梁文城，楊文斌，張貴忠，馬長城，陳寒嫻

(福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院，福建 福州 350002)

溫度對等離子體處理后竹塑復(fù)合材表面的影響

梁文城，楊文斌，張貴忠，馬長城，陳寒嫻

(福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院，福建 福州 350002)

為改善竹塑復(fù)合材料表面潤濕性能，開發(fā)強(qiáng)度高、粘接性能較好的竹塑產(chǎn)品，以竹粉、PETG和MAPE為原料制備竹塑復(fù)合材料，利用等離子體處理系統(tǒng)在氧氣氛圍下，以300 W功率處理3 min，置于溫度為-40 ℃、26 ℃、65 ℃保存一段時間，利用靜滴接觸角/界面張力測量儀及傅立葉變換紅外光譜儀對其表面潤濕性和官能團(tuán)進(jìn)行表征。結(jié)果表明：接觸角隨著保存時間增加而增大，之后趨于平緩，當(dāng)保存時間小于48 h，在26 ℃條件下的接觸角度數(shù)最小；當(dāng)保存時間超過48 h，在-40 ℃時接觸角最??；經(jīng)過氧等離子處理，其表面含氧基團(tuán)數(shù)量增加。在相同保存時間內(nèi)，26 ℃環(huán)境條件下的C=O和C=C等基團(tuán)的波峰強(qiáng)度最大，但均隨時間延長，各對應(yīng)的波峰強(qiáng)度逐步減弱。

竹塑復(fù)合材料；氧等離子體；溫度；接觸角；紅外光譜

竹材具有生長快、產(chǎn)量高、性能優(yōu)異等優(yōu)點，用其作為原料制備的竹塑復(fù)合材料具有成本低、環(huán)保等優(yōu)點[1-7]，且越來越多經(jīng)表面二次裝飾的竹塑復(fù)合材料被用于家具、地板用材。由于輝光放電等離子體能夠改變材料表面的極性，從而改善材料的粘接性、控制材料表面的親水性[8-11]，但基本都未對處理后試樣所處環(huán)境溫度和處理后試樣表面的時效性進(jìn)行研究。本研究對竹塑復(fù)合材料表面進(jìn)行等離子處理，并研究處理后試樣所處環(huán)境的溫度、時間對等離子體處理后試樣表面的影響，以期為進(jìn)一步利用竹塑復(fù)合材料提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

竹粉：粉末狀，≥100目，浙江臨安明珠竹木有限公司；聚對苯二甲酸乙二醇酯-1，4-環(huán)己烷二甲醇酯(PETG)，比重1.27 g·cm-3，美國伊士曼公司；PE-G-1型馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE)，密度0.922 g·cm-3，南京德巴化工有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

DHG-9240電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實驗設(shè)備有限公司；XSS-300轉(zhuǎn)矩流變儀，上海科創(chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司；DHG-9240A高速渦流多用磨粉機(jī)，張家港市松本塑料機(jī)械有限公司；QD試驗熱壓機(jī)，上海人造板機(jī)器廠；MJ223-600搖臂式萬能木工圓鋸機(jī)，四川都江木工機(jī)床廠；JC2000A靜滴接觸角/界面張力測量儀，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司；Nicolet 380傅立葉變換紅外光譜儀，美國熱電公司；OKSUN-PR60L等離子體表面處理系統(tǒng)，深圳市奧坤鑫科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 竹塑復(fù)合材料制備 竹粉、PETG、MAPE分別在105 ℃、65 ℃、105 ℃干燥至恒重后，用轉(zhuǎn)矩流變儀在195 ℃的條件下密煉5 min，取出，用高速渦流多用磨粉機(jī)反復(fù)破碎2～3次后，取出部分，置于等離子體處理機(jī)中300 W處理3 min，用作傅立葉變換紅外分析試樣；另一部分放在65 ℃條件下持續(xù)干燥8 h以上，熱壓前5 min用80 ℃進(jìn)行熱透，趁熱將粉碎的混合料投入22 cm×22 cm的模具中，立即移至試驗熱壓機(jī)用195 ℃、壓力10 MPa熱壓5 min，待其自然冷卻至室溫后，用搖臂式萬能木工圓鋸機(jī)將所壓的板狀復(fù)合材料切割成1 cm×2 cm的小試樣，置恒溫干燥皿內(nèi)備用。

1.3.2 試樣等離子體處理 為研究經(jīng)等離子體處理后復(fù)合材料在不同溫度環(huán)境下表面狀態(tài)的變化，將等離子體處理的試樣分別放在不同溫度環(huán)境下保存，并對其表面狀態(tài)進(jìn)行表征。具體方法為：將切成小塊竹塑試樣分成3份，用等離子體系統(tǒng)處理，在氧氣的氛圍下，以功率300 W處理3 min后關(guān)閉等離子體，并在常溫含氧氣氛下保存0.5 h，之后取出并置于不同的環(huán)境溫度下保存。本試驗采用福州夏季平均溫度26 ℃為室溫保存環(huán)境，同時對比低于和高于此溫度下的變化情況。為了更容易觀察溫度變化對等離子體處理后的表面影響情況，低溫使用-40 ℃(此溫度為實驗室冷凍干燥機(jī)的最低溫度)，高溫使用65 ℃(高于此溫度時木塑試樣會發(fā)生軟化)，在3種溫度條件下分別保存1、3、6、12、25、48、74、98 h。

1.4 測試與表征

采用靜滴接觸角/界面張力測量儀，蒸餾水為溶液對處理后的竹塑復(fù)合材料試樣進(jìn)行接觸角的測定，每組測9次取平均值；用傅立葉變換紅外光譜儀測試在不同溫度下保存 3 h和6 h竹塑復(fù)合材料的表面官能團(tuán)的變化，方法為KBr壓片法，即按照復(fù)合材料與KBr質(zhì)量比1∶100取樣、置于瑪瑙研缽中研磨均勻后，在壓片機(jī)上以10 MPa壓1 min，得到試樣薄片，將其放入傅立葉變換紅外光譜儀中，在400～4000 cm-1范圍掃描試樣，得出數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹塑復(fù)合材表面接觸角對溫度、時間的響應(yīng)

以水為溶液進(jìn)行接觸角測定，未經(jīng)等離子體處理試樣表面的接觸角約為80.5°，而經(jīng)功率300 W、處理時間3 min的氧等離子體處理后，試樣的接觸角下降到20°(表1)，表明等離子體處理后試樣表面水的潤濕性明顯增強(qiáng)，其主要是由于氧等離子體對試樣表面進(jìn)行刻蝕同時能夠?qū)⒑醯挠H水基團(tuán)接枝到復(fù)合材料表面，從而增加表面的極性[12-14]。隨著保存時間的增加，不同溫度環(huán)境下試樣的接觸角在最初的25 h內(nèi)都表現(xiàn)為急劇增加，但增加的幅度不同。其中26 ℃環(huán)境中比-40 ℃環(huán)境下的增幅略低，但均大大低于65 ℃環(huán)境下的接觸角增幅。同時，在25 h之后的接觸角變化中，26 ℃、-40 ℃環(huán)境下的接觸角的增幅均不大；而65 ℃環(huán)境下的接觸角則呈現(xiàn)緩慢增加的現(xiàn)象，且98 h時的接觸角已基本接近未處理材的接觸角，說明等離子體處理的效果消失。這種情況表明，高溫環(huán)境不利于等離子體處理材的保存。高溫使等離子體處理過的表面失效的原因主要是由于表面含氧基團(tuán)與空氣中的某種氣體發(fā)生反應(yīng)，使得含氧基團(tuán)數(shù)量減少，而隨著保存環(huán)境溫度的增加，這一反應(yīng)加快進(jìn)行，導(dǎo)致含氧基團(tuán)數(shù)量迅速減少，使得接觸角逐漸增大[15-16]。

表1 保存溫度、時間對接觸角角度的影響

2.2 竹塑復(fù)合材表面的官能團(tuán)對溫度、時間的響應(yīng)

由表1可以看出，在保存3 h時試樣接觸角的變化最劇烈，故選擇保存時間在3 h的樣品用傅立葉變換紅外光譜儀表征其表面基團(tuán)的變化，結(jié)果見圖1。從圖1可看出：經(jīng)過功率300 W、處理時間3 min的氧等離子體處理后，1710～1760 cm-1波段的—C=O等波峰都得到加強(qiáng)，表明經(jīng)過氧等離子體處理后，試樣表面的亞甲基、羰基等基團(tuán)數(shù)量增加，本結(jié)論與Liu Yang等[17]的結(jié)論一致。在不同溫度條件下保存3 h的紅外光譜圖中極性基團(tuán)—C=O等的峰強(qiáng)度有不同表現(xiàn)，26 ℃保存3 h對應(yīng)的各波段強(qiáng)度>65 ℃保存3 h對應(yīng)的各波段強(qiáng)度>-40 ℃保存3 h對應(yīng)的各波段強(qiáng)度，說明保存環(huán)境的溫度對試樣表面的基團(tuán)數(shù)量存在一定影響，表現(xiàn)為常溫條件下保存的效果最佳，低溫和高溫都會使得表面的基團(tuán)部分衰減。

等離子處理后試樣在26 ℃下保存3 h、6 h的表面官能團(tuán)紅外光譜見圖2。由圖2可看出：在26 ℃條件下保存的試樣，當(dāng)保存時間由3 h延長至6 h后，試樣表面的官能團(tuán)數(shù)量隨著保存時間的增加而減少，表現(xiàn)為1710～1760 cm-1對應(yīng)的—C=O波峰強(qiáng)度變?nèi)?，這是由于試樣表面基團(tuán)在空氣中被部分氧化的緣故[18]。

圖1 保存溫度對試樣表面基團(tuán)的影響圖2 保存時間對試樣表面基團(tuán)的影響

3 結(jié)論

本試驗結(jié)果表明，竹塑復(fù)合材料經(jīng)過氧等離子體處理的試樣表面的潤濕性得到明顯加強(qiáng)，但隨著保存時間的延長，接觸角在逐漸增大，增長的幅度隨著溫度的升高而變大。

經(jīng)過等離子體處理，用傅立葉變換紅外光譜儀表征竹塑復(fù)合材料表面發(fā)現(xiàn)，其表面的各含氧基團(tuán)的波峰和空白未處理相比都有所增強(qiáng)，在本試驗條件下，變化較為顯著的是在26 ℃條件下保存3 h，其對應(yīng)各基團(tuán)的波吸收峰強(qiáng)度達(dá)到最大，并且隨著保存時間的延長，波峰的強(qiáng)度在減弱，說明試樣表面基團(tuán)的存在具有一定時效性，而且與保存環(huán)境的溫度有關(guān)。

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Effect of Temperature on Surface Properties of Oxygen Plasma Treated Bamboo Plastic Composite

LIANG Wen-cheng，YANG Wen-bin，ZHANG Gui-zhong，MA Chang-cheng，CHEN Han-xian

(CollegeofMaterialEngineeringCollege，F(xiàn)ujianAgricultureandForestryUniversity，F(xiàn)uzhou350002，F(xiàn)ujian，China)

In order to improve the surface wettability then to develop bamboo plastic composites(BPC) with good adhesion，the bamboo/PETG composites were prepared with bamboo power，PETG and MAPE as raw material.The BPC samples were firstly treated for 3 min by oxygen plasma processing system with power of 300 W，then the treated samples were transferred to environments with temperature of -40 ℃，26 ℃ and 65 ℃ respectively for certain time，finally，the wettability and functional groups of BPC were characterized by the static drop Contact Angle and Fourier transform infrared spectrometer respectively.The Contact Angle(CA) increased quickly with holding time and then leveled off.The CA under the condition of 26 ℃ was minimum when the holding time was less than 48 h while，the CA under the condition of -40 ℃ was minimum when the holding time was more than 48 h，The surface oxygen groups increased after oxygen plasma treatment.The intension of functional group of C=O and C=C excited by oxygen plasma was maximum with holding condition of 26 ℃ at same holding duration，but decreased over the holding duration.

bamboo plastic composite；oxygen plasma；temperature；contest angle；infrared spectroscopy

2014-03-21；

2014-04-22

國家自然科學(xué)基金項目(31170535，30771683)；校大學(xué)生創(chuàng)新項目基金資助

梁文城(1990—)，男，福建泉州人，福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院2011級創(chuàng)新班本科生，從事竹塑復(fù)合材料研究。E-mail：LWCJX1990@163.com。

陳寒嫻，福建農(nóng)林大學(xué)講師，從事生物質(zhì)復(fù)合材料研究。E-mail：hanxian1229@163.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.01.009

S781.6

A

1002-7351(2015)01-0043-03