木材作为天然的高分子材料，表面具有较高的亲水性，呈现出极性^[1]，而塑料作为高分子化合物，大多为非极性材料，具有化学惰性，表面呈现憎水性，难以润湿和粘合^[2]，因此木材和塑料之间的胶钉因二者界面润湿性不同存在一定的困难^[3]。目前已有一些解决木材与高分子材料界面不相容问题的工艺，如使用微波处理、超声处理、电晕处理、光接枝处理、等离子体处理等物理方法^[4-6]、以及使用乙酰化或偶联剂处理、原子转移自由基聚合、硅烷化处理、溶胶-凝胶法、化学腐蚀法等化学方法，以改善材料表面润湿性，提高材料的界面相容性^[7-10]。其中使用等离子体处理技术的研究逐年增多，这种技术能够改变材料表面的润湿性，同时对材料性质几乎没有影响，已引起各领域研究人员的关注^[11-12]。按照气压分类，等离子体处理技术又分为低压等离子体和大气(常压) 等离子体处理技术^[13]，低压等离子体处理技术不适用于板材的工业生产，因为处理前需对样品环境进行抽真空，然后在特定气体氛围下对材料进行处理，虽然能够明显改变材料的润湿性^[14]，但处理材料的幅面受装置大小限制，相较于大气等离子处理耗费更多的时间和能源^[15-17]。大气等离子体处理在大气中即可进行，处理的均匀程度虽不如低压等离子体处理，但对被处理试件的尺寸没有限制，可进行连续处理，更节省时间和生产成本，因此更适用于工业生产^[18-20]。如果大气等离子体处理技术能够改善木材与塑料板材之间界面相容性，将推动塑料与木材复合板材的发展与应用。

本研究以杨木单板和发泡聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC) 板为研究对象，用大气等离子体处理技术对发泡PVC板胶合面进行预处理，分别探讨处理功率、处理高度、处理速度等因素对发泡PVC板和杨木单板胶合性能的影响，优化表面改性工艺，为生产实践提供相关参考依据，以推进PVC板与木材复合材料的应用。1材料与方法

发泡聚氯乙烯(PVC) 板材为白色，厚度为5 mm，密度为0.6 g·cm^-3，金乐塑胶有限公司；白乳胶，金万得胶黏剂有限公司；砂纸(180 μm)，佛山市锐特研磨有限公司；杨木单板，厚度为2 mm，含水率为9%~11%，福建南平市元乔木业有限公司。

大气等离子表面处理机(TS-PL50mm，深圳东信高科自动化设备有限公司)；打磨机(s3-185, 浙江博大实业有限公司)；热压机(KSH-100T，东莞市科盛实业有限公司)；台式钻床(Z4116，福州工大台钻有限公司)；接触角测量仪(Kruss DSA30，德国Kruss GmbH有限公司)；傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet380，美国Thermo Fisher Scientific公司)；微机控制力学试验机(ETM104B，深圳万测实验设备有限公司)；场发射扫描电子显微镜(NovaNanoSEM230，日本东京FEI公司)。

将发泡PVC板裁成幅面150 mm×100 mm的板材，使用大气等离子表面处理机对发泡PVC板表面进行处理，研究处理高度、处理功率和处理速度对发泡PVC板与杨木单板胶合性能的影响。在单因素试验结果基础上，选择处理功率(X₁)、处理高度(X₂)、处理速度(X₃) 为因素，采用Box-Behnken Design的设计方法，以-1、0、1分别代表自变量的3个水平，因素水平表见表 1。

将经不同条件下大气等离子体处理过的发泡PVC板裁切成50 mm×50 mm的试样，在试样表面取5个点，使用接触角测量仪测试这5个点的表面水接触角，每次使用3 μL蒸馏水，测量水滴稳定后的角度，测试后取平均值。

将杨木单板用砂纸打磨至表面光滑平整，用干净的毛刷扫净表面。单板和发泡PVC板都锯成大小为100 mm×150 mm的试样。选择6组大气等离子体处理的参数，分别对6块发泡PVC板进行处理后，用刷子分别在6块发泡PVC板表面均匀地涂上白乳胶，施胶量为130 g·m^-2，迅速将同样大小的单板放在PVC板表面，6组试样同时放入冷压机进行压制，设置冷压压力为1 MPa，时间为2 h，取出后静置24 h，制成PVC板与杨木单板的双层复合板试件。将每片复合板切成6块50 mm×50 mm的小试件，参照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》中的表面胶合强度测定方法1，使用万能试验机测试其胶合性能^[21]，测试后取6个值的平均值。

使用扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM) 观察经大气等离子体处理后的PVC表面形貌和表面化学成分变化。用刀片从处理后的PVC板表层切下厚度约1 mm的样品，对其进行喷金处理，通过扫描SEM观察发泡PVC板表面微观变化。

固定等离子体处理速度(60 mm·s^-1)，功率(600 W) 不变，在不同处理高度下对发泡PVC板胶合面进行大气等离子处理，处理后测试其表面水接触角，接触角达到平衡时进行测量。从图 1中可以看出，经大气等离子体处理后的PVC板表面接触角明显减小，随着处理高度的升高，接触角有上升的趋势，说明在速度和功率一定的情况下，高度越高，接触角越大。这是因为随着处理高度的增大，与PVC板表面接触的等离子体数量减少^[22]，处理效果减弱。

	图 1 大气等离子体处理高度对PVC板表面接触角的影响 Fig. 1 Effect of atmospheric plasma processing height on the contact angle of PVC surface
图选项

固定等离子体处理速度(60 mm·s^-1)，高度(10 mm) 不变，在不同处理功率下对PVC板表面进行大气等离子体处理，处理后测试其表面水接触角，接触角达到平衡时进行测量。从图 2中可以看出，随着大气等离子体处理功率的增大，发泡PVC板表面接触角呈现波动变化，接触角先减小，但功率继续增大时，接触角又会增大。开始接触角减小润湿性增强是由于大气等离子体处理对PVC板表面产生了刻蚀作用，但随着等离子体处理功率的进一步增加，等离子体能量提高，使PVC板表面被刻蚀程度增大，使原本为纳米级别的空隙变为微米级^[23]，导致接触角波动变化。

	图 2 大气等离子体处理功率对PVC板表面接触角的影响 Fig. 2 Effect of atmospheric plasma processing power on the contact angle of PVC surface
图选项

固定等离子体处理功率(600 W)，高度(10 mm) 不变，在不同处理速度下对发泡PVC板表面进行大气等离子体处理，处理后测试其表面水接触角，接触角达到平衡时进行测量。从图 3中可以看出，接触角波动变化。这是因为试验使用的大气等离子体处理仪的喷头采用的是阵列型等离子体射流源，等离子体射流呈点状排布，速度大小与处理时间负相关；速度加快，喷射时间短，使得等离子体处理发泡PVC板表面不够均匀^[24]，导致接触角平均值增大。

	图 3 大气等离子体处理速度对PVC板表面接触角的影响 Fig. 3 Effect of atmospheric plasma processing speed on the contact angle of PVC surface
图选项

以大气等离子体处理的功率、高度、速度为试验因素，以杨木单板与PVC板的胶合性能为响应值，共17个试验点。采用Design-Expert 8.0.6软件BDD设计模型进行试验设计，其试验结果如表 2所示。

采用Box-Behnken进行拟合，建立二次响应面回归模型，并推算最优相应因子水平，得到胶合性能(G) 回归方程。

通过回归方程的方差分析，其结果如表 3。各因素与响应值之间的线性关系显著，模型的显著水平为P=0.013 4，且该回归方程的失拟项为P=0.280 5 (＞0.050 0)，拟合良好，可进一步说明利用回归方程所确定的最佳处理工艺条件具有一定可信性。根据F值的大小可知3个因素对胶合性能影响的大小顺序为：X₂＞X₁＞X₃，即高度＞功率＞速度。3个影响因素之间，两两因素之间没有明显的交互影响。

根据胶合强度的回归方程进行预测，得到优化因子组合，处理功率为732 W、处理高度为7.7 mm、处理速度为58.9 mm·s^-1时，发泡PVC板与杨木单板的胶合强度预测最高值为1.5 MPa。采用优化因子组合进行试验，与未处理条件下的试件进行对比试验，如图 4。在优化的工艺条件下试验测得发泡PVC板与杨木单板的胶合强度为1.49 MPa，与回归方程预测值接近，进一步验证了回归方程的可靠性。优化条件下的胶合强度是未处理的6.77倍，说明大气等离子体处理提高PVC板与杨木单板的胶合性能效果明显。

	图 4 处理前后发泡PVC板与木质单板之间的胶合性能 Fig. 4 Bonding strength between foamed PVC and veneer before and after treatment
图选项

在处理功率为600 W，处理速度为60 mm·s^-1的条件下，在不同处理高度下发泡PVC板经大气等离子体处理前后的表面微观结构如图 5所示。可见经大气等离子体处理效果较明显，而未经处理的发泡PVC板表面较为平整，处理后的发泡PVC板表面粗糙，有很多杂乱无章的沟壑，处理高度的提升使沟壑变浅变少，使润湿性减小，接触角提高，符合接触角试验的结果。说明大气等离子体处理后，发泡PVC板表面的粗糙度增加，增加了发泡PVC板与胶液的胶钉面积，使发泡PVC板与单板的胶合性能有很大的提高。等离子体处理的深度非常薄，仅为纳米级别^[25]，对表面产生物理刻蚀作用，对材料整体的性质几乎没有影响^[26-28]，却可以使材料表面的润湿性发生显著变化。

注：A. 未经大气等离子体处理; B. 5 mm下大气等离子体处理; C. 10 mm下大气等离子体处理; D. 15 mm下大气等离子体处理。 Note: A. without atmospheric plasma treatment; B. after atmospheric plasma treatment at a height of 5 mm; C. after atmospheric plasma treatment at a height of 10 mm; D. after atmospheric plasma treatment at a height of 15 mm. 图 5 大气等离子体处理前后PVC板表面微观结构 Fig. 5 Scanning electron micrographs of PVC before and after atmospheric plasma treatment

图选项

本研究通过单因素分析，结合响应面分析法研究了大气等离子体处理高度、处理功率、处理速度对发泡PVC板表面润湿性的影响及其对发泡PVC板与杨木单板胶合性能的影响。处理高度、处理功率和处理速度都会影响大气等离子体处理的效果，大气等离子体处理会刻蚀发泡PVC板的表面，进而影响发泡PVC板表面润湿性。随着处理高度减小，发泡PVC板的润湿性会增强；处理功率和处理速度对发泡PVC板表面的润湿性有不同程度的影响，也影响着发泡PVC板与杨木单板之间胶合性能。大气等离子体处理的3个因素对发泡PVC板与单板胶合性能影响的大小顺序依次为处理高度、处理功率、处理速度。当处理高度、处理功率和处理速度分别为7.7 mm、732 W和58.9 mm·s^-1时，发泡PVC板与杨木单板的胶强度为1.49 MPa，达到了未处理的胶合强度的6.7倍。可见，大气等离子体处理能改善发泡PVC板表面的润湿性，进而有效提高了发泡PVC板与杨木单板之间的胶合性能。