N-P-B系木材防護(hù)劑的制備及性能初探

田肖簫，余麗萍，洪 宇

(貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

木材是一種性能優(yōu)良的高分子材料，因其天然無害、紋理美觀大方而在建筑裝飾用材中備受青睞。社會的進(jìn)步使人類認(rèn)識到環(huán)境生態(tài)對生命延續(xù)的重要性，環(huán)境友好型用材備受提倡，我國木制品行業(yè)的發(fā)展使木材供求關(guān)系變得更加緊張[1-2]。改善木材易腐性，延長木材使用壽命，已成為亟需解決的問題。如何高效、合理利用大量的速生人工林材創(chuàng)造高附加值的木材產(chǎn)品[3]，又要考慮化學(xué)改性過程中對環(huán)境的影響，針對這一問題，國外學(xué)者提出了“一劑多效”的概念，并做了大量研究[4-5]。而國內(nèi)的研究主要傾向于對木材的阻燃、防腐、防霉等方向的單一改性，對于“一劑多效”的復(fù)合防護(hù)藥劑配方研究不多，如果能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)意義上的“一劑多效”，將會節(jié)省大量的財(cái)力、人力、物力。

本研究目的是要研制一種新型N-P-B環(huán)保型木材保護(hù)藥劑，使其能同時(shí)賦予木材阻燃、防腐、防水等性能。硼類木材防腐劑具有價(jià)格低、無毒高效、滲透性好、不改變木材原有顏色等優(yōu)點(diǎn)[6]。并且硼不僅是阻燃劑的主體元素之一，還是一種危害較小的殺蟲劑[7-8]，兼具防腐、阻燃多種功能。胍類化合物是一種無毒高效廣譜抗菌劑，且含有磷或氮元素的胍鹽具有阻燃性能[9-10]。故本研究研制了一種磷酸胍、氨基磺酸胍、四水合八硼酸二鈉為主體的環(huán)保型木材防護(hù)劑，目的是賦予木材多重功能，延長木材使用壽命，并探索該配方較優(yōu)的配比數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)“一劑多效”提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

試樣：貴州省榕江縣杉木邊材(Cunninghamialanceolata)，無瑕疵。各個(gè)檢測指標(biāo)所用試樣數(shù)量及規(guī)格見表1。

表1 試驗(yàn)試樣規(guī)格及數(shù)量Table 1 Specifications and quantities of test samples

試劑：磷酸胍(C2H10N6·H3PO4，簡稱GDP)，氨基磺酸胍(CN4H8SO3，簡稱GS)，四水合八硼酸二鈉(Na2B8O13·4H2O，簡稱DOT)，均為上海阿拉丁生化科技股份有限公司生產(chǎn)；十二烷基二甲基芐基氯化銨(C21H38NCl，簡稱DDBAC,)，上海麥克林生化科技有限公司生產(chǎn)。

菌種：霉菌(黑曲霉(Aspergillusniger，簡稱AN)，綠色木霉(Trichodermaviride，簡稱TV))

腐朽菌(彩絨革蓋菌(Coriolusversicolor，簡稱CV)，密粘褶菌(Gloeophyllumtrabeum，簡稱GT))

設(shè)備：自制真空浸注設(shè)備，TTech-GBT2406-2智能氧指數(shù)分析儀(蘇州泰思泰克檢測儀器科技有限公司)。

1.2 試樣處理

本次試驗(yàn)采用L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用4種試劑，每種試劑選取3個(gè)濃度水平，按照表2的因素水平進(jìn)行混合，制得澄清的混合溶液備用。

試樣先放入烘箱中60℃條件下烘至恒重，采用真空浸注方法(真空度為-0.09 MPa,保持30 min)將復(fù)合防腐劑浸注到試樣內(nèi)部。取出木塊，擦干試樣表面多余液體，放入烘箱，在60℃下烘至恒重。

表2 正交試驗(yàn)Table 2 Orthogonal experimental table

1.3 方法

防腐性：參照林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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》測定。防霉性：參照GB/T 18261-2000 《防霉劑防治木材霉菌及藍(lán)變菌的試驗(yàn)方法》測定。阻燃性：參照《GB/T 2406.2-2009 塑料 用氧指數(shù)法測定燃燒行為 第2部分:室溫試驗(yàn)》測定。吸水性：根據(jù)GB/T 1934.1-2009 《木材吸水性測試方法》測定。

2 結(jié)果與分析

各配方處理的木材試樣經(jīng)過各種性能檢測，得到的結(jié)果見表3。

表3 處理材的各項(xiàng)性能檢測結(jié)果Table 3 Performance test results of treated woods %

注：()里為標(biāo)準(zhǔn)差。

2.1 耐腐性

從表3可以看出，杉木邊材對CV的耐腐性比GT好，這與前人的研究結(jié)果相同[7]。經(jīng)CV腐朽后，處理材質(zhì)量損失率0.36%～1.52%；經(jīng)GT腐朽后，處理材的質(zhì)量損失率在1.92%～11.17%。相對于空白對照組來說，經(jīng)過木材防護(hù)劑處理的試樣，其耐腐性都分別提高了16.78%～17.94%、18.03%～27.28%。說明復(fù)合防護(hù)劑能起到較好的防腐作用，且經(jīng)過處理后的木材也具有室外耐腐的潛力?？瞻讓φ赵贑V的侵染中結(jié)果的耐腐性均為Ⅱ級，在GT試驗(yàn)中都處于Ⅲ級，而處理材除了第8組外都在Ⅰ級強(qiáng)耐腐的范圍內(nèi)，說明防護(hù)劑對腐朽菌的耐受性有著較好的效果。

2.2 防霉性

霉變主要發(fā)生在木材表面，如果將木材用作表面裝飾裝修材料時(shí)，這種霉菌的侵害將會大大降低木竹材的品質(zhì)和價(jià)格，嚴(yán)重影響到木竹材的銷售和使用范圍，所以對木材進(jìn)行防霉處理是十分必要的。從表3可知，木材對于TV的防治能力基本上均>AN。處理材對于TV和AN的防治能力遠(yuǎn)強(qiáng)于空白組。除處理7外，防護(hù)劑處理材對于TV的防治力都為100%，說明該防護(hù)劑配方防治TV十分有效。防護(hù)劑處理材對于AN的防治力都在50%～83.3%，說明防護(hù)劑配方對于AN的防治力也有一定效果。經(jīng)方差分析各個(gè)因素對杉木的防霉性影響都不顯著(表4)。

表4 6個(gè)指標(biāo)的直觀分析Table 4 Orthogonal analysis table %

注：k1,k2,k3分別為水平1,2,3的均值；帶*為方差分析顯著影響因子。

2.3 氧指數(shù)

氧指數(shù)是衡量木材是否易燃的一項(xiàng)重要指標(biāo)。從表3可以看出，防護(hù)劑處理材的氧指數(shù)都遠(yuǎn)>空白對照組。處理材氧指數(shù)最小的是處理1，為45.3%，但其藥劑的濃度僅為6.5%；其余處理均顯示出優(yōu)良的阻燃性能。防護(hù)劑處理組相對于空白對照組氧指數(shù)提高了1.72～2.71倍，說明該防護(hù)劑提高了木材的難燃性，對木材的阻燃性有積極影響。

2.4 吸水率

從圖1可以看出，木材吸水率的變化趨勢大致相同，但處理組的吸水率都遠(yuǎn)<空白組，在經(jīng)過8晝夜(192 h)的浸水后，木材都達(dá)到最大吸水率，空白組的最大吸水率在160%左右，而處理組的最大吸水率在60%～110%。吸水率最小的是處理8，為103.04%，最大的是處理1，為133.49%，與空白組172.06%相比較，經(jīng)過處理的木材在吸水性能上，最大值與空白試驗(yàn)組相差38.57%，說明防護(hù)劑對木材的吸水性有較好的改善，經(jīng)處理后的木材在室外及室內(nèi)都能夠比空白未處理的木材的抗吸濕性能好，能夠更好地延長木材的使用壽命。

2.5 正交試驗(yàn)

本試驗(yàn)屬于多指標(biāo)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共測定了6個(gè)指標(biāo)，為有效解決多指標(biāo)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方案優(yōu)化問題,本研究先用直觀分析法計(jì)算出各因素水平的平均值和極差(表4)，再利用這些值用矩陣法計(jì)算出各因素各水平的權(quán)重值，直接根據(jù)權(quán)重大小快速確定各因素水平對各指標(biāo)的影響程度，從而確定各因素水平的主次順序[11]。

圖1 吸水性趨勢圖Fig.1 Trends of water absorption

從直觀分析總的趨勢來看，GDP、GS及DDBAC在低濃度時(shí)防腐防霉效果比高濃度時(shí)好，這可能是因?yàn)檫@幾種藥劑中含有豐富氮元素的緣故，尤其是GDP最為明顯。而氧指數(shù)則是隨著胍鹽濃度的增加而提高。A1處理材的耐腐性最好，A3處理材的氧指數(shù)最高。DOT對氧指數(shù)及防腐性影響不明顯。對吸水率的影響各因素也基本是濃度最高的最好。方差分析表明，除GDP對氧指數(shù)有顯著影響外，其余各因素對其他指標(biāo)影響均不顯著。

6個(gè)指標(biāo)中，CV質(zhì)量損失率、GT質(zhì)量損失率、吸水率3個(gè)指標(biāo)的值是越小越好，而AN防治效力、GT防治效力、OI值是越大越好。采用權(quán)矩陣分析法[12-13]，計(jì)算出各因素水平的權(quán)重W值。

CV質(zhì)量損失率、GT質(zhì)量損失率、AN防治效力、GT防治效力、OI、吸水率6個(gè)檢測指標(biāo)的權(quán)矩陣依次為W1～W6：

此正交試驗(yàn)檢測指標(biāo)的總權(quán)矩陣為6個(gè)指標(biāo)值的權(quán)矩陣的平均值，記為W：

由以上計(jì)算可得各個(gè)因素對正交試驗(yàn)的指標(biāo)值影響的主次順序(主-次)為ABDC，因素A的3個(gè)水平對試驗(yàn)結(jié)果的影響權(quán)重分別為A1=0.140 3,A2=0.106 8,A3=0.110 5,A1權(quán)重最大；同理因素B中B1權(quán)重最大；因素C中C3權(quán)重最大；因素D中D1權(quán)重最大。因此正交試驗(yàn)的最優(yōu)方案配比為：A1B1C3D1。即為2%的GDP、3%的GS，3%的DOT和0.5%的DDBAC。

3 結(jié)論與討論

國內(nèi)研究了多種木材及木制品的阻燃劑，但是主流始終是含磷、氮和硼元素的化合物及其混合物[13]。本防護(hù)劑采用多種藥劑復(fù)配形成N-P-B阻燃體系，處理6藥劑的阻燃性能最好，氧指數(shù)為71.5%，但藥劑濃度僅為10.5%。同為N-P-B阻燃體系，馬林榕[14]等研究的復(fù)配藥劑濃度為15%時(shí)，氧指數(shù)最高為41.3%；鐘光華[15]等研究發(fā)現(xiàn)BL-環(huán)保型阻燃劑藥劑濃度為15%時(shí)，其氧指數(shù)為48.54%；潘景[16]等用15%的BL-環(huán)保型阻燃劑真空加壓處理?xiàng)钅具叢?，其氧指?shù)最高為55.9%。相比之下，本防護(hù)劑氧指數(shù)提高了15.5%～30.2%，說明本防護(hù)劑能在較低藥劑濃度下，到達(dá)了較好的阻燃效果，說明GDP、GS和DOT及DDBAC之間存在一定的協(xié)同作用。

研究結(jié)果表明，采用GDP、GS、DOT和DDBAC復(fù)配的防護(hù)劑處理材耐腐性能較好，除第8組外都在I級強(qiáng)耐腐的范圍內(nèi)；且該防護(hù)劑對霉菌的防治力和對木材的抗吸水性也有一定積極影響；除處理1可能因藥劑濃度太低，氧指數(shù)沒到達(dá)50%外，其他處理材氧指數(shù)均超過了50%，最高可達(dá)到71.48%。顯示出較好的阻燃性能，具有成為難燃級別建筑用材的潛力。GDP對處理材的氧指數(shù)影響顯著，其他因素對各個(gè)檢測指標(biāo)的影響均不顯著。通過矩陣分析法可知找出最優(yōu)配比為：A1B1C3D1。根據(jù)以上結(jié)論以及對數(shù)據(jù)的分析，可以知道本試驗(yàn)的氮磷硼系木材復(fù)合防護(hù)劑能附著在木材細(xì)胞中，發(fā)揮各種藥劑的功能，提高木材的防腐防霉，抗吸水性能，難燃性能，初步實(shí)現(xiàn)了“一劑多效”，但本研究對于該配方處理材各方面性能的檢測還不夠，還需深入研究。

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