農(nóng)作物秸稈等離子體表面改性處理提高界面膠合性能

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時(shí)間：2023-09-20

等離子體又叫做電漿，是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負(fù)電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)（即電離了的“氣體”），它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。等離子體是由物質(zhì)原子電離（不同于電解）成離子和自由電子而形成的。在等離子體內(nèi)離子和電子均勻分布，但是在宏觀上表現(xiàn)成電中性。由于離子和電子是組成等離子體的基本粒子，所以等離子體是電和熱的良導(dǎo)體，并且它的比熱是和溫度成正比的。

等離子體按照不同的分類方法可被分為不同的種類。按等離子體所處的狀態(tài)可將其分為平衡等離子體和非平衡等離子體；按能量形式的不同可將其分為直流放電等離子體、微波放電等離子體、射頻放電等離子體和激光等離子體；按工作氣壓的不同可將其分為常壓等離子體和低壓等離子體；按等離子體焰溫度的不同可將其分為高溫等離子體和低溫等離子體。而其中低溫等離子體又可被分為熱等離子體和冷等離子體、用于材料表面改性的通常為低溫冷等離子體。

由于低溫等離子體中存在著種類多、數(shù)量大的活性粒子，這些粒子比通常的化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的活性粒子種類更多、活性更強(qiáng)，更容易與其所接觸的材料表面發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，因此常被用于材料表面的改性處理。而在表面改性的各種方法中，等離子體改性是發(fā)展最快，并被公認(rèn)為是最具前景的方法之一。

等離子體改性技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要在于是一類清潔反應(yīng)，且反應(yīng)迅速以秒計(jì)，能很快能達(dá)到要求的結(jié)果，雖然處理時(shí)間短，但對材料表面的改性效果卻非常明顯。而且對于材料的本體性質(zhì)基本沒有改變，改性層的厚度僅停留在其表面幾微米。其改性程度的強(qiáng)弱取決于等離子體處理中的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，如處理時(shí)間、處理功率、放電電壓、電極間距、氣體類型等。一般來說，材料的表面特征只由最外層的幾個單電子層的組分決定，因此利用等離子體處理完全可以達(dá)到只對材料表面進(jìn)行改性，而不改變材料本體性能的目的。

總而言之，等離子體表面改性技術(shù)具有以下幾個特點(diǎn)：①反應(yīng)速度快：氣體放電的瞬間就能發(fā)生等離子體反應(yīng)，有時(shí)幾秒鐘就能改變材料表面的性質(zhì)；②反應(yīng)溫度低：接近常溫，適合于高分子材料；③能量高：等離子體是具有超常化學(xué)活性的高能粒子，在無催化劑的條件下就可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)熱化學(xué)反應(yīng)所不能實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)；④功能強(qiáng)：僅涉及處理材料的淺表面，一般深度在100nm以內(nèi)。因此，可在保持材料自身特性的同時(shí)，對納米尺度內(nèi)的表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)進(jìn)行重構(gòu)，賦予材料新的功能；⑤環(huán)保型：等離子體作用過程是氣—固相干式反應(yīng)，不消耗水資源、無需添加化學(xué)試劑，對環(huán)境無殘留物，具有綠色環(huán)保特征。在如今倡導(dǎo)低能環(huán)保的形勢下，無需化學(xué)品、無需耗用大量水和能源、無需進(jìn)行廢水處理和對環(huán)境友好的等離子體處理技術(shù)自然越來越受到科研工作者的親睞。

高分子材料經(jīng)等離子體改性后，表面的化學(xué)特性發(fā)生變化，產(chǎn)生了大量的自由基，引入許多極性基團(tuán)，從而優(yōu)化表面性能。因此，等離子體在材料科學(xué)中的應(yīng)用日益廣泛。近年來，等離子體技術(shù)在木材科學(xué)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用有明顯上升的趨勢。因?yàn)槟举|(zhì)材料也是一種高分子材料，它主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，等離子體改性處理能使木質(zhì)材料表面活化，產(chǎn)生大量的自由基，從而能生成特定官能團(tuán)，達(dá)到改善木質(zhì)材料表面特性的目的。同時(shí)，等離子體能在木質(zhì)材料表面產(chǎn)生有效刻蝕，尤其對農(nóng)作物秸稈而言，其外表面富含二氧化硅及蠟質(zhì)層等不利于膠合的物質(zhì)，等離子體改性處理能破壞秸稈表面的弱界面層，并在表面引入羥基、羰基和羧基等含氧官能團(tuán)，從而達(dá)到提高秸稈表面活性的目的。

等離子體中的高能粒子作用在麥秸表面時(shí)會產(chǎn)生二種作用：物理刻蝕和化學(xué)刻蝕。這些作用會隨著處理?xiàng)l件的改變而有所不同。物理刻蝕表現(xiàn)為麥秸表面不同程度凹凸不平的刻痕，這些刻痕能有效地提高麥秸內(nèi)外表面的粗糙度，增加了麥秸內(nèi)外表面與膠黏劑膠合面積，并有利于膠黏劑在界面形成膠釘作用，從而有利于膠黏劑在麥秸內(nèi)外表面的擴(kuò)散、滲透和浸潤，降低其接觸角，從而增強(qiáng)其膠合強(qiáng)度。化學(xué)刻蝕則表現(xiàn)為麥秸表面化學(xué)成分的改變，等離子體中的高能粒子作用在麥秸表面使其化學(xué)鍵斷裂，產(chǎn)生大量自由基，并能使麥秸表面發(fā)生氧化、裂解、聚合等一系列化學(xué)反應(yīng)，或者使麥秸本身的某些基團(tuán)發(fā)生重組，從而在麥秸表面引入大量極性官能團(tuán)，這些極性官能團(tuán)能有效地改善麥秸內(nèi)外表面的極性，提高內(nèi)外表面的反應(yīng)活性，從而能使之更有效地與膠黏劑之間進(jìn)行膠合，從而更有效地與膠黏劑之間進(jìn)行膠合。

通過等離子體表面改性處理，破壞農(nóng)作物秸稈弱界面層，重新構(gòu)建具有一定反應(yīng)活性的表面，可以顯著提高秸稈的界面膠合性能，獲得高品質(zhì)的農(nóng)作物秸稈人造板產(chǎn)品，大幅提高利用農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)人造板的經(jīng)濟(jì)效益。