Lesnoy Vestnik / Forestry BulletinLesnoy Vestnik / Forestry BulletinЛесной вестник / Forestry Bulletin2542-1468Eco-Vector70626510.18698/2542-1468-2025-6-158-170Wood processing and chemical processing of woodДеревообработка и химическая переработка древесиныResearch ArticlePhysico-chemical modeling of high-frequency plasma modification of wood: from atomic mechanisms to engineering process optimizationФизико-химическое моделирование высокочастотной плазменной модификации древесиныSafinRuslan R.СафинРуслан Рушанович
Russian Federation

Dr. Sci. (Tech.), Professor, Head of the Department of Architecture and Design of Wood Products

д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Архитектура и дизайн изделий из древесины»

cfaby@mail.ruSaerovaKsenia V.СаероваКсения Вячеславовна
Russian Federation

Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor

канд. техн. наук, доцент

senya97@inbox.ruKazan National Research Technological UniversityФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (КНИТУ)151220252961581701604202616042026Copyright ©; 2025, Safin R.R., Saerova K.V.Copyright ©; 2025, Сафин Р.Р., Саерова К.В.2025Safin R.R., Saerova K.V.Сафин Р.Р., Саерова К.В.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.eco-vector.com/2542-1468/article/view/706265

A mathematical model of high-frequency low-temperature plasma surface modification of wood is presented, developed through the synergistic integration of molecular dynamics simulations and experimental spectroscopic data. The mechanism of oxygen ion (100 eV) bombardment of the cellulose surface has been simulated in detail, revealing the specific types of cleaved bonds — C-C, C-O, C-H, and OH — and the subsequent formation of macroradicals. A theoretical description of the key chemical reactions between these radicals and air plasma components is provided, explaining the formation of polar functional groups on the surface, namely hydroxyl (-OH), carbonyl (-C=O), and carboxyl (-COOH) groups. Experimental verification was carried out using FTIR and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), which quantitatively confirmed an 82,5 % increase in the O:C atomic ratio and a significant rise in oxidized functional groups following plasma treatment. A mathematical model describing the kinetics of C-C bond cleavage within the surface nanolayer as a function of discharge power and treatment time was developed. The optimal treatment duration was determined to be 10 minutes, beyond which the modification process plateaus. The model demonstrates high adaptability, enabling its recalibration for different functional groups and wood constituents (e.g., lignin, hemicellulose) as well as various technological parameters.

Представлена математическая модель процесса высокочастотной низкотемпературной плазменной модификации поверхности древесины, основанная на синергии молекулярно-динамического моделирования и экспериментальных спектроскопических данных. Детально смоделирован механизм ионной бомбардировки поверхности целлюлозы ионами кислорода (100 эВ). Выявлены типы разрываемых связей (C-C, C-O, C-H, O-H) и образование макрорадикалов. Изложено теоретическое описание ключевых химических реакций между радикалами и компонентами воздушной плазмы, приводящие к формированию на поверхности полярных функциональных групп: гидроксильных (-OH), карбонильных (-C=O) и карбоксильных (-COOH). Проведена экспериментальная верификация с помощью ИК- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, количественно подтвердившая увеличение соотношения O:C на 82,5 % и рост содержания окисленных групп после плазменной обработки. Построена математическая модель, описывающая кинетику разрыва C-C связей в поверхностном нанослое в зависимости от мощности разряда и времени обработки. Установлена оптимальная продолжительность обработки — 10 мин. Определена высокая адаптивность модели, что позволяет подстроить ее под разные функциональные группы и компоненты древесины (лигнин, гемицеллюлоза), а также под различные технологические параметры.

molecular dynamicsplasma treatmentwoodmathematical modelXPS spectroscopyfunctional groupsthermal modificationмолекулярная динамикаплазменная обработкадревесинаматематическая модельфотоэлектронная спектроскопияфункциональные группытермическая модификацияWascher R., Kühn C., Avramidis G. Plywood made from plasma-treated veneers: melamine uptake, dimensional stability, and mechanical properties. J. Wood Sci., 2017, v. 63, pp. 338–349. https://doi.org/10.1007/s10086-017-1632-5Wascher R., Kühn C., Avramidis G. Plywood made from plasma-treated veneers: melamine uptake, dimensional stability, and mechanical properties // J. Wood Sci., 2017, v. 63, pp. 338–349. https://doi.org/10.1007/s10086-017-1632-5Huang Y., Wang J., Zhan X., Mei C., Li W., Deng Y., Wang X. Effect of plasma treatment on the surface characteristics and adhesive penetration performance of heat-treated wood. Holzforschung, 2022, v. 76, no. 10, pp. 941–953. https://doi.org/10.1515/hf-2022-0031Huang Y., Wang J., Zhan X., Mei C., Li W., Deng Y., Wang X. Effect of plasma treatment on the surface characteristics and adhesive penetration performance of heat-treated wood // Holzforschung, 2022, v. 76, no. 10, pp. 941–953. https://doi.org/10.1515/hf-2022-0031Lekobou W.P. Influence of atmospheric pressure plasma treatments on the surface properties of ligno-cellulosic substrates. Holzforschung, 2016, v. 70, no. 1, pp. 55–61.Lekobou W.P. Influence of atmospheric pressure plasma treatments on the surface properties of ligno-cellulosic substrates // Holzforschung, 2016, v. 70, no. 1, pp. 55–61.Sun F. Experimental and numerical assessment of the orthotropic imbibition dynamics of wood. Wood Material Science & Engineering, 2023, v. 18, no. 2, pp. 607–617.Sun F. Experimental and numerical assessment of the orthotropic imbibition dynamics of wood // Wood Material Science & Engineering, 2023, v. 18, no. 2, pp. 607–617.Talviste R., Galmiz O., Stupavská M. Effect of DCSBD plasma treatment distance on surface characteristics of wood and thermally modified wood. Wood Sci Technol, 2020, v. 54, pp. 651–665. https://doi.org/10.1007/s00226-020-01175-4Talviste R., Galmiz O., Stupavská M. Effect of DCSBD plasma treatment distance on surface characteristics of wood and thermally modified wood // Wood Sci. Technol, 2020, v. 54, pp. 651–665. https://doi.org/10.1007/s00226-020-01175-4Peng X., Zhang Z. Research of polypropylene (PP) decorative board surface painting used for wood product decoration and the paint film adhesion improvement by plasma. J. Adhes Sci Technol, 2020, v. 34, no. 1, pp. 246–262.Peng X., Zhang Z. Research of polypropylene (PP) decorative board surface painting used for wood product decoration and the paint film adhesion improvement by plasma // J. Adhes Sci. Technol, 2020, v. 34, no. 1, pp. 246–262.Sergeeva E.A., Ilyushina S.V. Vliyanie nizkotemperaturnoy plazmy na fiziko-mekhanicheskie svoystva vysokomodul’nykh polietilenovykh volokon [Effect of low-temperature plasma on the physical and mechanical properties of high-modulus polyethylene fibers]. IzVUZ Tekhnologiya legkoy promyshlennosti [Bulletin of the Higher Educational Institution. Technology of Light Industry], 2011, v. 12, no. 2, pp. 14–16.Сергеева Е.А., Илюшина С.В. Влияние низкотемпературной плазмы на физико-механические свойства высокомодульных полиэтиленовых волокон // ИзВУЗ Технология легкой промышленности, 2011. Т. 12. № 2. С. 14–16.Saerova K.V. Vysokochastotnaya nizkotemperaturnaya plazmennaya obrabotka termomodifitsirovannogo drevesnogo napolnitelya v proizvodstve kompozitsionnykh materialov [High-frequency low-temperature plasma treatment of thermally modified wood filler in the production of composite materials]. Dis. Cand. Sci. (Tech.), 05.21.03. Kazan, 2024, 143 p.Саерова К.В. Высокочастотная низкотемпературная плазменная обработка термомодифицированного древесного наполнителя в производстве композиционных материалов: дис. … канд. техн. наук : 05.21.03. Казань, 2024. 143 с.Gil’man A.B. Vozdeystvie nizkotemperaturnoy plazmy kak effektivnyy metod modifikatsii poverkhnosti polimernykh materialov [Effect of low-temperature plasma as an effective method for modifying the surface of polymeric materials]. Khimiya vysokikh energiy [High Energy Chemistry], 2003, v. 37, no. 1, pp. 20–26.Гильман А.Б. Воздействие низкотемпературной плазмы как эффективный метод модификации поверхности полимерных материалов // Химия высоких энергий, 2003. Т. 37. № 1. С. 20–26.Callum A.S.H. Wood Modification — Chemical, Thermal and Other Processes. Chichester: John Wiley & Sons, 2006, 260 p.Calvini P., Goassini A. FTIR — Deconvolution Spectra of Paper Documents. Restaurator, 2002, v. 23, no. 1, pp. 48–66.Calvini P., Goassini A. FTIR — Deconvolution Spectra of Paper Documents // Restaurator, 2002, v. 23, no. 1, pp. 48–66.Gamova I.A., Kamenkov S.D. Teploizolyatsionnye materialy na osnove drevesnykh opilok i vysokozol’nogo sapropelya [Thermal insulation materials based on sawdust and high-ash sapropel]. Derevoobrabatyvayushchaya promyshlennost’ [Woodworking industry], 2000, no. 5, pp. 15–16.Гамова И.А., Каменков С.Д. Теплоизоляционные материалы на основе древесных опилок и высокозольного сапропеля // Деревообрабатывающая промышленность, 2000. № 5. С. 15–16.Golant V.E. Sverkhvysokochastotnye metody issledovaniya plazmy [Microwave methods for studying plasma]. Moscow: Nauka, 1968, 327 p.Голант В.Е. Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы. М.: Наука, 1968. 327 с.Abdullin I.Sh., Aminov I.Kh., Aminov L.I. Modifikatsiya drevesnykh opilok vysokochastotnym razryadom ponizhennogo davleniya dlya sozdaniya drevesno-kompozitsionnykh materialov [Modification of wood sawdust by low-pressure high-frequency discharge to create wood-composite materials]. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta [Bulletin of Kazan Technological University], 2002, no. 1–2, pp. 63–68.Абдуллин И.Ш., Аминов И.Х., Аминов Л.И. Модификация древесных опилок высокочастотным разрядом пониженного давления для создания древесно-композиционных материалов // Вестник Казанского технологического университета, 2002. № 1–2. С. 63–68.Ostryakova V.A., Ermolin V.N., Bayandin M.A. Vliyanie geometricheskikh kharakteristik napolnitelya na svoystva drevesnogo kompozita [Influence of filler geometrical characteristics on wood composite properties]. Lesnoy vestnik / Forestry Bulletin, 2024, vol. 28, no. 1, pp. 139–148. DOI: 10.18698/2542-1468-2024-1-139-148Острякова В.А., Ермолин В.Н., Баяндин М.А. Влияние геометрических характеристик наполнителя на свойства древесного композита // Лесной вестник / Forestry Bulletin, 2024. Т. 28. № 1. С. 139–148. DOI: 10.18698/2542-1468-2024-1-139-148Saerova K.V., Safin R.R., Galyavetdinov N.R. Vysokochastotnaya nizkotemperaturnaya plazmennaya obrabotka termomodifitsirovannogo drevesnogo napolnitelya i ee vliyanie na svoystva napolnennykh polimerov [High-frequency low-temperature plasma treatment of thermally modified wood filler and its effect on the properties of filled polymers]. Fibre Chemistry [Fibre Chemistry], 2025. https://doi.org/10.1007/s10692-025-10582-xСаерова К.В., Сафин Р.Р., Галяветдинов Н.Р. Высокочастотная низкотемпературная плазменная обработка термомодифицированного древесного наполнителя и ее влияние на свойства наполненных полимеров // Fibre Chemistry, 2025. https://doi.org/10.1007/s10692-025-10582-xKowalik M., Ashraf C., Damirchi B., Akbarian D., Rajabpour S., van Duin A.C.T. Atomistic Scale Analysis of the Carbonization Process for C/H/O/N-Based Polymers with the ReaxFF Reactive Force Field. J. Phys. Chem. B., 2019, v. 123, no. 25, pp. 5357–5367.Kowalik M., Ashraf C., Damirchi B., Akbarian D., Rajabpour S., van Duin A.C.T. Atomistic Scale Analysis of the Carbonization Process for C/H/O/N-Based Polymers with the ReaxFF Reactive Force Field // J. Phys. Chem. B., 2019, v. 123, no. 25, pp. 5357–5367.LAMMPS Molecular Dynamics Simulator. URL: http://lammps.sandia.gov/ (дата обращения 01.04.2025).Paul W., Ohlmeyer M., Leithoff H., Boonstra M.J., Pizzi A. Optimising the properties of OSB by a one-step heat pre-treatment process. Holz Roh Werkst, 2006, v. 64, pp. 227–234.Paul W., Ohlmeyer M., Leithoff H., Boonstra M.J., Pizzi A. Optimising the properties of OSB by a one-step heat pre-treatment process // Holz Roh Werkst, 2006, v. 64, pp. 227–234.Schwar H., Schleqel H. Metalek — leben und Clasaserverstarkte Kunststoffe in der Technik. 3 Aufl. Berlin: VEB Verlag Technik, 1964, 225 p.Sekino N., Inouse M., Irle M., Adcock T. The mechanisms behind the improved dimensional stability of particleboards made from steam-pretreated particles. Holzforschung, 1999, v. 53, pp. 435–440.Sekino N., Inouse M., Irle M., Adcock T. The mechanisms behind the improved dimensional stability of particleboards made from steam-pretreated particles // Holzforschung, 1999, v. 53, pp. 435–440.Sharnina L.V. Low-temperature plasma as the basis for creation of modern textile chemical technologies. Fibre Chemistry, 2004, v. 36, no. 6, pp. 431–436.Sharnina L.V. Low-temperature plasma as the basis for creation of modern textile chemical technologies // Fibre Chemistry, 2004, v. 36, no. 6, pp. 431–436.Stanciu M., Gall R., Orbok Z., Stan T. Acoustic and elastic properties of wood used for musical instruments. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2022, art. 012059. DOI: 10.1088/1757-899X/1262/1/012059Stanciu M., Gall R., Orbok Z., Stan T. Acoustic and elastic properties of wood used for musical instruments // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2022, art. 012059. DOI: 10.1088/1757-899X/1262/1/012059Timoshina Y.A., Voznesensky E.F., Teptina A.I., Zhelonkin Y.O. Model of the interaction of reactive gases with polymer materials in low-pressure radio-frequency plasma. High Energy Chemistry, 2023, v. 57, no. 1, pp. 234–237.Timoshina Y.A., Voznesensky E.F., Teptina A.I., Zhelonkin Y.O. Model of the interaction of reactive gases with polymer materials in low-pressure radio-frequency plasma // High Energy Chemistry, 2023, v. 57, no. 1, pp. 234–237.Timoshina Y.A., Voznesensky E.F., Teptina A.I., Zhelonkin Y.O. Plasmachemical modification of polymeric materials. High Energy Chemistry, 2023, v. 57, no. 1, pp. 256–259.Timoshina Y.A., Voznesensky E.F., Teptina A.I., Zhelonkin Y.O. Plasmachemical modification of polymeric materials // High Energy Chemistry, 2023, v. 57, no. 1, pp. 256–259.Park Byung-Dae. Dynamic Mechanical Analysis of Urea-Formaldehyde Resin Adhesives with Different Formaldehyde-to-Urea Molar Rations. J. of Applied Polymer Science, 2008, v. 108, pp. 2045–2051.Park Byung-Dae. Dynamic Mechanical Analysis of Urea-Formaldehyde Resin Adhesives with Different Formaldehyde-to-Urea Molar Rations // J. of Applied Polymer Science, 2008, v. 108, pp. 2045–2051.Materialy VII Mezhdunarodnoy konferentsii predpriyatiy fanernoy promyshlennosti. Tezisy i doklady [Proceedings of the VII International Conference of Plywood Industry Enterprises. Abstracts and Reports]. St. Petersburg: OOO TsNIIF, 2013, 316 p.Материалы VII Международной конференции предприятий фанерной промышленности: тезисы и доклады. СПб.: ООО «ЦНИИФ», 2013. 316 с.Ebnesajjad S. Surface Treatment of Materials for Adhesive Bonding. Amsterdam: William Andrew, 2014, 337 p.Plimpton S. Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics. J Comp Phys, 1995, v. 117, no. 1, pp. 1–19.Plimpton S. Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics // J. Comp Phys, 1995, v. 117, no. 1, pp. 1–19.Voznesenskiy E.F., Dresvyannikov A.F., Mukhametshin A.M. Vliyanie plazmennoy obrabotki na kachestvo provedeniya protsessov vyrabotki natural’noy kozhi [Effect of plasma treatment on the quality of natural leather production processes]. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta [Bulletin of Kazan Technological University], 2005, no. 2, pp. 269–273.Вознесенский Э.Ф., Дресвянников А.Ф., Мухаметшин А.М. Влияние плазменной обработки на качество проведения процессов выработки натуральной кожи // Вестник Казанского технологического университета, 2005. № 2. С. 269–273.Abdullin I.Sh., Zheltukhin V.S., Kashapov N.F. Vysokochastotnaya plazmenno-struynaya obrabotka materialov pri ponizhennykh davleniyakh: teoriya i praktika primeneniya [High-frequency plasma-jet processing of materials at low pressures: theory and application practice]. Kazan: KSTU, 2000, 348 p.Абдуллин И.Ш., Желтухин В.С., Кашапов Н.Ф. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях: теория и практика применения. Казань: Изд-во КГТУ, 2000. 348 с.