等离子体对竹材表面改性的相关研究

黄 港

（成都大学 机械工程学院，四川 成都 610106）

随着森林面积的减少，快速生长的竹子作为材料来源变得越来越重要，特别是对于森林匮乏的国家，如印度、中国等。竹业为22多亿人口提供了收入、食物和纤维；世界1/2的人口都在使用和交易竹类产品。竹制品被广泛应用于许多领域，如家具、建筑、乐器等。竹子作为一种生物材料，与其他草本植物相比，具有生长快、加工能耗低、强度大等优点，其某些性能可与木材相比。

目前，我国竹类资源充足，植被面积广阔，种类较多。竹材具有生长速度快、成材周期短、绿色环保、可再生等特点，用途较多，可以代替木材，“以竹代木”能够有效缓解木材的供需矛盾。对竹材进行改性可以提高竹材的利用率，提升竹材板的质量[1]。

利用等离子体对材料表面进行改性是一种相对较新的表面处理技术，最早出现在20世纪60年代。看似神秘的等离子体，其实是宇宙中的一种常见物质，如太阳、星星等，占宇宙的99%[2-4]。等离子体被认为是继固体、液体和气体之后的第四种物质状态，可以由中性气体电离生成。工业中常见的等离子体通常是由正离子和电子明显分离而产生的，进而产生电场、电流和磁场[5-6]。等离子体表面改性技术是通过粒子 （电子、离子和中性原子）来激发、电离或破坏反应物分子，产生一系列蚀刻、聚合、交联和其他复杂的物理和化学效应。只需一个非常薄的表面层的处理深度，就能显著改变界面特性，对基材没有太大影响[7]。

1 等离子体表面改性机理

气体等离子体可以通过将所需气体引入真空室（通常为0.1～10.0 Torr）来产生，然后通过一定能量激发气体，所使用的能量使气体离解成电子、离子、自由基和其他亚稳态激发态[8]。等离子体中产生的自由基和电子与材料表面发生碰撞，破坏共价键，产生自由基。活化材料表面可轻易与激发气体相结合，并提供化学活性基团。等离子体的产生过程可以很容易地控制几个独立变量，如流量、压力、功率输入和时间[9]。由无机气体（如氩、氦、氢、氮和氧）作为工质气体产生的等离子体，导致原子注入、自由基生成和蚀刻反应，而由有机气体（如碳氢化合物和烷基硅烷工质气体）产生的等离子体，导致聚合物形成反应[10]。等离子体分为两类：第一类为非聚合物形成等离子体，第二类是聚合物形成等离子体。等离子体可以通过改变材料的物理性质和化学性质发挥重要作用，等离子体技术也被广泛用于改变材料表面能、提高润湿性和产生官能团等。

2 等离子体对竹材表面润湿性和胶合性的影响

王洪艳等[11]通过使用介质阻挡放电冷等离子体对毛竹和巨龙竹表面润湿性进行了研究。针对毛竹，结果表明，当处理功率从1 kW增加到5 kW时，表面水的接触角随着功率的增大而减小，而表面能呈现相反趋势。当处理次数从1次增加到11次时，表面水的接触角逐渐减小，处理7次后为0°，而表面能逐渐增加。针对巨龙竹，结果表明，当处理功率从 1 kW增加到5 kW时，表面水的接触角随着功率的增大先减小后增大，在4 kW时达到最小值2.84°，而表面能逐渐增大。当处理次数从1次增加到11次时，处理3次时，接触角为2.83°（效果最好）。

巫其荣等[12]研究了不同工质气体放电对毛竹竹壁各部位表面润湿性的影响。当氧气作为工质气体时，在160 W功率以及90 s放电时间下，竹黄接触角减小48.32%、竹肉接触角减小43.59%、竹青接触角减小55.44%。在相同条件下，当氩气作为工质气体时，竹黄接触角减小28.78%、竹肉接触角减小23.46%、竹青接触角减小48.06%。对比发现，利用氧气作为工质气体时影响更大。

杜官本等[13]研究了微波等离子体放电的不同反应距离对甜龙竹表面润湿性的影响。在同样的处理条件下，竹材试件距反应腔越近，短时间内，竹材接触角减小的幅度越大，总体处理效果也越好。

Wang等[14]研究了辉光放电对绿竹表面润湿性的影响。经过辉光放电等离子体在150 W、5 min条件下的处理后，竹材表面由疏水性变为亲水性，初始接触角从115°减小到14°，这种接触角的减小与使用低压冷射频等离子体放电处理竹材相似。但是随着时间的推移，接触角逐渐恢复。

王洪艳等[15]利用射频等离子体，在不同工质气体下，对巨龙竹表面胶合性能进行了研究。结果表明，使用N2、O2、Ar 3种不同工质气体处理巨龙竹后，胶合强度均有所增加，并且区别不大。造成这种结果的原因是，利用等离子体处理巨龙竹表面后，接触角为0°，且自由能差别不大。

3 结论和展望

主要针对等离子体与材料的相互作用，介绍了冷等离子体处理对竹材表面改性。首先介绍了等离子体表面改性的机理，这对理解表面改性技术是非常必要的。其次，针对等离子体处理对竹材表面润湿性、胶合性方面的影响以及不同放电类型和放电气体对竹材表面改性的影响也进行了综述。

利用等离子体对竹材表面进行改性有较好的发展前景，发展方向：

（1）深入探究等离子体表面改性技术机理，找出表面化学变化的原因和机理[16]。

（2）发展等离子体表面改性过程中的原位诊断技术。

（3）优化工艺参数和工艺步骤，实现商业与工业化应用。