农作物秸秆等离子体表面改性处理提高界面胶合性能

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2023-09-20

等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质（即电离了的“气体”），它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是由物质原子电离（不同于电解）成离子和自由电子而形成的。在等离子体内离子和电子均匀分布，但是在宏观上表现成电中性。由于离子和电子是组成等离子体的基本粒子，所以等离子体是电和热的良导体，并且它的比热是和温度成正比的。

等离子体按照不同的分类方法可被分为不同的种类。按等离子体所处的状态可将其分为平衡等离子体和非平衡等离子体；按能量形式的不同可将其分为直流放电等离子体、微波放电等离子体、射频放电等离子体和激光等离子体；按工作气压的不同可将其分为常压等离子体和低压等离子体；按等离子体焰温度的不同可将其分为高温等离子体和低温等离子体。而其中低温等离子体又可被分为热等离子体和冷等离子体、用于材料表面改性的通常为低温冷等离子体。

由于低温等离子体中存在着种类多、数量大的活性粒子，这些粒子比通常的化学反应所产生的活性粒子种类更多、活性更强，更容易与其所接触的材料表面发生物理和化学反应，因此常被用于材料表面的改性处理。而在表面改性的各种方法中，等离子体改性是发展最快，并被公认为是最具前景的方法之一。

等离子体改性技术的优点主要在于是一类清洁反应，且反应迅速以秒计，能很快能达到要求的结果，虽然处理时间短，但对材料表面的改性效果却非常明显。而且对于材料的本体性质基本没有改变，改性层的厚度仅停留在其表面几微米。其改性程度的强弱取决于等离子体处理中的各项参数指标，如处理时间、处理功率、放电电压、电极间距、气体类型等。一般来说，材料的表面特征只由最外层的几个单电子层的组分决定，因此利用等离子体处理完全可以达到只对材料表面进行改性，而不改变材料本体性能的目的。

总而言之，等离子体表面改性技术具有以下几个特点：①反应速度快：气体放电的瞬间就能发生等离子体反应，有时几秒钟就能改变材料表面的性质；②反应温度低：接近常温，适合于高分子材料；③能量高：等离子体是具有超常化学活性的高能粒子，在无催化剂的条件下就可实现传统热化学反应所不能实现的反应；④功能强：仅涉及处理材料的浅表面，一般深度在100nm以内。因此，可在保持材料自身特性的同时，对纳米尺度内的表面结构与性质进行重构，赋予材料新的功能；⑤环保型：等离子体作用过程是气—固相干式反应，不消耗水资源、无需添加化学试剂，对环境无残留物，具有绿色环保特征。在如今倡导低能环保的形势下，无需化学品、无需耗用大量水和能源、无需进行废水处理和对环境友好的等离子体处理技术自然越来越受到科研工作者的亲睐。

高分子材料经等离子体改性后，表面的化学特性发生变化，产生了大量的自由基，引入许多极性基团，从而优化表面性能。因此，等离子体在材料科学中的应用日益广泛。近年来，等离子体技术在木材科学领域的研究和应用有明显上升的趋势。因为木质材料也是一种高分子材料，它主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，等离子体改性处理能使木质材料表面活化，产生大量的自由基，从而能生成特定官能团，达到改善木质材料表面特性的目的。同时，等离子体能在木质材料表面产生有效刻蚀，尤其对农作物秸秆而言，其外表面富含二氧化硅及蜡质层等不利于胶合的物质，等离子体改性处理能破坏秸秆表面的弱界面层，并在表面引入羟基、羰基和羧基等含氧官能团，从而达到提高秸秆表面活性的目的。

等离子体中的高能粒子作用在麦秸表面时会产生二种作用：物理刻蚀和化学刻蚀。这些作用会随着处理条件的改变而有所不同。物理刻蚀表现为麦秸表面不同程度凹凸不平的刻痕，这些刻痕能有效地提高麦秸内外表面的粗糙度，增加了麦秸内外表面与胶黏剂胶合面积，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内外表面的扩散、渗透和浸润，降低其接触角，从而增强其胶合强度。化学刻蚀则表现为麦秸表面化学成分的改变，等离子体中的高能粒子作用在麦秸表面使其化学键断裂，产生大量自由基，并能使麦秸表面发生氧化、裂解、聚合等一系列化学反应，或者使麦秸本身的某些基团发生重组，从而在麦秸表面引入大量极性官能团，这些极性官能团能有效地改善麦秸内外表面的极性，提高内外表面的反应活性，从而能使之更有效地与胶黏剂之间进行胶合，从而更有效地与胶黏剂之间进行胶合。

通过等离子体表面改性处理，破坏农作物秸秆弱界面层，重新构建具有一定反应活性的表面，可以显著提高秸秆的界面胶合性能，获得高品质的农作物秸秆人造板产品，大幅提高利用农作物秸秆生产人造板的经济效益。