張貴忠，陳寒嫻，李文焰，楊文斌，鄭 峰

(福建農(nóng)林大學材料工程學院，福建 福州 350002)

低溫等離子體改性竹粉/PETG復合材料

張貴忠，陳寒嫻，李文焰，楊文斌，鄭 峰

(福建農(nóng)林大學材料工程學院，福建 福州 350002)

等離子體；竹塑復合材料；表面性能

木塑復合材料是用熱塑性塑料和竹纖維并加入少量的化學添加劑和填料等其它助劑，經(jīng)過專門的復合方法而制成的一種復合材料，具有塑料和竹材的雙重特性[1]，即具有如下優(yōu)點：耐酸堿、耐化學品、耐鹽水性好，可以在低溫下使用，耐紫外光、不腐爛、不開裂或翹曲等機械性能好，價格便宜、使用壽命長、易于成型、加工方便、可回收、無甲醛等有害氣體釋放等[2-3]，已被廣泛用于汽車制造、建筑、運輸、包裝等領(lǐng)域[4]。但是由于竹塑復合材料表面的潤濕性不好，粘結(jié)性較差，極大地影響了對其表面的粘結(jié)這一2次加工工藝進行[5]。為提高材料表面的潤濕性能，較為理想的改性方法是等離子體處理技術(shù)[6-10]。等離子體是一種離子化的氣體狀物質(zhì)[11]，包含電子、正離子和中性粒子[12]，一種高能的多種粒子集合體[13]。等離子體按照溫度分為高溫等離子體和低溫等離子體[11]。通常以低溫等離子體處理技術(shù)用于材料表面的改性[11]。低溫等離子體中的活性粒子具有的能量一般都接近或超過 C—C或其他碳鍵的鍵能[14]，會對復合材料的表面改性使材料表面發(fā)生復雜的物理和化學變化，如刻蝕、交聯(lián)等從而改善聚合物表面的接觸角和表面能[15-16]。本文通過低溫等離子體改性竹粉/PETG復合材料，利用觸角測量儀、紅外光譜分析對處理前后竹塑復合材料的表面性能變化進行了初探。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

PETG：型號GN071，美國伊士曼公司；馬來酸酐接枝聚乙烯(maleic anhydride grafted polyethy，MAPE)：型號PE-G-1，密度0.922 g·cm-3，熔融指數(shù)(melt flow index，MFI)0.1～0.3 g·min-1(在190 ℃/2.16 kg條件下測定)，南京德巴化工有限公司；竹粉：100目，浙江臨安市明珠竹木粉有限公司；氧氣：純度≥99.999%，福州華鑫達工氣體有限公司。

1.2 試驗儀器

等離子體表面處理系統(tǒng)(型號OKSUN-PR60L，深圳市奧坤鑫科技有限公司)；傅立葉變換紅外光譜儀(型號Nicolet380，美國熱電公司)；轉(zhuǎn)矩流變儀(型號XSS-300，上?？苿?chuàng)橡塑機械設(shè)備有限公司)；靜滴接觸角/界面張力測量儀(型號JC2000A，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司)；高速渦流多用磨粉機(型號DHG-9240A，張家港市松本塑料機械有限公司)；試驗熱壓機(型號QD，上海人造板機器廠)；搖臂式萬能木工圓鋸機(型號MJ223-600，四川都江木工機床廠)；電熱恒溫鼓風干燥箱(型號DHG-9240，上海精宏實驗設(shè)備有限公司)。

1.3 竹粉/PETG復合材料制備

參考張貴忠等[16]的方法進行竹粉/PETG復合材料制備。將竹粉、PETG分別在100 ℃、60 ℃下干燥9 h，MAPE在100 ℃下干燥5 h；分別稱取竹粉30 g、PETG 70 g、MAPE 3.5 g，充分混合后，放入轉(zhuǎn)矩流變儀密煉，進行熔融共混，溫度170 ℃，時間10 min；取出共混物，粉碎，最后用熱壓機進行熱壓，復合材料成型后再取出冷卻，并剪切成適合測量的試樣。

1.4 低溫等離子體處理

根據(jù)試驗經(jīng)驗，取64個試樣，分為2大組：第1大組處理時間為0.5 min，第2大組處理時間為2 min。等離子體放電功率分別為100、140、180、220、260、300、400、500 W。

1.5 接觸角測試

運用靜態(tài)液滴測角法，采用接觸角測試儀測試各組試樣的接觸角，每組有4 個試樣，每個試樣上取4點，分別測出左右兩邊的接觸角，并取4個數(shù)的平均值作所測角度。

1.6 吸水性試驗

按照GB/T 1462—2005纖維增強塑料吸水性試驗方法[17]進行吸水性試驗。將低溫等離子體處理后的試樣置于20 ℃的恒溫水浴中，每隔一段時間測量1次直至152 h為止，取樣后立即用濾紙擦拭表面的水分，利用分析天平稱量水浸前后的重量變化[18]，并計算吸水率，吸水率為試樣前、后質(zhì)量的改變量與試樣起始質(zhì)量的比值，并記為m[19]。

1.7 時效性研究

試樣經(jīng)不同放電功率的低溫等離子體處理不同時間后，保存于溫度變化不大的室內(nèi)環(huán)境中，以蒸餾水為測試液[16]，測量不同時間段后試樣表面的接觸角，測到接觸角不再隨時間變化為止[19]。

1.8 材料表面官能團測定

參考梁文城等[20]的方法進行材料表面的官能團測定。采用溴化鉀壓片法，溴化鉀和復合材料按照質(zhì)量比為1∶100的比例放于瑪瑙研缽中研磨成粉末，之后用手動壓片機在10 MPa壓力下壓1 min，取出將試樣磨成粉末，按照此法對未處理、放電功率300 W等離子體處理不同時間后復合材料表面的官能團進行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 接觸角分析

處理時間分別為0.5、2 min，在放電功率分別100、140、180、220、260、300、400、500 W的低溫等離子體處理試樣后，分別以蒸餾水、乙二醇為測試液所得的接觸角見圖1。由圖1可知，低溫等離子體處理試樣0.5 min后，試樣表面的接觸角開始隨著放電功率的增大而減少，到400 W達到最?。欢箅S著放電功率的增大，試樣表面的接觸角隨著放電功率的增大而增大。這是由于隨著低溫等離子體放電功率的增大，等離子體氣氛中活性粒子的數(shù)量增加，能量提高，活性粒子對試樣表面的刻蝕作用加強[21]，試樣表面的接觸角減少，試樣表面的潤濕性提高。但隨著放電功率的進一步增加，相當于高放電功率的低溫等離子體對試樣進行高溫加熱，使得試樣表面引入的極性含氧官能團數(shù)量減少，且考慮到極性含氧官能團的親水性對減少材料表面接觸角的貢獻要大于材料表面的粗糙度的[16]，故400 W以上高放電功率的低溫等離子體處理試樣后，試樣的表面接觸角反而增加，潤濕性反而下降。低溫等離子體處理試樣2 min后，試樣表面的接觸角開始隨著放電功率的增大而減少，到300 W達到最?。欢箅S著放電功率的增大，試樣表面的接觸角隨著放電功率的增大而增大。相比于低溫等離子體處理0.5 min后的試樣，低溫等離子體處理2 min后試樣的表面接觸角的最小值遷移至300 W，這是由于隨著處理時間的增加，氧化層厚度增加，含氧官能團的極性增強[22]。

2.2 吸水率分析

放電功率分別為100、200、300、400、500 W的低溫等離子體處理試樣5 min后，試樣的質(zhì)量隨浸水時間延長的變化見表1。由表1數(shù)據(jù)計算可得，各試樣浸泡152 h后，吸水率分別為m100W=1.26%，m200W=1.58%，m300W=1.93%，m400W=1.90%，m500W=1.68%。說明放電功率在300 W及以下的低溫等離子體處理試樣后，試樣的吸水率隨低溫等離子體放電功率的增大而增加；放電功率300 W以上的低溫等離子體處理試樣后，試樣的吸水率隨著低溫等離子體放電功率的增大而減少。這是由于300 W及以下低放電功率的低溫等離子體處理試樣后，增加低溫等離子體放電功率會促進低溫等離子體內(nèi)部的非活潑性粒子轉(zhuǎn)化為能量較高的易于參與反應的活潑性粒子，有利于低溫等離子體與試樣表面的反應，使試樣表面的氧元素含量升高，極性含氧官能團數(shù)量增多[23]，吸水率升高；隨著功率的進一步增加，活性粒子從電場中獲得的能量增高，粒子間相互碰撞的幾率就變大，導致粒子能量損失，使得活性粒子與試樣表面的分子作用的幅度減弱[21]，從而導致潤濕性的相對下降，吸水率降低。

表1 低溫等離子體處理5 min后的試樣隨浸水時間延長的質(zhì)量變化

2.3 時效性分析

放電功率為300 W的低溫等離子體分別處理試樣0.5、2 min后，試樣表面接觸角隨保存時間延長的變化見圖2a。從圖2a可以看出，低溫等離子體處理2 min后試樣表面的接觸角在24 h后達到穩(wěn)定，而低溫等離子體處理0.5 min后試樣表面的接觸角在144 h后達到穩(wěn)定，且低溫等離子體處理2 min后試樣表面接觸角的穩(wěn)定值更小，即低溫等離子體處理2 min后試樣的時效性更優(yōu)。這是由于隨著處理時間的增加，試樣表面引入的極性含氧官能團數(shù)量增多，表面極性增強[22]。放電功率分別為220、300 W的低溫等離子體處理試樣2 min后，試樣表面的接觸角隨保存時間延長的變化見圖2b。從圖2b可以看出，放電功率為220 W的低溫等離子處理試樣后，試樣表面的接觸角相比于放電功率為300 W的低溫等離子體處理的試樣表面的接觸角更遲趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定值更大，說明放電功率為220 W的低溫等離子體處理的試樣的時效性較劣。這是由于放電功率300 W的低溫等離子體處理試樣后，試樣表面引入的極性含氧官能團數(shù)量最大，表面極性最強，表面潤濕性最高[16]。

2.4 FTIR分析

3 結(jié)論

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Using the Low Temperature Plasma to Modified the Bamboo Powder/PETG Composites

ZHANG Gui-zhong，CHEN Han-xian，LI Wen-yan，YANG Wen-bin，ZHANG Feng

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

plasma；bamboo plastic composite；surface properties

10.13428/j.cnki.fjlk.2016.02.019

2015-06-08；

2015-07-19

國家自然科學基金資助項目(31170535、30771683)

張貴忠(1990—)，男，福建南平人，福建農(nóng)林大學材料工程學院本科生，從事木塑復合材料研究。E-mail：979415901@qq.com。

陳寒嫻(1983—)，女，福建農(nóng)林大學材料工程學院講師，從事竹基復合材料研究。E-mail：hanxian1229@163.com。

TU531.3

A

1002-7351(2016)02-0101-05