納米木聚糖對木材防腐效果及物理力學(xué)性能的影響

王學(xué)春，程澤琦，張世曉，高明華，李明澤

(1.樺甸市常山林場，吉林 吉林 132419；2.北華大學(xué)，吉林 吉林 132013；3.吉林森工金橋地板有限公司，吉林 長春 130114)

隨著人民生活水平提高，各個方面都更加注重環(huán)保、綠色、可持續(xù)循環(huán)，木材作為一種天然可再生的有機(jī)材料受到人們的歡迎，這給木材的供給帶來了巨大的困難[1,2]。由于木材本身結(jié)構(gòu)多孔，纖維松散易受潮而變形，易受菌的侵蝕，不易保存[3]。所以，對木材進(jìn)行一定處理，延長其使用壽命，以便緩解木材供給的緊張程度。國內(nèi)外在木材防腐方面的研究已取得重大成就，其中，生物防腐劑木聚糖，其來源廣泛，主要存在于植物細(xì)胞的半纖維素中，具有一定的防腐性能，將其進(jìn)行處理，粒徑控制在1～100 nm，制得納米木聚糖[4]。采用納米木聚糖溶液對木材進(jìn)行浸漬處理，其成本較低，工藝相對簡單，環(huán)保性、抗流失性、防腐性好[5-7]。本試驗(yàn)使用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米木聚糖溶液對木材進(jìn)行浸漬處理，并對處理后木材的防腐性能和力學(xué)性能進(jìn)行檢測，探究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的木聚糖溶液對木材防腐性能和物理力學(xué)性能的影響。

1試驗(yàn)材料與研究方法

1.1試驗(yàn)儀器設(shè)備

主要儀器設(shè)備見表1。

表1 主要儀器設(shè)備

1.2試驗(yàn)原料

主要試驗(yàn)原料見表2。

表2 主要試驗(yàn)原料

1.3防腐試驗(yàn)方法

1.3.1納米木聚糖溶液的制備

稱量1 g凍干的木聚糖，加入50 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 % NaOH 溶液，在50 ℃或40 ℃條件下溶解，再加入稀鹽酸調(diào)節(jié)pH至5.5左右，然后加入150 mL乙醇進(jìn)行沉降，抽濾，利用高速離心機(jī)進(jìn)行固液分離，凍干固體備用，液體即為制備的納米木聚糖溶液，將樣品分別用適量的去離子水稀釋成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 %、3 %、5 %的納米木聚糖溶液[8,9]。

1.3.2 防腐試樣的制備

將楊木板材鋸割成20 mm×20 mm×20 mm的試件放入烘箱中，105 ℃烘至絕干，分別稱量并記錄試件質(zhì)量。常溫常壓下，將絕干試件分別放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 %、2 %、5 %、8 %、10 %的納米木聚糖液中，浸泡24 h取出，并在105 ℃烘至絕干，分別稱量并記錄質(zhì)量，每組6塊，另外6塊不做處理，作為對照。

1.3.3菌種接種培養(yǎng)

在超凈臺內(nèi)打開錐形瓶，先用酒精燈灼燒錐形瓶瓶口部位、彩絨革蓋菌試管部位以及接種環(huán)。然后用接種環(huán)在彩絨革蓋菌中取出一小塊，放入河沙木屑培養(yǎng)基中，塞上脫脂棉包上牛皮紙，放入細(xì)菌培養(yǎng)箱中培養(yǎng)15 d；重復(fù)上述操作進(jìn)行密粘褶菌的接種。15 d后，彩絨革蓋菌和密粘褶菌長滿錐形瓶，用紫外光燈對超凈工作臺滅菌10 min，打開通風(fēng)，用75 %酒精將錐形瓶擦洗消毒后，將防腐測試木塊放入，每瓶中放入6塊，在細(xì)菌培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4周。

1.3.4木材防腐試驗(yàn)

按照LY/T 1283—2011《木材防腐劑對腐朽菌毒性實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法》進(jìn)行，將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的防腐劑分別通過真空浸漬處理工藝注入尺寸為20 mm × 20 mm ×10 mm 的毛白楊試樣內(nèi)，一部分放入BSC250型恒溫恒濕箱，調(diào)節(jié)溫度、濕度，培養(yǎng)周期為12周。

1.3.5失重率計(jì)算

待試件被兩種菌侵蝕3個月后，取出并剝?nèi)ケ砻婢z，105 ℃烘至絕干，稱重記錄，計(jì)算質(zhì)量損失率，判斷防腐性能。試件失重率計(jì)算公式如下：

式中：WLR為試樣質(zhì)量損失率/%；w1為試樣腐朽前的絕干質(zhì)量/g；w2為試樣腐朽后的絕干質(zhì)量/g。

1.4木材橫紋抗壓彈性模量試驗(yàn)方法

將楊木板材鋸割成尺寸為60 mm(h)×20 mm(b)×20 mm(t)的試樣，分別按照弦向及徑向制作。弦向試樣的高度為木材弦向，徑向試樣的高度為木材徑向，試樣的上下兩端面要平滑，互相平行并與高度方向保持垂直。常溫常壓下，將試樣分別放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 %、3 %、5 %的納米木聚糖溶液中，浸泡24 h取出，105 ℃烘至絕干，每組3塊，另外3塊不做處理，作為對照[10,11]，同時采用GB/T 1943—2009《木材橫紋抗壓彈性模量測定方法》進(jìn)行木材橫紋抗壓彈性模量的測定。

1.5木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法

將楊木板材鋸割成尺寸為300 mm(h)×20 mm(b)×20 mm(t)的試樣，長度為順紋方向，將試樣分別放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 %、3 %、5 %的納米木聚糖溶液中，浸泡24 h取出，105 ℃烘至絕干，每組3塊，另外3塊不做處理，作為對照，同時采用GB/T 1936—2009《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行木材抗彎強(qiáng)度的測定。

1.6木材順紋抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法

將楊木板材鋸割成尺寸為300 mm(h)×20 mm(b)×20 mm(t)的試樣，試樣受剪面應(yīng)為徑向或弦面，長度為順紋方向，將試樣分別放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 %、3 %、5 %的納米木聚糖溶液中，浸泡24 h取出，105 ℃烘至絕干，每組3塊，另外3塊不做處理，作為對照，同時采用GB/T 1937—2009《木材順紋抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行木材順紋抗剪強(qiáng)度的測定。

2結(jié)果與分析

2.1不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的木聚糖、納米木聚糖溶液對木材失重率的影響

圖1 木聚糖、納米木聚糖處理后對白腐菌侵蝕試樣失重率的影響

圖1為5種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的木聚糖、納米木聚糖溶液處理后試樣進(jìn)行白腐試驗(yàn)的失重率結(jié)果，從圖中可以看出，木聚糖、納米木聚糖溶液處理后試樣的失重率都呈現(xiàn)下降趨勢，但納米木聚糖溶液處理試樣失重率要低于木聚糖溶液處理試樣的失重率，防腐效果更好。這是因?yàn)榧{米木聚糖顆粒尺寸更小，更容易進(jìn)入到木材細(xì)胞內(nèi)部，所以載藥量也更大，防腐效果要優(yōu)于木聚糖處理試樣。另外，更小尺寸的納米木聚糖也更容易吸附于木腐菌表面，增強(qiáng)對木腐菌的殺傷作用。

圖2 木聚糖、納米木聚糖處理后對褐腐菌侵蝕試樣失重率的影響

圖2為5種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的木聚糖、納米木聚糖溶液處理后試樣進(jìn)行褐腐試驗(yàn)的失重率結(jié)果，從圖中可以看出，木聚糖、納米木聚糖溶液處理后試樣的失重率都呈現(xiàn)下降趨勢，但對密粘褶菌的抗腐朽性能遠(yuǎn)沒有對彩絨革蓋菌的抗腐朽性能好，最低失重率為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 %的納米木聚糖溶液處理的試樣，失重率為19.91 %，耐腐級別Ⅱ。這說明密粘褶菌對木聚糖及納米木聚糖并不敏感。

表3 耐腐等級

5種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的木聚糖、納米木聚糖防腐劑對兩種木腐菌的耐腐等級如表3所示?？梢钥闯觯噍^密粘褶菌而言，彩絨革蓋菌對木聚糖的敏感性更高，當(dāng)納米木聚糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 %時，對彩絨革蓋菌的耐腐等級為Ⅰ，但對于密粘褶菌的耐腐等級為Ⅱ。

2.2木材橫紋抗壓彈性模量的測定

試件(本試驗(yàn)試件含水率均為12 %)的橫紋抗壓彈性模量計(jì)算公式如下：

式中：EW為試樣含水率為W時的橫紋抗壓彈性模量/MPa；ΔP為木材橫紋壓縮比例極限以內(nèi)上限與下限荷載之間兩點(diǎn)荷載之差/N；l為標(biāo)定變形的基距/mm；b為試樣寬度/mm；t為試樣厚度/mm；Δl為ΔP相對應(yīng)的壓縮變形值/mm。

上、下限載荷間試樣的平均壓縮變形值見表4，木材橫紋抗壓彈性模量測定結(jié)果見表5。

表4 上、下限載荷間試樣的平均壓縮變形值

表5 木材橫紋抗壓彈性模量

從表5中可以看出，未經(jīng)納米木聚糖溶液處理木材試樣的橫紋抗壓彈性模量為7.46 GPa；經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 %、5 %、10 %的納米木聚糖溶液處理后，木材試樣的橫紋抗壓彈性模量分別為7.41 GPa、7.35 GPa、7.29 GPa，彈性模量損失率分別為0.6 %、1.4 %、2.2 %。

2.3木材抗彎強(qiáng)度測定

試樣的抗彎強(qiáng)度按下列公式計(jì)算，準(zhǔn)確至0.01 MPa。

式中：σbw為試樣含水率為W時的抗彎強(qiáng)度/MPa；Pmax為破壞載荷/N；l為兩支座間跨距/mm；h為試樣高度/mm；b為試樣寬度/mm。

木材破壞載荷見表6，木材抗彎強(qiáng)度及其損失率測定結(jié)果見表7。

表6 木材破壞載荷

表6(續(xù))

表7 木材抗彎強(qiáng)度及其損失率

從表7中可以看出，未經(jīng)納米木聚糖溶液處理的木材試樣抗彎強(qiáng)度為78.76 MPa，經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 %、5 %、10 %的納米木聚糖溶液浸漬后，木材試樣的抗彎強(qiáng)度分別為77.96 MPa、76.30 MPa、76.09 MPa，隨著納米木聚糖溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加，木材的抗彎強(qiáng)度損失率分別為1.05 %、3.1 %、3.3 %，說明不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米木聚糖溶液對木材自身抗彎能力并無大的影響。

2.4 木材順紋抗剪強(qiáng)度的測定

按照GB/T 1937—2009規(guī)定進(jìn)行，只做弦向試驗(yàn)。在長度中央，勻速加荷，在1～2 min內(nèi)使試件破壞，讀數(shù)(準(zhǔn)確至10 N)。試件的順紋抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

式中：τw為試樣含水率為W時的順紋抗剪強(qiáng)度/MPa；Pmax為破壞載荷/N；b為試樣受剪面寬度/mm；l為試樣受剪面長度/mm。

木材破壞載荷見表8，木材順紋抗剪強(qiáng)度及其損失率測定結(jié)果見表9。

表8 木材破壞載荷

表8(續(xù))

表9 木材順紋抗剪強(qiáng)度及其損失率

從表9中可以看出，未經(jīng)納米木聚糖溶液處理的木材試樣的順紋抗剪強(qiáng)度為68.97 MPa，經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 %、5 %、10 %的納米木聚糖溶液處理，木材試樣的順紋抗剪強(qiáng)度分別為68.30 MPa、67.36 MPa、67.21 MPa，順紋抗剪強(qiáng)度損失率分別為0.9 %、2.3 %、2.5 %。

3結(jié)論

本試驗(yàn)制備的納米級木聚糖，粒徑分別為45.99 nm、77.35 nm，符合納米材料范圍。

從失重率結(jié)果來看，納米木聚糖溶液處理試樣的失重率幾乎都低于木聚糖溶液處理試樣的失重率。當(dāng)納米木聚糖溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 %時，防腐效果最好，彩絨革蓋菌對納米木聚糖、木聚糖比較敏感。

本試驗(yàn)測試了木材經(jīng)過納米木聚糖溶液處理后其力學(xué)性能的變化，木材橫紋抗壓彈性模量、木材抗彎強(qiáng)度、木材順紋抗剪強(qiáng)度的變化范圍均很小，說明納米木聚糖溶液對木材的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及木材的維護(hù)特性影響不大。