Применение плазменной обработки для модификации поверхности изделий из древесины

Обработка поверхности древесины является одной из ключевых задач в деревообработке и материаловедении, направленной на улучшение эксплуатационных характеристик изделий [1]. Современные требования к древесным материалам включают повышение их износостойкости, устойчивости к влаге, биодеструкции и воспламеняемости, а также улучшение адгезионных свойств для последующего нанесения покрытий [2-4]. Традиционные методы обработки часто связаны с длительным временем воздействия. Обработка поверхности древесины потоками высокоэнтальпийной плазмы представляет собой инновационный метод модификации древесных материалов, основанный на использовании высокотемпературных и высокоэнергетических плазменных струй [5]. В отличие от традиционных методов термообработки и химической модификации плазменная обработка обеспечивает локальный и контролируемый нагрев поверхности древесины с высокой скоростью, что позволяет изменять физико-химические свойства материала без глубокого разрушения структуры. Плазменная обработка, во-первых, приводит к повышению износостойкости и огнестойкости поверхности за счет изменения химического состава и структуры верхнего слоя. Во-вторых, происходит улучшение адгезионных свойства поверхности, что важно для последующих этапов нанесения покрытий и клеевых соединений. В-третьих, способствует снижению гигроскопичности и биодеградации. В-четвертых, обеспечивает экологически чистый процесс без использования токсичных химикатов [6–8]. В результате плазменная обработка древесины может быть широко использована в промышленности .

В настоящей работе представлены результаты исследования влияния обработки поверхности изделий из древесины хвойной породы (сосны) потоком высокоэнтальпийной низкотемпературной плазмы на морфологию и микроструктуру древесины с целью разработки эффективного и экологически безопасного метода модификации поверхности, обеспечивающего повышение износостойкости, огнестойкости, гидрофобности и адгезионных характеристик древесных материалов.

Материалы и методы

В качестве объекта исследования использованы бруски из древесины хвойной породы сосны 100×30×10 см.

На рис. 1 представлена схема стенда для обработки изделий из древесины потоком низкотемпературной плазмы, сконструированного в ТГАСУ [9].

В процессе обработки образцов из древесины мощность плазменного генератора меняли в широких пределах — от 14,4 до 25,5 кВт. Сканирование поверхности образцов проводили со скоростями от 0.05 до 0.1 м/с при величине удельного теплового потока, равной 1,8∙106 Вт/м2, и скорости обработки 0,03 м/с [5].

Оптические исследования проводили при помощи цифрового микроскопа YaSmart USB 800Х. Микроструктурные исследования поверхности проводили при помощи сканирующего электронного микроскопа Quanta 200 3D.

Результаты и обсуждение

Методом оптической микроскопии были проведены исследования морфологии поверхности срезов образцов из сосны до и после плазменной обработки.

Рис. 1. Устройство стенда для обработки древесины:

1 ) бл ок пит а ния ; 2) гене р ат о р плазме нно го по т ока ; 3 ) а нод н ы й элемент;

4 ) к а мер а д ля фокусир о вки тепловых потоков; 5) направляющие для пода чи об р а зцов ;

6) о бр аб а ты в а емы е о б р аз цы ; 7 ) по т о к пла зм ы

Рис. 2. М икро фото графии п ов ер хно с ти ср е за о б р аз цо в из со сны : а — исходный образец; б — об р а бо т а нны й по т о к о м низ кот емп ературной плазмы

На м ик рофот ог ра фи и поверхности среза древесины до обработ ки ( ри с. 2 а) в и д ны ворсин к и д ли н ой 0, 3 –0,7 мм, образовавшиеся в процессе подготовки об ра зц а . К оли ч ест во ворс инок и размер главным образом зависят от сос тоян ия р ежущего инструмента, ск орости подачи (реза), сорта и влажности дре в е с ин ы [10].

Пос ле возд е й с т вия потоком плазмы ворсинки отсутствуют, наблю д а е тс я о б ра зование волн ооб р аз н о го рельефа поверхности древесины. Такой э ф ф ект свя з ан с ра з н ой реа к ц и ей ранн и х и п озд н и х клет о к древесины на термическое воздействие из- з а ра з н и ц ы в и х п лотности [11; 12]. Ранняя древесина за счет боле е н и зк о й плотн ост и п ри терми ческом воздействии разлагается интенсивнее , ч ем бол ее позд н я я. На ми кроф отографиях (рис. 3а) заметно чередование ра нне й ( область 1 ) и поздней ( о бл ас т ь 2 ) древесины.

Также заметен цветовой градиент от черного на поверхности древесины до желтого на расстоянии 0.5 мм и ниже от поверхности. На рис. 3 б,в выделены три цветовые области, соответствующие разным стадиям разложения древесины. Область 1 толщиной ~0.2 мм имеет черный окрас и соответствует стадии разложения углерода. Область 2 толщиной ~ 0.25 мм имеет градиентный окрас от коричневого до золотистого цвета, соответствует стадии пиролиза древесины. Об- ласть 3 имеет светло-желтый окрас и соответствует исходной древесине (с началом процесса сушки на границе с областью 2).

Рис. 3. М икро фото графии среза образцов из сосны после плазменной о бр аб о т ки: а — цифрами 1 и 2 по ка заны о б ла с т и ра нней и поз дне й др е в е си ны , соответственно; б, в — цифрами 1 и 2 п оказаны области конечной стадии пиролиза и начально й ст адии пир о л иза с о о т ветс тв е нно ; б, в — цифрой 3 область исходной древесины

По дан ны м с ка ни ру ю ще й эле ктронной ми к р о с ко п и и (ри с. 4) , структура поверхности исходны х ( необработанных) образцов из сосны неоднород н ая , шер о хов а т ая , с б о льш и м к ол ичеством открытых пор и каналов (смоляны е х од ы , м еж клет очн ые п ол ос т и , к а пилляры), образованных в результате распило вк и и з де ли й.

Н а эл е кт р о нн ы х с ним к а х о бр а з цо в п о сл е о бр а бо тки потоком низкотемператур н о й пл а з м ы ( р и с . 5 ) з аметно значительное увеличение однородности с т рук тур ы др е ве сины и ум е ньше ние шероховатости поверхности за счет терми ч е ско г о р аз л о же ния др е в е с ны х в о л окон. Виднеются продукты разложения древе с и н ы — частички саж и п о в с ей пл ощади поверхности древесины. Наблюдается бо ль ше е кол и ч е с т во п о р и к а на л ов, к о торые до плазменной обработки были скрыты др е в ес ны м и во ло кна ми . По р ы и к а н а лы частично или полностью заполнены смол а м и . Эт о св я за н о с дв иже ние м с мо л к по ве рх н ос ти п ри термическом воздействии [13].

Рис. 4. Микро фото гр афии сканирующей электронной микроскопии повер х нос т и д р ев е си ны до обработки потоком низкотемпературной плазмы

Рис. 5. Микрофотографии сканирующей электронной микроскопии поверхности древесины после обработки потоком низкотемпературной плазмы

Заключение

Плазменная обработка древесины представляет собой перспективный высокоэффективный подход к модификации поверхностных свойств древесных материалов. Комплексное исследование морфологии и микроструктуры поверхности подтвердило возможность контролируемого изменения физико-химических характеристик древесины.

Методом оптической микроскопии установлено, что на поверхности формируется многослойная структура с чётко выраженными областями разложения и цветовым градиентом, а также изменением морфологии поверхности - появляется волнообразный рельеф, обусловленный неоднородностью плотности ранней и поздней древесины.

С помощью сканирующей электронной микроскопии было обнаружено значительное сглаживание и уплотнение поверхности, снижение её шероховатости, а также раскрытие ранее невидимых пор и каналов. Под воздействием тепла смолы перемещаются и частично заполняют пористые структуры, что способствует увеличению гидрофобности и улучшению адгезионных характеристик поверхности.