CN110014488A - 一种木材防腐剂及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种木材防腐剂，其有效抑菌组分包括水杨酸，水杨酸至少以微胶囊的形式存在于所述木材防腐剂中。水杨酸微胶囊的制备方法：称取水杨酸溶于8‑35mL乙醇中，向水杨酸的乙醇液中加入2‑5g复合表面活性剂，升温至40‑60℃，加水，然后再加入氯化钠溶液，搅拌得到乳状液；待乳化充分后，加入10‑35mL正硅酸乙酯，40‑60℃水浴搅拌，即得所述水杨酸微胶囊。本发明还给出了所述木材防腐剂的应用。水杨酸微胶囊通过牢固的化学键与木材成分结合，提高了所述防腐剂的抗流失性能，对木材腐朽菌抑制作用明显。

Description

一种木材防腐剂及其应用
技术领域
本发明属木材改性技术领域，涉及一种可提高木材耐腐性的木材防腐剂，特别涉及一种以水杨酸为有效抑菌成分的抗流失性良好的微囊型木材防腐剂。
背景技术
木材是一种可再生的环境友好型生物质材料，具有强重比大，加工能耗少，环境污染相对小等优点，在经济社会的发展和人民生活中发挥着非常重要的作用。但是，木材因其由天然高分子化合物组成，存在材质疏松、材性变异大，易受环境及微生物侵害而破坏等不足，比如，木材长期在室外或潮湿的环境中会受到腐朽菌的侵害而影响其使用价值。这些缺陷使木材的利用在很大程度上受到限制，人们也一直都在积极研究提高改善木材性能的方法。
木材防腐改性处理对延长木材的使用年限、减少木材的消耗、保护有限的木材资源、保持木材良好的特性、促进林木资源的可持续发展具有重要意义。当前，市场上的木材防腐剂产品以ACQ防腐剂、铜唑防腐剂以及CCA防腐剂为常见。这些传统木材防腐剂含有一定对人体有危害的物质(比如，铜、铬、砷的化合物)，对人畜危害较大，并且有些金属成分防腐剂的有效成分容易流失对环境污染较为严重。近年来，有研究用不含金属成分的有机物或无机物制备木材防腐剂，但防腐剂的有效成分在木材内部较难固着，当处理材与水或潮湿的土壤等环境接触时，有效成分容易流失，严重影响了处理材的耐腐性。因此研制抗流失性好的绿色环保型木材防腐剂具有十分必要的现实意义。
水杨酸是一种天然的消炎药，主要存在于自然界的柳树皮、白珠树叶及甜桦树中。鉴于水杨酸同时兼备杀菌、防腐、抗炎、抗风湿等多种功效，使其被广泛应用于医药、食品、植物抗病、果蔬保鲜等领域。在医药工业中，水杨酸用于制备阿司匹林等药物，具有良好的抗炎功效。近年来，水杨酸也被作为护肤品的常用功效成分，除了防腐消炎作用外，还有止痒消肿等功能。在果蔬保鲜领域，有研究表明，水杨酸对大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌三种细菌和黑曲霉、白色假丝酵母两种真菌均有明显的抑制作用。
微胶囊工艺，其利用天然的或合成的高分子成膜材料作为壁材，将气体、液体或固体成分的微小颗粒包埋、封存在壁材内部，形成相对封闭的囊状包合物。这种包合物对囊内的成分具有保护、稳定、传递及缓释等作用。随着对水杨酸研究的不断深入，本专利申请发明人发现，水杨酸对常见的木材腐朽菌多孔菌科密粘褶菌(Gloeophyllum trabeum)和彩绒革盖菌(Coriolus versicolor)等木腐菌的生长有抑制作用，可预见其在木材防腐方面应有广泛的应用前景。
发明内容
本发明要解决三个层面的技术问题：一是在室外或潮湿的环境中，木材会不可避免地受到腐朽菌的侵害而降低其使用价值，本专利申请探索给出一种以水杨酸为有效抑菌成分的木材防腐剂，使得木材获得更加优良的耐腐性能；二是水杨酸在水中溶性差，浓度较高的水杨酸因酸性强具有腐蚀性，这些理化特性限制了水杨酸的直接应用，本专利申请拟拓展水杨酸在木材防腐技术领域的应用；三是水杨酸分子在木材内部，不能和木材成分木质素、纤维素和半纤维素等形成有效的化学键，在木材内难以固着，抗流失性差。
为了实现本发明的目的，本专利申请一方面给出一种木材防腐剂，其有效抑菌组分包括水杨酸，所述水杨酸至少以微胶囊的形式存在于所述木材防腐剂中。所述水杨酸微胶囊的芯材为水杨酸(即本专利申请所述的有效抑菌成分)，壁材为正硅酸乙酯的水解物二氧化硅。通过发明人的研究获知，水杨酸对密粘褶菌(Gloeophyllum trabeum)和彩绒革盖菌(Coriolus versicolor)具有显著的抑制作用，这为水杨酸木材防腐剂的开发提供了实验基础。
需要指出的是，水杨酸水溶性差、溶度较大时酸性强具有腐蚀性的特性，致使直接使用水杨酸处理木材受限，难以发挥水杨酸的杀菌抑菌功效。再者，传统的木材处理技术之一是利用木材固有的渗透性，将无机物或有机低聚物(木材防腐剂)渗透到木材内部，比如，通过抽真空加压工艺将含有抑菌成分的防腐剂注入木材中，抑菌成分在在木材中形成物理沉着，从而提高木材尺寸稳定性和耐腐性，但是，采用此方法渗透到木材中的化学物质因其并非通过化学键与木材化合物(木质素、半纤维素、木质素等)结合，抗流失性差。水杨酸进入木材内部后，不能与木质素、纤维素和半纤维素等木材组分形成有效的化学键连接，水杨酸分子在木材内难以固着，容易流失。
为了拓展水杨酸在木材防腐处理领域的应用，提高以水杨酸为有效抑菌成分的防腐剂的抗流失性能，对水杨酸制剂进行改进，将其制备成微胶囊形式。具体地，所述水杨酸微胶囊采用下述的方法制备：称取水杨酸溶于8-35mL乙醇中，向水杨酸的乙醇液中加入2-5g复合表面活性剂，升温至40-60℃，加水，然后再加入氯化钠溶液，搅拌得到乳状液；待乳化充分后，加入10-35mL正硅酸乙酯，40-60℃水浴搅拌，即得所述水杨酸微胶囊。
作为所述水杨酸微胶囊制备工艺的优选实施方式之一，所述复合表面活性剂由Span80、Tween80复配而成，所述Span80、Tween80的复配质量比在2:3-1:1之间。Span80为亲油表面活性剂，Tween80为亲水性活性剂，两者复配可以形成混合胶束，能够使油相和水相很好地融合。同时，通过试验获知，Span80、Tween80具有协同作用，复配使用可提高表面活性、降低用量、节约成本。
作为所述水杨酸微胶囊制备工艺的优选实施方式之一，所述水杨酸与正硅酸乙酯的投加质量比为1:(5-40)。通过试验获知，水杨酸与正硅酸乙酯的投加质量比为1:(5-40)，可以确保正硅酸乙酯(水解物二氧化硅)更充分地包裹水杨酸。另外，Span 80和Tween80两种表面活性剂的复配，使得水相和油相混合均匀，之后在乳状液体系中加入适量的氯化钠，钠离子与Span 80、Tween80中的氧乙烯基团缔结形成缔结离子，增加了表面活性剂的极性，以及表面活性剂和水的亲和性，可有效促进微囊结构的形成。
再者，本专利申请还给出了所述木材防腐剂的应用。具体地，所述木材防腐剂用于处理木材，抑制密粘褶菌(Gloeophyllum trabeum)和彩绒革盖菌(Coriolus versicolor)。
另一方面，本专利申请还给出了采用所述木材防腐剂处理木材的方法，其至少包括将待处理的木材浸泡于所述木材防腐剂中。在实际应用中，可以采用多种方法处理木材，本发明给出几种本领域技术人员常用的几种处理工艺。
作为采用所述木材防腐剂处理木材的优选实施方式之一，本专利申请给出一种优选的处理方法(浸泡法)：常温常压条件下，将待处理木材浸泡于所述木材防腐剂中，待处理木材尽可能的保持在液面以下，浸泡处理时间为2-4天。
作为采用所述木材防腐剂处理木材的优选实施方式之一，本专利申请给出一种优选的处理方法(抽真空法)：将待处理的木材置于处理罐中，向处理罐中导入所述木材防腐剂；对处理罐抽真空，相对真空度为0.08Mpa，真空处理时间为8h，恢复常压，在常压条件下浸泡处理24h。
作为采用所述木材防腐剂处理木材的优选实施方式之一，本专利申请给出一种优选的处理方法(满细胞法)：将待处理的木材置于处理罐中，向处理罐中导入所述木材防腐剂；对处理罐抽真空，相对真空度为0.07-0.08Mpa，真空处理时间为10min；给处理罐加压，加压压力为0.8Mpa，加压时间为15min，压力保持时间为24h；处理罐中的压力恢复常压后，取出木材。采用本方法处理的木材，能够很好的在木材中固着水杨酸微胶囊，提高了处理木材防腐剂的抗流失性，并且增强了防腐剂的稳定性。
与现有技术相比，本发明所述木材防腐剂的优点或有益效果主要体现如下：
所述木材防腐剂选用天然杀菌抑菌成分水杨酸为有效抑菌组分(或之一)。通过实验证实，水杨酸对密粘褶菌(Gloeophyllum trabeum)和彩绒革盖菌(Coriolusversicolor)等木材腐朽菌具有显著的抑制作用。这种木材防腐剂组分中不含重金属离子，使用安全，不会对环境造成污染。
为了有效地在木材内部固着水杨酸，提高防腐剂的抗流失性能，本发明所述水杨酸至少以微胶囊的形式存在于所述木材防腐剂。水杨酸微胶囊通过牢固的化学键与木材成分结合，起到持久有效的防腐效果。与现有防腐剂相比，水杨酸为天然成分，对环境无副作用或副作用甚小；通过微胶囊工艺，拓展了水杨酸在木材防腐领域的应用，并且水杨酸微胶囊可以牢固地渗透到木材中，与其它防腐剂处理相比，抗流失性强，对木材腐朽菌抑制作用明显，可以起到持久有效的防腐效果。
在本发明设定的技术条件(参数)下，水杨酸微胶囊制备工艺简单，易于操作。相对于传统防腐剂的制备而言，本发明制备防腐剂工艺简单，易于实现。
附图说明
图1是待处理木材毛白杨(Populus tomentosa)的扫描电镜图。
图2是用水杨酸处理木材毛白杨(Populus tomentosa)的扫描电镜图。
图3是用本实施例所述木材防腐剂处理毛白杨(Populus tomentosa)后的扫描电镜图。
图4是用本实施例所述木材防腐剂处理的毛白杨(Populus tomentosa)，经抗流失实验后的扫描电镜图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的技术特点，下面结合具体的实施例对本发明作进一步的说明。需要指出的是，所给实施例并不构成对本发明保护范围的限制。
实施例1
1)配制木材防腐剂1#
称取1.0g水杨酸溶于17mL乙醇中，加入3g复合表面活性剂(以质量比，Span80、Tween80复配比例为2∶3)，在60℃的条件下缓慢加入约80mL水，然后再加入2mL2.5mol/L的氯化钠溶液，在500r/min的搅拌速度下搅拌10min，得到乳白色的较稳定的乳状液。待乳化充分后，缓慢加入一定量的正硅酸乙酯(水杨酸与正硅酸乙酯的投加质量比为1∶5)，置于60℃的水浴中搅拌3h，得木材防腐剂1#。
2)木材防腐处理方法
在本实施例中，采用浸泡法对试材进行防腐处理。所用试材为毛白杨(Populustomentosa)。常温常压条件下，将待处理的毛白杨试件浸泡于木材防腐剂1#中，待处理木材尽可能的保持在1#液面以下，浸泡处理时间为2-4天。在本实施例中，毛白杨试件浸泡处理时间优选为3天。
实施例2
1)配制木材防腐剂2#
称取1.0g水杨酸溶于33mL乙醇中，加入3g复合表面活性剂(以质量比，Span80、Tween80复配比例为3∶4)，在50℃的条件下缓慢加入约80mL水，然后再加入2mL2.5mol/L的氯化钠溶液，在500r/min的搅拌速度下搅拌10min，即得到乳白色的较稳定的乳状液。待乳化充分后，缓慢加入一定量的正硅酸乙酯(水杨酸与正硅酸乙酯的投加质量比为1∶15)，置于50℃的水浴中搅拌3h，得木材防腐剂2#。
2)木材防腐处理方法
在本实施例中，采用抽真空处理方式对试材进行防腐处理。所用试材为毛白杨(Populus tomentosa)。将毛白杨试件置于处理罐中，向处理罐中导入所述木材防腐剂2#；对处理罐抽真空，相对真空度为0.08Mpa，真空处理时间为8h，恢复常压，在常压条件下浸泡处理24h。
实施例3
1)配制木材防腐剂3#
称取1.0g水杨酸溶于17mL乙醇中，加入约5g复合表面活性剂(以质量比，Span80、Tween80复配比例为4∶5)，在40℃的条件下缓慢加入约80mL水，然后再加入2mL2.5mol/L的氯化钠溶液，在500r/min的搅拌速度下搅拌10min，即得到乳白色的较稳定的乳状液。待乳化充分后，缓慢加入一定量的正硅酸乙酯(水杨酸与正硅酸乙酯的投加质量比为1∶20)，置于40℃的水浴中搅拌3h，得木材防腐剂3#。
2)木材防腐处理方法
在本实施例中，采用满细胞法(抽真空-加压浸注处理方式)对试材进行防腐处理。所用试材为毛白杨(Populus tomentosa)。将毛白杨试件浸泡于木材防腐剂3#中，用锥形瓶将试件压在液面以下，将其一起送入浸渍罐(处理罐)中，采用“先真空后加压”的工艺，设置真空度0.08Mpa，加压压力0.8Mpa，真空时间10min，加压时间15min，保压时间24h；然后卸压，取出浸渍罐内试件，将其放入烘箱中，在60℃条件下干燥至恒重。
实施例4
1)配制木材防腐剂4#
称取1.0g水杨酸溶于8mL乙醇中，加入约2g复合表面活性剂(以质量比，Span80、Tween80复配比例为1∶1)，在60℃的条件下缓慢加入约80mL水，然后再加入2mL2.5mol/L的氯化钠溶液，在500r/min的搅拌速度下搅拌10min，即得到乳白色的较稳定的乳状液。待乳化充分后，缓慢加入一定量的正硅酸乙酯(水杨酸与正硅酸乙酯的投加质量比为1∶40)，置于60℃的水浴中搅拌3h，得木材防腐剂4#。
2)木材防腐处理方法
在本实施例中，采用满细胞法(抽真空-加压浸注处理方式)对试材进行防腐处理。所用试材为毛白杨(Populus tomentosa)。将毛白杨试件浸泡于木材防腐剂4#中，用锥形瓶将试件压在液面以下，将其一起送入浸渍罐(处理罐)中，采用“先真空后加压”的工艺，设置真空度0.08Mpa，加压压力0.8Mpa，真空时间10min，加压时间15min，保压时间24h；然后卸压，取出浸渍罐内试件，将其放入烘箱中，在60℃条件下干燥至恒重。
实施例5
本实施例给出木材防腐剂的性能处理试验。试验方法：采用实施例1-4配制的木材防腐剂及其相应的木材防腐处理方法，对木材进行防腐处理，以密粘褶菌(Gloeophyllumtrabeum)、彩绒革盖菌(Coriolusversicolor)为试验菌种，毛白杨(Populustomentosa)为试材。对照为未用防腐剂处理的试样。
采用LY/T 1283-2011《木材防腐剂对腐朽菌毒性实验室试验方法》的方法进行试验，试验结果见表1。
增重率R1的计算公式：
R1％＝(M1-M0)/M0
式中：M％—增重率；
M1—浸注后全干质量；
M0—浸注前全干质量。
质量损失率R2的计算公式：
R2％＝(M1-M3)/M1
式中：M1—浸注后全干质量；
M3—耐腐试验后全干质量。
表1防腐处理毛白杨的耐腐性试验结果
如表1所示，对照为未进行防腐处理的试样，毛白杨(Populustomentosa)对彩绒革盖菌(Coriolusversicolor)的质量损失率达到45.68％，对密粘褶菌(Gloeophyllumtrabeum)的质量损失率达到45.74％。而采用实施例1-4配制的木材防腐剂及其相应的木材防腐方法处理毛白杨，其对彩绒革盖菌、密粘褶菌的质量损失率均有不同程度的降低；其中，木材防腐剂1#-3#对彩绒革盖菌、密粘褶菌的耐腐等级为耐腐；木材防腐剂4#对彩绒革盖菌的质量损失率为2.02％，对密粘褶菌的质量损失率8.32％，均达到强耐腐的耐腐等级。这说明实施例1-4配制的木材防腐剂及其相应的木材防腐方法能提高毛白杨木材的耐腐性，使其达到耐腐以上的耐腐等级。
实施例6
本实施例给出木材防腐剂的抗流失性能处理试验。毛白杨(Populustomentosa)为试材。用水杨酸处理的毛白杨(Populustomentosa)为对照试材，用清水处理的毛白杨为素材对照组。
试验方法：毛白杨木块浸渍完成后从浸渍罐中取出，放入温度设定为60℃的烘箱中烘干至恒重，并称取质量。每组选取增重率相近的六块试件作为一组，放入500ml烧杯中，加入180ml去离子水，试材浸没在去离子水液面以下，搅拌，转速设定为500r/min。每隔6h、24h、48h更换去离子水一次，其后每隔48h更换去离子水一次，共计14d。收集每次更换的滤出液，用于水杨酸含量分析和流失速率的测定。
每次更换的滤出液中流失液水杨酸含量的测定结果见表2。水杨酸的流失速率见表3。
图1是待处理木材毛白杨(素材对照组)的扫描电镜图。图2是用水杨酸处理木材毛白杨(水杨酸处理组)的扫描电镜图。图3是用本实施例所述木材防腐剂处理毛白杨后的扫描电镜图。图4是用本实施例所述木材防腐剂处理的毛白杨，经抗流失实验后的扫描电镜图。
本实施例所述增重率R2(表2)的计算公式：
R2％＝(M2-M0)/M0
式中：R2％—增重率；
M2—流失后全干质量；
M0—浸注前全干质量。
表2滤出液中流失液水杨酸含量的测定结果
表3水杨酸的流失速率
如表2和表3所示，通过本实施例所述木材防腐剂处理后的木材在经过流失处理后，重量仍比素材的重量高，防腐剂的有效成分经过流失处理后在木材中仍存在，没有被全部洗完。对照为水杨酸处理防腐处理的试样，水杨酸对照组在12天时已经全部流失，流失快。实施例1-4配制的木材防腐剂在14天内水杨酸不断释放，且速率不断减慢，趋于平缓。说明本实施例所述木材防腐剂具有缓释作用，且能够提高防腐剂与木材的结合力，对水杨酸的释放有一定的延缓作用。
另外，结合图1和图2，待处理木材毛白杨的细胞腔内无微囊存在，水杨酸处理的毛白杨的细胞腔内存在少量针状物质，这种针状物质为水杨酸，说明水杨酸只能少量进入木材内部。观察图3得出，用木材防腐剂处理毛白杨，在毛白杨细胞腔中有大量微小颗粒状物质存在，这种颗粒状物质即为水杨酸微胶囊。经流失试验后，如图4所示，用木材防腐剂处理的毛白杨的细胞腔内部仍有微囊结构存在，但存在一定的流失现象，部分微囊结构在流失试验中被洗掉，但仍有大部分能与木材较好结合。

Claims (10)

1.一种木材防腐剂，其特征在于，所述木材防腐剂的有效抑菌组分包括水杨酸，所述水杨酸至少以微胶囊的形式存在于所述木材防腐剂中。
2.根据权利要求1所述的木材防腐剂，其特征在于，所述水杨酸微胶囊采用下述的方法制备：称取水杨酸溶于8-35mL乙醇中，向水杨酸的乙醇液中加入2-5g复合表面活性剂，升温至40-60℃，加水，然后再加入氯化钠溶液，搅拌得到乳状液；待乳化充分后，加入10-35mL正硅酸乙酯，40-60℃水浴搅拌，即得所述水杨酸微胶囊。
3.根据权利要求2所述的木材防腐剂，其特征在于，所述复合表面活性剂由Span80、Tween80复配而成，所述Span80、Tween80的复配质量比为2:3-1:1。
4.根据权利要求2所述的木材防腐剂，其特征在于，所述水杨酸与正硅酸乙酯的投加质量比为1∶(5-40)。
5.权利要求1-4任一项所述木材防腐剂的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述木材防腐剂用于处理木材，抑制木材腐朽菌的生长。
7.采用权利要求1-4任一项所述木材防腐剂处理木材的方法，其至少包括将待处理的木材浸泡于所述木材防腐剂中。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，常温常压条件下，将待处理木材浸泡于所述木材防腐剂中2-4天。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将待处理的木材置于处理罐中，向处理罐中导入所述木材防腐剂；对处理罐抽真空，相对真空度为0.08Mpa，真空处理时间为8h，恢复常压，在常压条件下浸泡处理24h。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将待处理的木材置于处理罐中，向处理罐中导入所述木材防腐剂；对处理罐抽真空，相对真空度为0.07-0.08Mpa，真空处理时间为10min；给处理罐加压，加压压力为0.8Mpa，加压时间为15min，压力保持时间为24h；处理罐中的压力恢复常压后，取出木材。
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