木质纤维表面润湿性能表征及应用举例
玻璃纤维增强杨木重组木的表面动态润湿性
玻璃纤维增强杨木重组木的表面动态润湿性郭晓磊;林雨斌;那斌;王金鑫;邓敏思【摘要】研究了密度和添加玻璃纤维这两个因素对杨木重组木的表面动态润湿性能的影响,采用水和环氧树脂作为实验液体.利用动态接触角模型对接触角随时间增加的变化情况进行拟合,并通过拟合函数得出的液体在表面铺展和渗透的速率来反映表面动态润湿性的高低.结果表明,随着密度的增加,杨木重组木表面动态润湿性呈降低趋势,且水相比于环氧树脂在杨木重组木表面的铺展渗透速率更高,润湿性更高.对玻璃纤维增强杨木重组木空白处和玻璃纤维与杨木基交界处两种不同表面的动态接触角进行了测试分析,发现水和环氧树脂在玻璃纤维与杨木基交界处的表面动态润湿性相比在空白处均有显著降低.因此,通过玻璃纤维的添加可以抑制水的渗透,进而改善杨木重组木的尺寸稳定性.【期刊名称】《东北林业大学学报》【年(卷),期】2018(046)010【总页数】5页(P82-86)【关键词】重组木;表面润湿性;玻璃纤维;密度;杨木【作者】郭晓磊;林雨斌;那斌;王金鑫;邓敏思【作者单位】南京林业大学,南京,210037;南京林业大学,南京,210037;南京林业大学,南京,210037;南京林业大学,南京,210037;南京林业大学,南京,210037【正文语种】中文【中图分类】S784重组木是在保持木材纤维排列方向一致的基础上，利用碾压疏解后的木束重新铺装热压制备得到的的新型木质复合材料,具有很高的原料利用率[1-2]。
重组木既保存了实木的优质性能，又把实木不具备的一些性能包含其中。
实木的一些天然缺陷在重组木工艺制备过程被剔除，由此大大拓展了重组木的应用范围[3-4]。
木材的动态润湿性能是反应液体在木材表面延展和浸润过程的重要参数指标，也是木材开展改性处理和复合研究的重要的界面特性表征技术[5-6]。
木材动态润湿性能的好坏将对木材的胶合强度、力学强度及尺寸稳定性能等有着显著影响[7]。
国内外学者针对如何提高木材的表面润湿性能已经进行了丰富的研究。
木质纤维的性能特点及其在工程中的应用[1]
![木质纤维的性能特点及其在工程中的应用[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/0da6c51a227916888486d786.png)
0.850 mm筛通过率
% 85 ±10
2
普通筛分析
0.425 mm筛通过率
% 65 ±10
0.106 mm筛通过率
% 30 ±10
3灰份含量
% 18 ±5
4 PH值
7. 5 ±1
P
不小于纤维自
强
,而对吡啶类
,酮类和芳香类化合物吸附能力很弱甚至不
种纸类进行加工而制得木质纤维。不管生产原料有何不同,
但是木质纤维最终都是以纤维素为骨架,以半纤维素和木
质素作为填充或粘结物的一种天然有机高分子化合物[3 ,
4 ]。
纤维素的化学式(C6 H10O5) n , n是重复的糖单元数量或
聚合度DP ,大多数造纸纤维的加权平均聚合度为600 -
括吡啶类
,酮类和芳香类化合物
,增加沥青用量
,减小自由
沥青量
,增加沥青结合料粘度
,达到减少或防止沥青路面
"
泛油
"现象的发生。
谢伦堡法和网篮法析漏试验
,都可以表征出木质纤维
5吸油率%身重量的5倍
6含水率% < 5. 0
7耐热性,210 ℃,2 h %
颜色,体积基
高沥青路面高温稳定性低温抗裂性等作用。
[关键词]木质纤维;沥青混凝土;SMA
[中图分类号] TU531. 13 [文献标识码]B [文章编号]1005 -6270(2007) 05 -0054 -05
The Performance and Application of Cellulose Fibers
表面活性剂的润湿性能
表面活性剂的润湿性能一、润湿功能例子：水润湿玻璃，加入表而活性剂润湿容易；水滴在石蜓上，石蜡几乎不被润湿，加入少量表面活性剂石蜡就容易被润湿了；较厚的毛毡或棉絮放入水中，很难渗透，加入一些表面活性剂就容易淀透了。
表面活性剂具有渗透作用或润湿作用所谓润湿畏指一种流体被另一种流体从冏体丧而或冏液界面所取代的过程。
润湿过程往往涉X三相，其中至少两相为流体。
1.润湿过程润湿作用畏一个过程。
润湿过程主要分为三类：沾湿、漫湿和铺展。
产生的条件不同。
其能否进行和进行的程度可根据此过程热力学函数交化判断。
在恒温恒压条件下可方便便用润湿过程体系自由能变化裘征。
（1）沾湿主要指液•气界面和冏•气界而上的气体被液体取代的过程，在此过程中消失的同-气界而的大小与其后形成的同-液界而的大小是相等的。
如喷洒农药，农药附着于植物的枝叶上。
沾湿附着发生条件：丄6.*=丫汨丫奸丫® < 0W A=Y O G-*L+YL G P0 （沾湿）式中：丫力、丫花和YLG分别为气-同、液-冏和气-液界而的表而张力（2）淀湿汪湿是指同体決入液体的过程，原有的固气界面空气被同液取代。
如洗衣时衣物泡在水中；织物染色前先用水漫泡过程汪湿发生条件：厶G=丫汨丫*疮0W,=Y OG-Y S L>O（W.:漫湿功）（3）铺展液体取代同体表面上的气体，冏-气界面被同-液界而取代的同时液体表而能够扩展的现象。
铺展发生条件为：AGc=YoL+Yui-YoG j£S（）S=Y W Y H Y LG AO（S：铺展功）一般，若液体能够在冏体裘面铺展，则沾湿和淀湿现象必然能够发生。
从润湿方程可以看出：冏体自由能WG越大，液体裘面张力越低，对润湿越有利。
2.接触角和润湿方程（杨氏方程）接触角：冏、液、气三相交界处自同-液界而经过液体內部到气液界面处的夹角。
接触角与冏-液，冏-气和液-气表面张力的关系可裘示为：比G-Y沪Y LG CQSO杨氏方程COS 0 = （Y^-YOL）/yui加入丧而活性剂，丫mJ COS <9 t 0 I& >90°不润湿&<90。
表面活性剂的润湿性能
表面活性剂的润湿性能一、润湿功能例子：水润湿玻璃，加入表面活性剂润湿容易；水滴在石蜡上，石蜡几乎不被润湿，加入少量表面活性剂石蜡就容易被润湿了；较厚的毛毡或棉絮放入水中，很难渗透，加入一些表面活性剂就容易浸透了。
表面活性剂具有渗透作用或润湿作用所谓润湿是指一种流体被另一种流体从固体表面或固液界面所取代的过程。
润湿过程往往涉及三相，其中至少两相为流体。
1.润湿过程润湿作用是一个过程。
润湿过程主要分为三类：沾湿、浸湿和铺展。
产生的条件不同。
其能否进行和进行的程度可根据此过程热力学函数变化判断。
在恒温恒压条件下可方便使用润湿过程体系自由能变化表征。
（1）沾湿主要指液-气界面和固-气界面上的气体被液体取代的过程，在此过程中消失的固-气界面的大小与其后形成的固-液界面的大小是相等的。
如喷洒农药，农药附着于植物的枝叶上。
沾湿附着发生条件：△G A=γSL-γSG-γLG＜0W A=γSG-γSL+γLG≥0 （沾湿）式中：γSG、γSL和γLG分别为气-固、液-固和气-液界面的表面张力（2）浸湿浸湿是指固体浸入液体的过程，原有的固气界面空气被固液取代。
如洗衣时衣物泡在水中；织物染色前先用水浸泡过程浸湿发生条件：△G i=γSL-γSG≤0W i=γSG-γSL≥0 （W i：浸湿功）（3）铺展液体取代固体表面上的气体，固-气界面被固-液界面取代的同时液体表面能够扩展的现象。
铺展发生条件为：△G S=γSL+γLG-γSG≤0S=γSG-γSL-γLG≥0 （S：铺展功）一般，若液体能够在固体表面铺展，则沾湿和浸湿现象必然能够发生。
从润湿方程可以看出：固体自由能γSG越大，液体表面张力γLG越低，对润湿越γLG COS θ γSG θ S γSL 有利。
2. 接触角和润湿方程（杨氏方程）接触角：固、液、气三相交界处自固-液界面经过液体内部到气液界面处的夹角。
接触角与固-液，固-气和液-气表面张力的关系可表示为： γSG -γSL =γLG COS θ 杨氏方程 COS θ=（γSG -γSL ）/γLG加入表面活性剂，γLG ↓ γSL ↓ COS θ↑ θ↓θ＞90°不润湿 θ＜90°润湿 θ越小润湿越好 θ=0°或不存在→铺展将杨氏方程代入W A W i SW A =γLG （1+ COS θ）≥0 θ≤180° W i =γLG COS θ ≥0 θ≤90° S =γLG （ COS θ-1） ≥0 θ≤0° 纤维特性2r γSG =γSL +γLG COS θ θ前进接触角由于液体表面曲率，液体在毛细管中提升力大小 L 为2πr γLG COS θ。
材料表面润湿性及在材料工程中的意义
材料表面润湿性及在材料工程中的意义润湿性是材料表面的重要特性之一，通过静态接触角来表征，影响润湿性的因素主要是材料表面的化学组成和微观结构，主要通过表面修饰和表面微造型来改变材料表面润湿性。
润湿性已经直接应用到了生产和生活中，构建超疏水表面和润湿性智能可控表面是现阶段的研究热点，对于建筑、涂饰、生物医学等领域都有重要的意义。
润湿是自然界中最常见的现象之一，如水滴在玻璃上的铺展，雨滴对泥土的浸润等等。
润湿性是材料表面的重要特性之一，并已经成功运用到人类生活的各个方面，例如润滑、粘接、泡沫、防水等。
近年来，随着微纳M技术的飞速发展以及仿生学研究的兴起，对于固体表面润湿性的研究越来越引起了人们的重视，具有超疏水表面的金属材料具有自清洁作用，从而提高其抗污染、防腐蚀的能力。
而在农药喷雾、机械润滑等方面却又要求液体具有良好的亲水性，所以对于材料表面润湿性的研究在材料工程中具有重要的意义。
为了调控材料表面的润湿性，人们通过接枝、涂层、腐蚀等众多方法从化学组成和微观结构两个方面对材料进行了改性，并取得了良好的结果。
1、润湿性润湿是指液体与固体接触，使固体表面能下降的现象，常见的润湿现象是固体表面上的气体被液体取代的过程。
例如在水干净的玻璃板上铺展，形成了新的固/液界面，取代原有的固/气界面，这个过程的完成与固体和液体的表面性质以及固液分子的相互作用密切相关[1]。
润湿作用实际上涉及气、液、固三相界面，在三相交界处自固-液界面经过液体内部到气-液界面的夹角叫接触角，以θ表示，通常通过Young方程计算得到，该方程是研究液-固润湿作用的基础。
一般来讲，接触角θ的大小是判定润湿性好坏的判据。
若θ=0，液体完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展。
0<θ<90°，液体可润湿固体，且θ越小，润湿性越好。
90°<θ<180°，液体不能润湿固体。
θ=180°，完全不润湿，液体在固体表面凝聚成小球。
第三章 表面活性剂功能与应用——润湿作用
第三章表面活性剂功能与应用——润湿作用一、润湿功能例子：水润湿玻璃，加入表面活性剂润湿容易；水滴在石蜡上，石蜡几乎不被润湿，加入少量表面活性剂石蜡就容易被润湿了；较厚的毛毡或棉絮放入水中，很难渗透，加入一些表面活性剂就容易浸透了。
表面活性剂具有渗透作用或润湿作用所谓润湿是指一种流体被另一种流体从固体表面或固液界面所取代的过程。
润湿过程往往涉及三相，其中至少两相为流体。
1.润湿过程润湿作用是一个过程。
润湿过程主要分为三类：沾湿、浸湿和铺展。
产生的条件不同。
其能否进行和进行的程度可根据此过程热力学函数变化判断。
在恒温恒压条件下可方便使用润湿过程体系自由能变化表征。
（1）沾湿主要指液-气界面和固-气界面上的气体被液体取代的过程，在此过程中消失的固-气界面的大小与其后形成的固-液界面的大小是相等的。
如喷洒农药，农药附着于植物的枝叶上。
沾湿附着发生条件：△G A=γSL-γSG-γLG＜0W A=γSG-γSL+γLG≥0 （沾湿）式中：γSG、γSL和γLG分别为气-固、液-固和气-液界面的表面张力（2）浸湿浸湿是指固体浸入液体的过程，原有的固气界面空气被固液取代。
如洗衣时衣物泡在水中；织物染色前先用水浸泡过程浸湿发生条件：△G i=γSL-γSG≤0W i=γSG-γSL≥0 （W i：浸湿功）（3）铺展液体取代固体表面上的气体，固-气界面被固-液界面取代的同时液体表面能够扩展的现象。
铺展发生条件为：△G S=γSL+γLG-γSG≤0S=γSG-γSL-γLG≥0 （S：铺展功）一般，若液体能够在固体表面铺展，则沾湿和浸湿现象必然能够发生。
从润湿方程可以看出：固体自由能γSG越大，液体表面张力γLG越低，对润湿越有利。
2.接触角和润湿方程（杨氏方程）接触角：固、液、气三相交界处自固-液界面经过液体内部到气液界面处的夹角。
接触角与固-液，固-气和液-气表面张力的关系可表示为：γSG-γSL=γLG COSθ杨氏方程COSθ=（γSG-γSL）/γLG加入表面活性剂，γLG↓γSL↓ COSθ↑θ↓θ＞90°不润湿θ＜90°润湿θ越小润湿越好θ=0°或不存在→铺展将杨氏方程代入W A W i SW A =γLG （1+ COS θ）≥0 θ≤180° W i =γLG COS θ ≥0 θ≤90° S =γLG （ COS θ-1） ≥0 θ≤0° 纤维特性=γSL +γLG COS θ θ前进接触角 由于液体表面曲率，液体在毛细管中提升力大小为2πr γLG COS θ。
木纤维的表面特性
关键词 ：木塑复合材料 ；木纤维 ；表面张力
中 图分 类 号 ：Ｔ １ Ｎ２ ３ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文章 编号 ：０ ９ — １７ ２ １ ）２０ ８ —５ ４ ３２ ３ （０ ０ ０ —１ １０
以聚 乙烯 、 聚丙 烯 、 聚氯 乙烯及 它们 的共 聚物 等 热 塑 性 塑料 和 木粉 、 物秸 杆 粉 、 物种 壳 等木 质 粉 料 为 植 植
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔｏ ｓ ｄ ｈ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔ ｓｏ ｈ ｕ ｆ ｃ ｆ ｏ ｂ ｒ ． ｃ ｕ ｉ ｇ ｔ ｅｓ ｒ ａ ｅ ｔｎ ｉ ｎ ａ ｄ ｉ ａ ｉｔｏ ｔ ｉｆ ｒ ｓｒ ｃ ： ｔ ｙ ｔ ｅ ｃ ａ ａ ｔ ｒ ｉ ｆｔ ｅｓ ｒａ ｅ ｏ ｗｏ ｄ ｆ ｅ ｓ ｉ ｌ ｄ ｎ ｕ ｆ ｃ ｓｏ ｎ ｓｖ ｒａｉ ｎ ａ ｆｅ — ｕ ｓｃ ｉ ｎ ｈ ｅ ｔ ｄ ｅ ｔ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ， ｏ ｔｃ ｎ ｌｓｈ ｖ ｅ ｎ ｍｅ ｓ ｒ ｄ ａ ｄ ｒ ｇ ｅ ｓ ｎ ｈ ｓｂ ｅ ｈ ｏ ｅ ｉａ ｌ ａ ｃ ｌ ｔｄ Ｒｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｈ ｔｔ ｅ ｎ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｓ ｃ ｎ ａ ｔａ ｇ ｅ ａ ｅ ｂ ｅ ａ ｕ ｅ ｎ ｅ ｒ ｓ ｉ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｔ ｌ ｃ ｌｕ ａｅ ． ｓ ｌ ｓ ｏ ｔ ａ ｔ ｏ ｃ ｙ ｓ ｈ ｓ ｒａ ｅ ｔｎ ｉ ｎ ｏ ｒ ｐ ｐ ａ ｎ ａ ｏ ｏ ｂ ｒ ｔ ５ 。 ｉ ４ ．５， ０ ０ ｎ １０ ／ ，ｅ ｐ ｃ ｉ ｅｙ Ａｆｅ ｉｈ ｕ ｆ ｃ ｅ ｓｏ ｆ ｆ ， ｏ ｌ ｒａ ｄ ｂ ｍｂ ｏ ｗｏ ｄ ｆ ｅ ｓ ａ ｉ ｉ ２ Ｃ ｓ ６ ７ ４ ． １ ａ ｄ ３ ． １ ｍＪｍ ｒ ｓ ｅ ｔ ｌ ． ｔ ｒｈ ｇ ｖ ｔｍｐ ｒ ｔｒ ｒ ａｍｅ ｔｔ ｅ ｓ ｒａ ｅ ｔ ｎ ｉ ｎ ｏ ｏ ｌ ｒａ ｄ ｂ ｍｂ ｏ ｗｏ ｄ ｆ ｅ ｓ ｄ ｏ ｓ ｌｒ ｅ ｙ， ｙ １ ．９ ａ ｄ １ ．６ ｒ ｓ ｅ — ｅ ｅ ａｕ ｅ ｔｅ ｔ ｎ ． ｕ ｆ ｃ ｅ ｓｏ ｆｐ ｐ ａ ｎ ａ ｏ ｏ ｂ ｒ ｒ ｐ ａ ｇ ｌ ｂ ６ ３ ％ ｎ ４ １ ％ ｅ ｐ ｃ ｈ ｉ ｔ ｅ ｙ Ｍ ｏ ｅ ｖ ｒ ｔ ｅ ｐ ｌ ｒ ｉｓｏ ｕ ｆ ｃ ｅ ｓｏ ｆｗｏ ｄ ｆ ｅ ｓｄ ｃ ｉ ｅｇ ｅ ｔ ｗｈ ｃ ｎ ｉａ ｅ ａ ｏ ｂ ｒ ｆ ｒｈ ｇ ｉ ｌ ． ｒ ｏ ｅ ， ｏ ａ ｉ ｅ ｆｓ ｒａ ｅ ｔｎ ｉｎ ｏ ｏ ｂ ｒ ｅ ｌ ｒ ａｌ ｖ ｈ ｔ ｉ ｎ ｙ， ｉ ｈ ｉ ｄ ｃ ｔ ｓｔ ｔｗｏ ｄ ｆ ｅ ｓａ ｅ ｉ ｈ ｈ ｉ ｔ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｅ ｔ ｎ ｒ ｒ ｕ ｔｂ ｅ ｆ ｒ ｒｐ ｒ ｔ ｎ ｏ ｏ — ｌｓｉ ｏ ｏ ｉ ｓ ｅ ｅ ａ ｕ ｅｔ ａｍｅ ｔ ｅｍｏ ｅ ｓ ｉ ｌ ｅ ａ ａ ｉ ｆ ｒ ａ ａ ｏ ｐ ｏ ｗｏ ｄ ｐ ａ ｔ ｃ ｍｐ ｓｔ ． ｃ ｅ
5种实木复合地板木材表面润湿性研究
关键词：杨木；色木；红橡；柚木；表面润湿性 地板品牌：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｕｂａｏｂａｏ．ｃｏｍ
Ｓｔｕｄｙ
ｏｎ
ｔｈｅ
Ｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙ
ｏｆ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｖｅｎｅｅｒ ｏｆ Ｆｉｖｅ Ｋｉｎｄｓ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｓｏｌｉｄ
Ｗｏｏｄ Ｆｌｏｏｒｉｎｇ／／ＺＨＡＯ
３１
万 方数据
■■＝＝■１口■Ｕ■了１
９０。左右，说明水能部分润湿木材，但是水几乎不能润 湿柚木；丙三醇的表面张力比水稍小，高于除杨木和
表４
树种
色木外的其他３个树种，对５个木材的接触角都远大 于９０。，说明丙三醇不能润湿木材。
５种树种在丙三醇中接触角测定结果
试件编号———Ｆ—／—Ｐ—————煎Ｃ垄ｏｓ鱼０—————０—／（—。—）一———Ｆ—／—Ｐ—————』Ｃ垡ｏｓ０錾Ｌ—————０／—（。—）—一
可以看出，杨木顺纹试件在水中的前进接触角平均值
约为８００，横纹试件在水中的前进接触角大于９０。，后 退接触角基本为０。，说明水对杨木的润湿性较差；红 橡顺纹试件在水中的前进接触角平均值约为７００，横 纹试件在水中的前进接触角约为８００，后退接触角都 为００，说明水对红橡的润湿性较差；色木顺纹试件在 水中的前进接触角平均值约为６００，横纹试件在水中
收稿日期：２００９－－０５—１３ 修回日期：２００９－０６－１６
结论：润湿性、木材的ｐＨ值、基本密度与木材的胶合 质量密切相关。Ｃｈｅｎ【２１测定了木材表面抽提物对胶
合性和润湿性的影响，发现采用脲醛树脂时润湿性与
胶合强度存在正相关关系。Ｉｌｄｉｋ６Ｍｏｈａｍｍｅｄ—Ｚｉｅｇｌｅｒ 等一１对６个热带树种和６个欧洲树种的表面接触角 进行测定，来描述不同树种润湿特性的差异性，发现 主要憎水性树种（润湿性差）的表面自由能都较低、接 触角大，此外表面自由能还和测试液体的性能有关。
木材浸润性
体表面。
（一）接触角及其测量
接触角示意图
将少量液体滴加到固体表面 上，当液滴与固体表面接触 时，若不铺展，则将形成一 平衡液滴，如图所示，其形 状由固液气三相交界处任意 两相间之夹角所决定，规定 在三相交界处自固液界面经 液滴内部至气液界面之夹角 为接触角，通常用θ来表达。
杨氏公式
Young在1805年在研究表 面张力和毛细现象时通过 大量的实验发现，当三相 平衡时，设δgs、 δgl及 δls分别代表气一固，气一 液及液一固相界面间的界 面张力，δgs、δgl及δls同 时作用于0点，若要使得0 点保持平衡，必须使界面 作用的力相互抵消，即:
δgs =δls+δgl* cos θ
接触角与润湿的关系
接触角θ是实验上可测定的一个量，它与各 界面张力的相对大小有关。
当δgs > δls , θ <90°时，这时候液体可 以润湿固体，称为可润湿;
θ越小，润湿性能越好，θ =0 °时，称之为 完全润湿;
当δgs < δls, θ >90 ° ，称为部分润湿; 当 θ =180 ° ，称为完全不润湿。
Matuana等(1998) 用四种不同耦合剂处理木单板，然后研究了 改性木单板试样的润湿性。基于暴露时间和接触角的关系，改 性试样的浸润行为显示偶联剂处理有助于提高界面的相容性。
Lu等(2002〕研究了maleation对木塑复合材料中聚合物的吸附 必和固定、木材表面浸润性以及界面胶合强度的影响。用两种 MAPP处理的单板试样表现出了不同的浸润行为。结论为改性木 材试样的浸润性主要受偶联剂的酸度、自由MA基团的数量以及 表面极性的影响。
浸润的三个过程
从微观的角度来看，浸 润是一种界面现象，是指 在固体表面液体取代气体 的过程。液体在固体表面 的浸润现象可分为沾湿、 浸湿和铺展三种情况。润 湿方式或过程不同，润湿 的难易程度和润湿的条件 亦不同。
木纤维的表面特性
木纤维的表面特性丁辉;姚鹏;张然;徐世民【摘要】为了考察木纤维的表面特性,通过测取接触角和计算回归相结合的方法,研究了木纤维的表面张力以及在不同温度下的变化趋势.结果表明:在25℃时,杉木、杨木和竹木纤维表面张力分别为46.75、40.01和31.01 mJ/m~2.经高温处理后,杨木纤维和竹木纤维的下降幅度较大,分别下降了16.39%和14.16%;而且,木纤维表面张力的极性部分均有较大幅度的下降.表明高温处理后的木纤维更适合制备木塑复合材料.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2010(043)002【总页数】5页(P181-185)【关键词】木塑复合材料;木纤维;表面张力【作者】丁辉;姚鹏;张然;徐世民【作者单位】天津大学化工学院,天津,300072;天津大学精馏技术国家工程研究中心,天津,300072;天津大学化工学院,天津,300072;天津大学化工学院,天津,300072;天津大学化工学院,天津,300072;天津大学精馏技术国家工程研究中心,天津,300072【正文语种】中文【中图分类】TN213木塑复合材料(wood-plastic composites，WPC)是以聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯及它们的共聚物等热塑性塑料和木粉、植物秸杆粉、植物种壳等木质粉料为原料，经挤压法、注塑法、压制法成型所制成的复合材料[1-2]．WPC具有密度低、成本低、吸水性小、耐腐蚀、使用寿命长、尺寸稳定性好、可生物降解等特点[3-4]．木塑复合材料的生产原料可以采用各种回收利用的废旧塑料，有助于减缓塑料废弃物的公害污染；且材料本身还可回收进行二次利用，因此它是一种全新的绿色环保产品，受到了人们强烈的关注，应用领域也越来越广泛[5-7]．要制备出性能优良的WPC，木纤维表面特性是决定性因素之一．在木塑体系中，木纤维和塑料聚合物并不像溶液那样形成均一、稳定的体系．当塑料聚合物的含量大时，塑料聚合物为连续相，木纤维为分散相；当木纤维的含量大时，则木纤维为连续相，塑料高聚物为分散相，总之，两者间存在明显的相界面[8]．相对于木纤维和塑料聚合物的本体强度，相界面的性能更易受操作条件等因素的影响．所以，木纤维和塑料聚合物间的相界面决定着木塑复合材料的整体性能[9]．而目前对木塑复合材料的研究都着重工艺参数，对木纤维表面性质的研究很少．基于以上原因，笔者测取不同探测液在不同温度下木纤维表面的接触角，借助MATLAB软件对数据进行了处理，得出了木纤维的表面张力及表面张力中的极性部分和非极性部分，并做了红外谱图，对张力随温度变化的规律做出了解释．1.1 试剂和仪器实验材料包括：杨木纤维、杉木纤维、竹木纤维(粒度均为60目)；甲醇；二碘甲烷；甲酰胺；甘油；水．除水外均为化学纯，水为蒸馏水．实验仪器包括：真空泵，型号WL-300，天津市东海真空设备有限公司；带标尺的玻璃管，天津市玻璃厂；气相平衡控制箱，型号BXD(M)99L，天津市隆电电气工程有限公司；岛津傅里叶变换红外光谱仪，型号FTIR-8400S，日本岛津；秒表；升降台．1.2 分析方法固体表面一般可分为高能表面和低能表面两类．高能表面指金属及其氧化物、二氧化硅、无机盐等表面，其表面张力一般在500～5 000 mJ/m2之间；低能表面是指有机固体表面，如石蜡、聚乙烯等高分子化合物，它们的表面张力一般低于100 mJ/m2[10]．根据Kaelble等[11-12]的理论，调和平均方程主要适于求解低能表面的张力，几何平均方程主要适于求解高能表面的张力．由接触角推算固体高聚物的表面张力时，利用调和平均方程也明显优于几何平均方程．木纤维属于低能表面高分子化合物，如所选用的探测液体表面张力均低于100 mJ/m2，可采用调和平均方程求取木纤维的表面张力，即式中：LVγ为探测液的表面张力；sγ为木纤维的表面张力；上标d表示表面张力的非极性部分；上标p表示表面张力的极性部分．将杨氏方程带入到调和平均方程中，可得式中θ为探测液在木纤维表面的接触角．探测液体的表面张力及表面张力中的极性部分和非极性部分已知[13]，那么若求出探测液在木纤维表面的接触角，则对应一种探测液，根据式(2)，就可以得到一个关于木纤维表面张力极性部分和非极性部分的方程，进而对应多种探测液，可得到一个方程组．利用非线性最小二乘法，可迭代求出木纤维表面张力的极性部分和非极性部分，两者之和，就是木纤维的表面张力．因此，问题的关键是求出探测液在木纤维表面的接触角．而求取木纤维表面的接触角利用毛细管法测定木纤维表面张力的Washburn方程[14]，即式中：H为在时间t内液体渗入毛细管的高度；γL为液体的表面张力；μ为液体的黏度；R为毛细管半径；c为对毛细孔在粉末中无规定向的校正因子．对同一粉末体系，在同样的填充条件下，cR近似为一常数，记为．若令则式(3)变为将实验中得到的H2值对t作图，所得到的直线斜率即为K值．选择一种在木纤维表面接触角为零，即cosθ为1的液体(甲醇)作为标准液体，得到K值后，就可以根据式(4)求出毛细管体系的平均有效半径．再使用其他不同液体作为探测液体，通过作图可得到不同的K值，进而求得不同探测液(二碘甲烷、甲酰胺、甘油、水)在该木纤维表面的接触角．1.3 实验过程(1)木纤维处理．将3种木纤维均分两部分：一部分在120,℃烘干7～8,h，目的是脱去木纤维中的水分[15]；另一部分室温(25,℃)、密封并干燥保存．(2)填装木纤维．如图1所示，将小漏斗置于铁架台上，真空泵与玻璃管一端相连，为避免木纤维被吸入真空泵，在连接处以纱布棉阻隔．玻璃管的另一端与小漏斗相连，确保玻璃管在小漏斗下方保持竖直状态．打开真空泵，每次精确称量5,g木纤维，加入到小漏斗中，使其被吸入玻璃管中．轻敲玻璃管壁，确保木粉装入更加紧密．在填装过程中，保持木纤维的填装速度、木纤维质量及填装高度的一致性．(3)数据测量．将填装好木纤维的玻璃管固定在托架上，玻璃管下端为一装有探测液的小槽，置于升降台上．将整个装置放置在气液平衡控制箱中，如图2所示．并将已装好木纤维的待测玻璃管在探测液上放置2,h，以达到探测液分子在木纤维表面的吸附平衡．然后，调节升降台，使玻璃管浸入液体下5,mm．记录上升到不同高度所用的时间及高度值．对同一种探测液体，测量3个平行样．测定后，更换探测槽，换用第2种探测液，在相同的条件下进行测定，重复上述步骤．2.1 木纤维表面特性为了测取木纤维的表面张力，先得出探测液在木纤维上的接触角余弦值，如表1所示．将各探测液的接触角代入式(2)组成方程组，使用MATLAB软件，进行非线性最小二乘法迭代计算，最后求得木纤维的表面张力，如表2所示．从表2可以看出：杉木纤维的表面张力要高于其他两种木纤维，由于在木塑混炼过程中，具有较高非极性表面张力的木纤维会与塑料形成接触良好的界面，这预示着杉木纤维与塑料聚合物的复合界面相容性要好于其他两种木纤维；3种木纤维经过较高温度处理后总表面张力都有所下降，其中，杨木纤维和竹木纤维的下降幅度较大，分别下降了16.39%、14.16%；表面张力的极性部分经高温处理后，均有较大幅度的下降，杉木、杨木和竹木纤维的降幅分别为14.81%、27.14%和22.68%；而表面张力的非极性部分经高温处理后，除杉木纤维有较大幅度的上升，升幅为26.73%外，另两种木纤维的非极性部分基本没有变化．通过对木纤维表面张力的数据分析可以看出，温度的变化对木纤维表面性质具有较大的影响，高温处理后，表面张力中的极性部分有较大下降，塑料属于非极性材料，根据相似相容原理，可以增强木纤维和塑料之间的结合力，有利于制备木塑复合材料．2.2 木纤维表面化学官能团分析2.2.1 红外谱图的分析为了解释张力随温度的变化规律，通过木纤维的红外光谱图分析了木纤维中的主要官能团，木纤维中具体官能团对应的波峰数如表3所示．从表3可以看出以下4个特点．①波数3,200～3,700,cm-1间出现的是羟基中O—H伸缩振动特征峰，说明了木纤维中存在大量缔合状态的羟基；与此对应的波数620,cm-1附近的吸收峰是醇羟基中O—H的面外变形振动．该峰较宽，中等强度，在氢键较强即缔合的情况下向高波数方向移动．②波数在2,800～3,000cm-1左右的吸收峰是饱和烷基中C—H伸缩振动的特征峰．与此对应的是波数为1,370～1,470,cm-1间出现的甲基、亚甲基的面内弯曲振动特征峰，进一步验证了木纤维分子结构中的饱和烷烃链基团．③波数1,650～1,700,cm-1为C=O伸缩振动区，此处的特征峰较多，且重叠现象严重，说明木纤维中含有多种酸、酯、酮及酰胺类物质，这些物质一般存在于木纤维的半纤维和木纤维抽提物中．④在C—O的伸缩振动区，可以看到1,050～1,110,cm-1附近出现的双峰，这属于C—O的非对称伸缩振动，是醚键或缩醛键的特征峰．与纤维素、半纤维素中的吡喃环中的缩醛键C—O—C—O—C对应；同时，在波数为1,150～1,250,cm-1范围内，还有1～2条吸收峰，加上在1,050～1,110,cm-1处的双峰，这与缩醛键会在红外光谱中形成一组3～4条吸收带相吻合．木纤维的红外光谱测定结果说明，在木纤维中大量存在的主要官能团是处于缔合状态的羟基、烷基、羰基、缩醛基．这些官能团处于木纤维表面，将对木纤维表面的理化特性产生不同的影响．其中的羟基、羰基和缩醛基等是形成木纤维表面极性的化学基础，而烷基则形成木纤维表面非极性性质的化学基础．这些木纤维表面官能团极易受到各种外界环境的影响而改变，进而影响到木纤维的表面特性．2.2.2 温度对化学表面官能团的影响分析在木纤维的上述官能团中，烷基基团使木纤维表面的疏水性增加，而羟基、羰基等使木纤维表面的亲水性有不同程度增加．各基团的强弱则体现在接触角的变化上，故高温处理后木粉接触角的变化也从另一个侧面反映出木纤维表面化学官能团的变化．从红外光谱图中可以看出，在一定温度下处理后，木粉的红外吸收峰波数没有明显的差异．从定性的角度来说，在所选温度范围内木纤维的分子结构基本上稳定．但是从定量的角度来考察，在不同温度处理条件下各个官能团吸收峰面积的变化较明显．木纤维表面特性的3个主要官能团的吸收峰分别是：在波数3,400,cm-1处的羟基伸缩振动吸收峰、波数2,900 cm-1处的饱和烷基C—H伸缩振动吸收峰和波数1,060,cm-1处的缩醛基C—O非对称伸缩振动吸收峰．采用吸收强度比法将红外光谱中重叠峰分开，然后将每一个峰转换成高斯分布计算峰面积．测定经不同温度处理后，不同波数对应的吸收峰的面积(即不同官能团的峰面积比值)，其计算结果见表4．从高温处理后的羟基吸收峰与烷基、缩醛基(或醚键)峰面积的比值可以看到：①.3种木纤维中羟基与烷基吸收峰峰面积比值都有所下降，说明在木纤维中羟基的热稳定性较木材中烷基主链的热稳定性要差，从羟基的结构特性来分析，木纤维分子中羟基在热作用下主要会发生失水(失去木纤维表面吸附的游离水)、氢键缔合等情况，但是也不排除在高温下木纤维中相邻高分子链之间的缔合羟基进一步失去水形成醚键的可能性[16]；②木纤维中羟基吸收峰面积与醚或缩醛基峰面积的比值也是下降的．波数在1,060,cm-1左右的吸收峰仅说明它代表是C—O—C的非对称伸缩振动，它既可以是醚键(波数1,150～1,070,cm-1)的吸收峰带，也可以是缩醛键(波数1,030～1,200,cm-1)的吸收峰带．由于木纤维分子结构极为复杂，上述两种化学结构在木材中都大量存在，因此，在木纤维的红外光谱中，波数在1,060,cm-1范围内出现的吸收峰往往是两类基团综合作用的结果．可以认为，木纤维中少部分羟基在高温下脱水形成醚键，从而造成O—H/C—O峰面积比下降．红外实验也证明了木纤维中羟基吸收峰面积与醚或缩醛基峰面积的比值是下降的．木纤维在高温处理下，官能团的变化主要是木纤维中羟基的失水，这种失水造成的结果是木纤维表面羟基的减少和非极性表面官能团的增加，这必然导致表面张力的变小，有利于与非极性材料的结合．(1)制备木塑复合材料需要一定挤出温度，温度对木纤维表面张力有着重要影响．升高温度后，杉木纤维表面张力中的非极性部分增长最高，杨木纤维次之，竹木纤维最低．(2)通过木纤维的红外光谱图分析了木纤维中的主要官能团，并对张力随温度的变化规律做了解释．木纤维在高温处理下，官能团的变化主要是木纤维中羟基破坏，导致木纤维表面羟基的减少，这一变化将对木材的表面张力状态产生影响，有利于制备木塑复合材料．【相关文献】［1］孟召辉，姚正军，周金堂. 麦秸纤维/废旧塑料再生复合材料[J]. 材料科学与工程学报，2008，26(2)：260-263. 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