随着单板层积材、胶合木以及定向刨花板（oriented strand board，OSB）等工程木制品的快速发展，速生木材的高值化利用获得了重要的技术路径。其中，OSB凭借其轻质高强、尺寸稳定性好以及原料易得等优势，在建筑结构、家具制造和包装材料等领域展现出广阔的应用前景。然而，受制于生产成本和原料供给等因素，我国OSB生产主要依赖于松木、杉木和杨木等速生林木材。这些速生材普遍存在材质相对疏松、力学强度偏低等问题，即使在采用与进口产品相近的生产设备、工艺和胶黏剂体系的条件下，国产OSB综合力学性能仍与进口产品存在一定差距。因此，如何在不显著增加生产成本的前提下有效提升OSB的承载性能，已成为推动我国人造板产业技术升级亟待解决的关键问题之一。

在定向刨花板制造过程中，大片刨花的胶合性能是决定板材最终力学强度的核心要素。木材的胶合本质上是一个涉及多尺度的物理化学过程，其中，胶黏剂在木材表面的有效润湿（即胶黏剂与木材之间形成紧密的分子级接触）以及木材表面化学反应活性的提高是实现高效胶合的前提条件。然而，由于速生材刨花表面在机械加工过程中易受粉尘和油污污染而产生钝化效应，且酚醛树脂胶黏剂（phenol-formaldehyde resin，PF）自身具有较高的表面张力，往往使得胶黏剂在刨花表面的润湿性不佳，界面结合强度被显著削弱，最终制约了定向刨花板整体力学性能的发挥。针对上述问题，研究者们已探索了多种增强木材-胶黏剂界面结合的技术手段，包括表面热处理、热机械处理、化学改性及其组合工艺。然而，上述处理技术在应用于OSB这类连续化、大规模生产的工程材料时面临诸多现实困境。热机械处理和热处理通常需在较高温度下进行，不仅能耗巨大且处理周期较长，显著增加了生产成本；化学改性方法则涉及苛刻的反应条件和化学试剂的使用，极易污染环境，且难以适配工业连续化生产线。

等离子体处理技术

作为一种新兴的绿色表面处理技术，大气等离子体处理技术为调控木质材料表界面性能提供了一条高效、温和且无需真空环境的途径。已有研究表明，该技术能够显著改善木材表面的润湿性、提高表面自由能，进而增强界面胶合强度。其作用机制在于，等离子体中的高能活性粒子可在木材表面同时引发物理刻蚀和化学改性，原位构建具有微纳尺度特征的活性表层，且这一过程不会对木材基体结构及其整体力学性能造成损伤。

大气等离子体处理工艺对胶黏剂铺展效果的影响

PF树脂胶黏剂在未处理及不同等离子体处理参数处理后辐射松大片刨花表面的初始接触角和平衡接触角测定结果如图1所示。胶液在未处理刨花表面的初始接触角为136.3°，呈现出不润湿的特征。这一现象可归因于：一方面，刨花表面在机械加工过程中受到粉尘和油污污染而发生钝化；另一方面，PF树脂自身具有较高的表面张力。然而，由于木材在微观层面具有多孔性和各向异性特征，胶黏剂在润湿过程中会逐渐向木材内部缓慢渗透，未处理刨花的接触角随时间延长而逐渐下降至平衡值55.4°，表现出一定程度的润湿能力。经等离子体处理处理后，各处理参数下刨花表面的初始接触角和平衡接触角均出现不同程度下降。随着处理功率和气流量增大，接触角呈现先降低后升高的变化趋势。在优化参数条件下，初始接触角下降至102.4°，平衡接触角下降至24.7°，与未处理刨花相比，初始接触角和平衡接触角分别降低了33.9°和30.7°。这一结果证实，经过等离子体处理后，PF胶在刨花表面的润湿性得到明显改善。

图1 等离子体处理对辐射松刨花表面PF胶黏剂接触角的影响

等离子体处理对刨花表面的作用机理

未处理和等离子体处理刨花纤维的AFM三维形貌图及表面粗糙度统计结果分别如图2a、b所示。未处理纤维表面相对平滑，Ra和Rq分别为6.3和7.9nm。经等离子体处理处理后，纤维表面出现大量锯齿状纳米尺度刻痕，Ra和Rq分别增至15.3和19.3nm，较未处理分别提高了142.9%和144.3%。根据自由能测试结果，处理前后色散分量无显著变化，说明等离子体在刨花表面产生的纳米刻痕对液体胶黏剂铺展的贡献有限。这主要归因于PF树脂胶液（黏度约270mPa·s）难以有效浸润纳米尺度的锯齿状沟槽，因而未能显著增加有效接触面积。但进入热压阶段后，胶液因温度升高而流动性增强，可充分渗入纳米刻痕内部，并在固化后产生大量“胶钉”状机械互锁节点，为提高界面结合强度提供重要贡献。此外，等离子体刻蚀还可扩大纹孔等细胞通道尺寸，进一步促进胶黏剂向木材内部渗透。

a）未处理；b）等离子体处理 图2 等离子体处理前后大片刨花表面的AFM图像

未处理和等离子体处理刨花的XPS全谱图分别如图3a、b所示。位于285和533eV的特征信号峰分别归属于C1s和O1s，表明刨花表面主要为C、O元素。比较发现，经APPJ处理后刨花表面的O元素含量从26.8%增至33.8%，氧原子与碳原子含量比由0.37增加至0.51，说明APPJ处理使刨花表面发生了氧化。高分辨率C1s谱图（图3c、d）可进一步揭示等离子体诱导刨花表面氧化的结构信息。位于284.8eV处的特征峰对应脂肪族碳（C—C/C—H），而位于285.3、286.5和288.5eV处的XPS信号峰分别与C—O、C=O/O—C—O和O—C=O有关。C1s谱图各化学态的相对含量经定量分析后列于表1，结果显示，APPJ处理后脂肪族碳（C—C/C—H）的相对含量降低了22.6%，表明等离子体中的高能粒子对刨花表面的C—C/C—H共价键产生了明显的断裂作用。与此同时，C=O/O—C—O和O—C=O的相对含量分别增加了77.4%和88.4%，进一步证实了等离子体处理对刨花表面的显著氧化效应，处理后的氧元素主要以C=O/O—C—O、O—C=O的形式引入刨花表层有机组分中。

图3 未处理与等离子体处理大片刨花表面的XPS宽扫谱图及高分辨C1s谱图

表1 APPJ等离子体处理对辐射松刨花表面官能团相对含量的影响

综合AFM和XPS分析结果，等离子体处理对刨花表面的改性机理可归纳为物理刻蚀与化学改性的协同效应。在化学改性层面，高能氮基和氧基活性粒子轰击刨花表面，使纤维素和木质素中的共价键断裂并产生自由基，这些自由基与等离子体中的活性氧及环境中的氧气发生反应，在刨花表面引入羰基、羧基等含氧极性官能团。与此同时，高能粒子的轰击在刨花表面形成纳米尺度的粗糙结构，增大了胶黏剂与木材之间的有效接触面积，并打通了纹孔等微观通道，促进胶黏剂向木材内部的渗透。