理时间为150s,氧等离子体条件下为较优处理工艺,两种胶黏剂在外-外界面的胶合强度提高达531.43%~846.77%。6.低压射频等离子体处理对麦秸表面改性机理:低压射频等离子体中的活性粒子作用麦秸表面时产生了物理刻蚀和化学刻蚀作用。这些刻蚀作用随着处理参数的不同而不同。刻蚀作用能够有效地暴露出麦秸外表面内层的极性物质;同时能有效地提高麦秸内外表面的粗糙度,增加麦秸表面与胶黏剂界面面积,并有利于胶黏剂在界面形成胶钉作用,从而有利于胶黏剂在麦秸表面的扩散与渗透,降低其接触角,提高其胶合强度。除了刻蚀作用,低压射频等离子体中的活性粒子作用于麦秸表面时,可使麦秸表面的化学键断裂,在其表面产生大量新的自由基,这些自由基可与等离子体中的粒子或者麦秸本身反应生成活性官能团,有效地改善麦秸表面的极性,提高其反应活性,从而能使之更有效地与胶黏剂之间进行胶合。
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