CN1292882C

CN1292882C - 利用等离子体改善农作物秸秆与脲醛树脂界面胶合性能的方法

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Publication number: CN1292882C
Application number: CNB2005100409851A
Authority: CN
Inventors: 徐信武; 周定国; 张建红; 徐咏兰; 黄润洲; 周晓燕; 梅长彤; 邵汉良
Original assignee: Nanjing Forestry University
Current assignee: Nanjing Forestry University
Priority date: 2005-07-12
Filing date: 2005-07-12
Publication date: 2007-01-03
Anticipated expiration: 2025-07-12
Also published as: CN1709664A

Abstract

本发明公开了一种利用等离子体改善农作物秸秆与脲醛树脂界面胶合性能的方法。该方法是将待处理农作物秸秆放置于保持一定真空度的改性室，按适当流量通入用于产生等离子体的气体，气体经等离子体发生装置产生等离子体，调节等离子体发生器的处理功率，并使等离子体作用于农作物秸秆表面一定时间，即可实现对农作物秸秆表面改性处理，提高农作物秸秆与脲醛树脂的界面胶合性能。该技术操作简单、成本低、效果好、环保，可广泛应用于秸秆人造板制造等领域。

Description

利用等离子体改善农作物秸秆与脲醛树脂界面胶合性能的方法

技术领域

本发明涉及一种改善农作物秸秆与脲醛树脂界面胶合性能的方法，特别是涉及一种利用等离子体对农作物秸秆表面进行改性以提高秸秆与脲醛树脂的界面胶合性能的方法。

背景技术

脲醛树脂是人造板工业广泛使用的胶粘剂，其成本低，且对木材具有良好的胶合性能。胶合理论认为，脲醛树脂对木材形成胶合强度主要包含如下因素：(1)脲醛树脂渗透木材内部孔隙并固化形成“锚接”，产生机械结合作用；(2)木材表面富含纤维素羟基等极性基团，能够与脲醛树脂发生缩聚反应，产生化学键结合作用。

随着世界木材资源的减少，麦(稻)秸秆被作为新型原料，部分替代木材用于制造人造板。然而，麦(稻)秸秆表面含有蜡状物质和二氧化硅，覆盖了秸秆内部的纤维素羟基，常规脲醛树脂难以浸润秸秆与羟基形成化学键，也难以产生“锚接”作用，导致秸秆人造板胶合性能差，物理力学性能难以达标。

综合国内外研究，改善麦(稻)秸秆与脲醛树脂界面胶合性能的方法有：(1)采用热水对麦(稻)秸进行物理处理；(2)采用酸(碱)对麦(稻)秸进行化学处理；(3)采用粉碎机对麦(稻)秸进行机械处理；(4)采用酶对麦(稻)秸进行生物处理；(5)组合方法(1)和(2)；(6)组合方法(1)、(2)和(3)。研究与实践表明，上述方法对优化麦(稻)秸与脲醛树脂的界面胶合性能效果不明显，而且存在废水污染、工艺繁琐的问题。

等离子体被认为是除了固态、液态和气态以外的物质第四态。利用等离子体对物体表面进行处理可引起了物质表面的化学和物理改性。等离子体表面处理具有清洁、激活、消融、交联等作用。低温等离子体中粒子的能量一般约为几个至十几电子伏特，大于聚合物材料的结合键能，完全可以破裂有机大分子的化学键而形成新键，但远低于高能放射性射线，只涉及材料表面，不影响基体的性能。处于非热力学平衡状态下的低温等离子体中，电子具有较高的能量，可以断裂材料表面分子的化学键，提高粒子的化学反应活性(大于热等离子体)，而中性粒子的温度接近室温，这些优点为热敏性高分子聚合物表面改性提供了适宜的条件。通过低温等离子体表面处理，材料表面发生多种的物理、化学变化，或产生刻蚀而粗糙，或形成致密的交联层，或引入含氧极性基团，使亲水性、粘结性、可染色性、生物相容性及电性能分别得到改善。在适宜的工艺条件下处理材料表面，使材料的表面形态发生了显著变化，引入了多种含氧基团，使表面由非极性、难粘性转为有一定极性、易粘性和亲水性，有利于粘结、涂覆和印刷。这些利用等离子体进行表面改性处理的技术是公知的，但将该技术运用于农作物秸秆进行表面处理未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用等离子体对农作物秸秆进行表面改性处理，从而提高农作物秸秆与脲醛树脂界面胶合性能的方法。

本发明的技术方案是根据在高真空环境中，氧气(以氧气来说明)通过等离子体发生装置形成高能量的等离子体，对农作物秸秆的表面进行轰击，发生如下物理化学变化：(1)秸秆表面的部分高分子链断开，形成化学反应活性高的自由基；(2)以等离子体状态存在的氧气原子和离子等自由基，迅速与秸秆表面的自由基结合，形成新的化学键；(3)秸秆表面受到轰击和刻蚀，微观结构由光滑变粗糙，有利于树脂的渗透。这些变化可以提高农作物秸秆与脲醛树脂界面胶合性能。

本发明的目的是通过下列措施来实现的：

一种利用等离子体改善农作物秸秆与脲醛树脂界面胶合性能的方法，该方法采用等离子体对农作物秸秆表面进行改性处理，并使农作物秸秆表面形成极性基团，提高秸秆表面与脲醛树脂的胶合性能，同时提高脲醛树脂对秸秆表面的浸润性。

所述的方法，它的步骤是将待处理农作物秸秆放置于保持一定真空度的改性室，按适当流量通入用于产生等离子体的气体，气体经等离子体发生装置产生等离子体，调节等离子体发生器的处理功率，并使等离子体作用于农作物秸秆表面一定时间，即可实现对农作物秸秆表面改性处理，提高农作物秸秆与脲醛树脂的界面胶合性能。

所述的方法，其中产生等离子体的气体是氧气、氮气、惰性气体或空气；产生的等离子体为冷等离子体。

所述的方法，其中等离子体发生器是射频或微波等离子体发生器。等离子体发生器给氧气、氮气等发生源提供环境，使其变成等离子体。

采用等离子体对农作物秸秆表面进行改性处理的主要影响因素包括改性室的真空度、等离子体发生器的处理功率、等离子体作用于农作物秸秆表面的处理时间。

等离子体发生器的处理功率取50～500W，功率越大，处理强度越高，一般取100～300W。

等离子体作用于农作物秸秆表面的处理时间取0.5～10min，时间越长，处理强度越高，一般取1～5min。

改性室的真空度取5～30Pa，值越小，越易于形成等离子体，处理强度越高，一般取5～20Pa。

所述的农作物秸秆包括稻草和麦秸。

所述的脲醛树脂指未经过改性的常规脲醛树脂胶粘剂。

本发明的有益效果：

本发明公开的技术具有工艺简单、操作方便、加工速度快、处理效果好、成本低、不易引起环境污染、节能等优点。

以氧气为例的试验表明，经过氧气等离子体处理后，秸秆表面C-C/C-H键含量降低35％，含氧基团(C-O/C＝O/-COOH等)提高26％，另外出现Si、K、Na等元素，表明秸秆表面得到有效刻蚀和化学键重组。

经过秸秆表面对蒸馏水的润湿性测试，未处理稻麦秸外表面浸润角为60-80°，而经过等离子体处理后，润湿角降低到30-50°，表明秸秆对极性液体(备注：脲醛树脂与蒸馏水类似，也为极性液体)的润湿性得到显著提高，脲醛树脂能够有效渗透秸秆。功率越大，处理时间越长，润湿角降低幅度越大。

附图说明

图1是本发明的处理过程示意图。

其中1为改性源，2为减压阀，3为流量计，4为改性室，5为改性室盖，6为开口容器，7为待处理的秸秆材料，8为真空泵，9为等离子体发生器。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不限制本发明。

实施例1：氧气处理稻草

结合图1，具体过程阐释如下：

在真空泵8的抽吸作用下，改性室4内形成高真空环境(真空度：15Pa)；改性源1为氧气，经过减压阀2减压后，通过流量计3控制以40ml/min的流量(由于真空度要求，流量不可能太大，以免真空泵负荷太大。试验表明，只要有氧气进入即可，流量越小越容易达到既定真空度，同时还节省处理介质。真空度是关键参数，流量大小最终也要符合真空度的要求。)进入改性室4内，改性室4内放置等离子体发生器9和开口有机玻璃容器6，有机玻璃容器6内盛待处理稻秸秆材料7。盖上改性室盖5，在15Pa的高真空环境下，调节等离子体发生器9的功率为100W，氧气分子被离解成包含高反应活性自由基的冷等离子体，稻秸秆材料7接受高活性等离子体处理4min。表面原来对水亲合性较低的-C-C-键发生断裂，并与氧气等离子体进行化学接枝，形成极性基团(包括：-C＝O羰基、-COOH羧基)，完成等离子体对秸秆的改性。处理后，稻草表面对蒸馏水的润湿角从72°降低到36°，所形成的极性基团在常温大气中保持活性的时间约为10天。由于润湿角改变、极性基团形成及表面刻蚀作用，经过处理的稻秸秆与未经过改性的常规脲醛树脂胶粘剂的界面胶合性能提高。

实施例2：空气处理稻草

调整改性室真空度为20Pa、改性源1为空气、流量为30ml/min、等离子体发生器功率为200W、处理时间1min，其余处理过程及参数同实施例1。经过空气等离子体处理后的稻秸，其表面对蒸馏水的润湿角从72°降低到44°，所形成的极性基团在常温大气中保持活性的时间约为10天。由于润湿角改变、极性基团形成及表面刻蚀作用，经过处理的稻秸秆与未经过改性的常规脲醛树脂胶粘剂的界面胶合性能提高。

实施例3：氩气处理稻草

调整改性室真空度为20Pa、改性源1为氩气、流量为30ml/min、等离子体发生器功率为200W、处理时间1min，其余处理过程及参数同实施例1。经过氩气等离子体处理后的稻秸，其表面对蒸馏水的润湿角从72°降低到50°，所形成的极性基团在常温大气中保持活性的时间约为10天。由于润湿角改变、极性基团形成及表面刻蚀作用，经过处理的稻秸秆与未经过改性的常规脲醛树脂胶粘剂的界面胶合性能提高。

实施例4：氧气处理麦草

调整改性室真空度为25Pa、改性源1为氧气、流量为30ml/min、等离子体发生器功率为100W、处理时间1min，其余处理过程及参数同实施例1。经过氧气等离子体处理后的麦秸，其表面对蒸馏水的润湿角从67°降低到41°，所形成的极性基团在常温大气中保持活性的时间约为10天。由于润湿角改变、极性基团形成及表面刻蚀作用，经过处理的麦秸秆与未经过改性的常规脲醛树脂胶粘剂的界面胶合性能提高。

Claims

1、一种利用等离子体改善农作物秸秆与脲醛树脂界面胶合性能的方法，其特征在于采用等离子体对农作物秸秆表面进行改性处理，并使农作物秸秆表面形成极性基团，提高秸秆表面与脲醛树脂的胶合性能，同时提高脲醛树脂对秸秆表面的浸润性，具体步骤是将待处理农作物秸秆放置于真空度为5～30Pa的改性室，按适当流量通入用于产生等离子体的气体，气体经等离子体发生装置产生等离子体，调节等离子体发生器的处理功率在50～500W，并使等离子体作用于农作物秸秆表面0.5～10min即可。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于产生等离子体的气体是氧气、氮气、惰性气体或空气。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于等离子体为冷等离子体。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于等离子体发生器是射频或微波等离子体发生器。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于改性室的真空度为5～20Pa。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于等离子发生器的处理功率为100～300W。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于等离子体作用于农作物秸秆表面的处理时间为1～5min。

8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的农作物秸秆包括稻草和/或麦秸。

9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的脲醛树脂指未经过改性的常规脲醛树脂胶粘剂。