刘　如，张智林

(1.中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 海淀 100091；2.陕西建森实业有限公司，西安 未央 710016)



四种木纤维表面接触角和表面自由能的比较

刘如1，张智林2*

(1.中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 海淀 100091；2.陕西建森实业有限公司，西安 未央 710016)

摘要：通过毛细管上升法测定了四种木纤维的表面接触角，并依据Washburn方程和Owens-Wendt法，对四种木纤维的表面自由能及其极性和非极性分量进行计算。结果表明，四种木纤维的表面自由能排序依次为：南方松>杉木>橡胶木>青杨。青杨和橡胶木体现分子非极性的色散力分量分别为5.19和6.59 mJ/m2，说明青杨和橡胶木表现出较强的极性。南方松和杉木的色散力分量分别为42.30和31.54 mJ/m2，表现出较强的非极性。

关键词：木纤维；接触角；表面自由能；极性；非极性

以天然植物纤维为原材料制备木质复合材料是近年来的研究热点[1-3]。相比人工纤维，天然植物纤维具有可再生、可降解、来源广泛、密度低、强重比高以及价格较低廉等优点，因此，将其制备成为木质复合材料可以提高复合材料的附加值，使其应用于建筑、家具、园林、室内地板、装饰墙体等各个领域[4-6]。常见的天然植物纤维包括木纤维、竹纤维、麻纤维、棉花纤维、秸秆纤维等，其中木纤维是制备木质复合材料最常用的一种天然植物纤维[7]。由于各种木纤维之间的化学组分和微观结构存在着很大的差异，因此，在制备木质复合材料时会对木质复合材料的性能产生很大的影响[8]。

表面自由能是固体表面最基本的特性之一，它体现了固体表面的极性与非极性情况，与固体润湿性和粘结性等性能密切相关[9]。因此，本研究采用毛细管上升法测定了四种市场上常见木纤维的接触角，包括两种针叶材木纤维(南方松与杉木)与两种阔叶材木纤维(青杨与橡胶木)。依据Washburn方程和Owens-Wendt-Kaelble法，对四种木纤维的表面自由能及其极性和非极性分量进行计算，旨在为研究和制备高性能的天然植物纤维复合材料提供基础的理论数据。

1实验部分

1.1原料与试剂

青杨、橡胶木、杉木、南方松纤维：80～100目，在103℃烘箱中干燥2 h；甲醇、甲酰胺为分析纯；蒸馏水。

1.2接触角的测定

(1)

式中：h为在时间t内液体深入毛细管中的高度；γL为液体的表面自由能；η为液体的粘度；φ为液体在固体表面的接触角；R为平均有效半径。

对于同一种木纤维，在相同的填充条件下，其平均有效半径为常数，可以通过选择已知接触角为0的液体求得，如甲醇。

对同一种探测液体，测试6个重复样。

1.3表面自由能的计算

根据Young方程，可以通过测定不同液体在固体表面的接触角来计算出固体的表面自由能。γS=γSL+γLcosφ

(2)

式中：γS为固体的表面自由能；γSL为固液界面的表面自由能；γL为液体的表面自由能，而φ为固体与测试液体之间的接触角。

依据Owens-Wendt法，固体的表面自由能可以分为非极性分量与极性分量两部分。

0.5γSL(1+cosφ)=(γdSγdL)0.5+(γpSγpL)0.5

(3)

式中，γdS和γpS分别为固体表面自由能的非极性分量与极性分量；γdL和γpL分别为液体表面自由能的非极性分量与极性分量。

因此，只需要两个已知 γdS和γpS的探测液体便可以计算出固体的表面自由能。本研究选择蒸馏水、甲酰胺和甲醇作为探测液体，其自由能分量与粘度值见表1。

表1　探测液体的表面自由能参数

2结果与讨论

2.1接触角

图1为4种木纤维在甲醇、蒸馏水和甲酰胺探测液体中的p-t曲线，由图中直线的斜率可以计算出探测液体的接触角。

表2为以甲醇为标准液体，以蒸馏水和甲酰胺作为探测液体所测得的斜率K值与接触角的余弦值。

由表2结果可以看出，青杨、橡胶木和南方松纤维在甲醇中的斜率K值相差不大，说明这三种木纤维在毛细管中的有效半径基本一致，而杉木纤维在甲醇中的斜率K值与其它木纤维相比相差很大，因此，其在毛细管中有效半径值也相比其它木纤维较大。而对于青杨和橡胶木纤维，在蒸馏水中的斜率K值明显大于甲酰胺，说明青杨和橡胶木更容易被蒸馏水浸润。而杉木和南方松纤维在甲酰胺中的斜率K值较大，说明杉木和南方松更容易被甲酰胺浸润。

图1　四种木纤维在甲醇、蒸馏水和甲酰胺探测液体中的p-t曲线

树种甲醇斜率/K(×10-3)cosφ蒸馏水斜率/K(×10-3)cosφ甲酰胺斜率/K(×10-3)cosφ青杨2.1815.220.11141.320.1608橡胶木2.7717.140.13701.970.2095杉木8.4116.320.037714.110.4086南方松3.7911.110.02026.840.4763

2.2表面自由能

在分别求出各木纤维在蒸馏水和甲酰胺中的接触角后，根据公式(3)可以计算出四种木纤维的表面自由能及其极性与非极性分量，结果如表3所示。由表3结果可以看出，四种木纤维的表面自由能排序依次为：南方松>杉木>橡胶木>青杨。青杨和橡胶木的表面自由能相差不大，分别为22.62和23.54 mJ/m2。而杉木和南方松的表面自由能较大，分别为34.16和43.20 mJ/m2，接近前两者的1.5和2倍。一般来说，在木质复合材料制备过程中，木纤维表面的自由能较高可以获得较好的润湿效果[10]。由此可见，杉木和南方松在制备木质复合材料时，其液体润湿效果要好于青杨和橡胶木。此外，青杨和橡胶木表面自由能的极性分量较高，说明青杨和橡胶木表现出较强的极性，而杉木和南方松表面自由能的非极性分量较高，表现出较强的非极性。这可能是由于青杨和橡胶木属于阔叶材，其细胞壁结构较复杂，成分中还含有树胶、硅化物等成分，会增加木纤维的极性值。而杉木和南方松属于针叶材，细胞壁结构较为简单。相比杉木，南方松的非极性更高，这可能是由于南方松具有树脂道，木纤维表面会被一层松脂包覆，因此非极性较强，与非极性物质的亲和力较高。

表3　四种木纤维的表面自由能

3结论

以毛细管测定法, 结合Washburn方程和Owents-Wendt法，对四种木纤维的接触角与表面自由能进行了测定。青杨、橡胶木、杉木、南方松的表面自由能分别为22.62、23.54、34.16和43.20 mJ/m2。青杨和橡胶木的表面自由能极性部分较高，与极性物质的亲和力较好，而杉木和南方松的表面自由能非极性部分较高。针对以上木纤维表面自由能的不同，在制备木质复合材料时应选择不同种类的胶黏剂。

参 考 文 献:

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收稿日期：2016-03-18

作者简介：刘如(1987-)，男，助理研究员，从事木质复合材料研究。E-mail：liuru@criwi.org.cn。 *通讯作者：张智林(1965-)，男，工程师，从事木制品技术与生产管理。E-mail：571356887@qq.com。

中图分类号:TU366.3

文献标识码:A

文章编号:1001-2117(2016)03-0009-04

Comparison of Contact Angle and Surface Free Energy of the Four Kinds of Wood Fibers

LIU Ru1，ZHANG Zhi-lin2

( 1.ResearchInstituteofWoodIndustry,ChineseAcademyofForestry,Haidian100091，Beijing;( 1.ResearchInstituteofWoodIndustry,ChineseAcademyofForestry,Haidian100091，Beijing;2.JianshiIndustrialCompanyofShaanxi,Xi’an710032,Shaanxi)

Abstract:The contact angles of four kinds of wood fibers were tested by using capillary rising methods. Besides, the surface free energies with the four kinds of wood fibers as well as their polarity and non-polarity parts were calculated according to Washburn equation and Owens-Wendt method. The results showed that the surface free energies of the four kinds of wood fibers decreased in the order: Southern yellow pine >Chinese fir > rubber wood >Cathay poplar. The non-polarity parts which reflect the dispersive force of Cathay poplar, and rubber wood were 5.19 and 6.59 mJ/m2, respectively, indicating high polarity characters of Cathay poplar and rubber wood. The dispersive parts of Southern yellow pine and Chinese fir were 42.30 and 31.54 mJ/m2, showing very high non-polarity.

Key words:Plant fibers; contact angle; surface free energy; polarity; non-polarity