Dielectric barrier discharge treatments at atmospheric pressure for wood surface modification

Abstract

In this research, the effect of dielectric barrier discharge on mechanically manufactured (sawn, planed or polished) wood surfaces is investigated. The experiments have shown that the best hydrophilia is obtained with a cold plasma discharge in air under atmospheric pressure. Other gases such as helium, nitrogen, and argon have been tested, too. Changes of the wood surface properties were determined by absorption of water and contact angle measurements. As a result of a 1 to 20 seconds long exposure to plasma, wood surfaces became hydrophilic. The absorption of water in wood can be changed up to 22 times higher after plasma treatment in air for 20 seconds duration. The fracture strength of glued wood has been increased by 68% after this plasma pretreatment. Using plasma treatment in methane or acetylene wood surfaces are changed to hydrophobic properties. After plasma treatment for 1 min. in a Ar:CH₄=80:20 gas mixture under atmospheric pressure, the absorption of water in wood is 32 times lower than without plasma treatment. As mentioned before, plasma treatment can produce hydrophobic and hydrophilic wood surfaces. But a good homogeneity of the gas discharge is necessary for the plasma treatment of wood.

Zusammenfassung

Im Rahmen dieser Arbeit werden die Auswirkungen der dielektrisch behinderten Entladung bei Atmosphärendruck auf mechanisch bearbeitete Holzoberflächen (gesägt, gehobelt oder geschliffen) untersucht. Die Experimente haben gezeigt, dass die höchste Hydrophilität bei einem in Luftatmosphäre gezündetem Plasma erreicht wird. Es werden auch andere Gase verwendet, wie z.B. Helium, Stickstoff und Argon. Zur Untersuchung der veränderten mechanischen und energetischen Eigenschaften der Holzoberflächen werden der Tropfen-Versuch und die Kontaktwinkelmessung verwendet. Durch eine 1 bis 20 Sekunden lange Plasmabehandlung können die Oberflächen hydrophil gestaltet werden. So kann die Eindringzeit von Wasser um Faktor 22 gesteigert werden durch eine 20 Sekunden lange Plasmabehandlung in Umgebungsluft. Die Bruchfestigkeit von Leimholz wird durch die gleiche Plasmavorbehandlung um 68% gesteigert. Werden als Plasmabehandlungsgas Methan oder Acetylen eingesetzt, so wird die Holzoberfläche hydrophob. Durch eine 60 Sekunden lange Plasmabehandlung in einem Ar:CH₄=80:20 Gasgemisch bei Atmosphärendruck wird die Eindringszeit von Wasser um den Faktor 32 gesenkt. Mit Hilfe der Plasmabehandlung können also sowohl hydrophobe als auch hydrophile Holzoberflächen erzeugt werden. Jedoch wird für die Plasmabehandlung von Holz eine sehr homogene Gasentladung benötigt.