水载型复合木材防腐剂的制备及其抑菌性能1)

倪洁 张丽丽 程康华

(南京林业大学，南京，210037)



水载型复合木材防腐剂的制备及其抑菌性能1)

倪洁 张丽丽 程康华

(南京林业大学，南京，210037)

选择己唑醇衍生物(Hex-1)、戊唑醇、氯菊酯为主要有效成分，制备水载型复合木材防腐剂。用4.76% Hex-1、4.76%戊唑醇、0.48%氯菊酯、30%有机溶剂和20%乳化剂的配方，在乳化时间30 min、乳化温度25 ℃、搅拌速度600 r/min的条件下进行乳化，得到均相、透明的水载型木材防腐剂。对防腐剂粒径、低温稳定性、热贮稳定性、稀释稳定性、冻融稳定性及抑菌性能进行考查，结果表明：防腐剂粒径分布在10～100 nm，在±2℃的低温条件和(54±2)℃的高温条件下，防腐剂稳定、稀释性好；在-18 ℃下冷冻，融化后能恢复均相透明状态，且稀释稳定性无明显变化。防腐剂具有良好的抑菌活性，其效果与相同质量分数油载型防腐剂相当。

木材防腐剂；己唑醇衍生物；戊唑醇；氯菊酯；微乳剂；抑菌效果

We chose the derivative of hexaconazole (Hex-1), tebuconazole and permethrin as the effective components of water-borne composite wood preservatives. With a composition of Hex-1 4.76%, tebuconazole 4.76%, permethrin 0.48%, organic solvents 30% and emulsifiers 20%, we obtained a homogeneous and transparent water-borne wood preservative for 30-min emulsification, emulsification temperature of 25 ℃ and stirring speed of 600 r/min. We tested the particle size, stability at low and high temperatures, steadiness of dilution, freeze thawing stability and antimicrobial effect of the preservative. The particle size of the preservative ranged from 10 nm to 100 nm. The preservative was stable with a good dilution property at low temperature of ±2 ℃ and high temperature of (54±2)℃. The preservative was in homogeneous and transparent state, and there were no significant changes in dilution stability on melting after it was frozen at -18 ℃. The preservative showed good antimicrobial activities and had the equal effects with the control group in antimicrobial experiments.

木材作为当今四大建筑材料中唯一可再生资源，易受各种生物降解因子的侵害而腐朽。对木材进行防腐处理[1]能延长其使用寿命、扩大应用领域，是节约木材资源的有效措施，具有很好的经济效益和生态效益。常见的木材防腐剂大多含有铜、铬、砷等金属元素，如铬化砷酸铜(CCA)、季铵铜(ACQ)等，最大不足之处就是易造成环境污染[2-3]，很多国家已限制其使用。因此，从事木材保护研究的科技工作者都把重点放到不含金属的水载型有机木材防腐剂的研发上[4-5]。相比于CCA、ACQ等，水载型有机木材防腐剂具有环境友好、成本低廉和易于回收的优点[6]。目前以三唑类杀菌剂及其衍生物为有效成分的木材防腐剂在木材中的应用最为广泛。三唑类杀菌剂可以抑制麦角甾醇的合成，干扰真菌附着孢及吸器的发育[7]，影响菌丝的生长和孢子的形成，具有高效、杀菌谱广、强内吸性、对人畜低毒等特点，对担子菌、子囊菌、半知菌等有很好的防治效果。木材防腐中使用较多的三唑类杀菌剂主要有丙环唑(PPZ)、戊唑醇(TEB)和环丙唑醇(CY)等，且已被列入了AWPA标准。多数三唑类及其衍生物对木材腐朽菌抑制效果好，对霉菌的活性较差，对白蚁等几乎没效果。因此需将其与其他杀菌剂或防霉剂复配以提高其杀菌光谱性，还需添加杀虫剂增强其对白蚁等的抵御力。

19世纪80年代以来，水基化农药剂型的研究发展迅速，以水为基质的农药剂型如微乳剂、水乳剂等逐步取代以有机溶剂为基质的乳油，既可节约大量的能源又可减轻对环境的污染。微乳剂是液体农药原药或与溶剂配制成液体的农药原药，分散在含有一定量的表面活性剂的水溶液中，形成的透明或半透明的溶液[8]。它是由水、原药、表面活性剂、助表面活性剂等混合形成的热力学稳定体系，具有分散程度大、增溶量大、流动性大、透光性等特点。微观结构上是由被表面活性剂界面膜所稳定的一种或两种液体的微细液滴(直径10～100 nm)构成，光可以通过，外观呈透明状。而普通乳液液滴直径常在500 nm以上，故外观呈乳白色。因此，笔者选择对木材腐朽菌有较强抑制活性的三唑类己唑醇衍生物(Hex-1)，与对霉菌抑制效果较好的戊唑醇和相对低毒的杀虫剂氯菊酯复配，通过实验室抑菌圈试验确定最佳复配比例，并对溶剂、乳化剂进行筛选，制备出稳定透明的水载型复合木材防腐剂。用水替代大量有机溶剂，使此防腐剂在提高杀菌广谱性和应用范围的同时，更加经济、环保。

1 材料、仪器与方法

1.1 材料

原药：质量分数95%的己唑醇衍生物，自制；质量分数96%的戊唑醇和质量分数96.5%的氯菊酯，工业级，均为外购。

乳化剂：十二烷基苯磺酸钙(500#)，苯乙基酚聚氧乙烯醚600系列601#、602#等，均由江苏钟山化工有限公司提供。

溶剂：环己酮、甲醇等，均为分析纯，外购。

试验菌种：白腐菌为彩绒革盖菌(Coriolusversicolor)；褐腐菌为密粘褶菌(Gloeophyllumtrabeum)；霉菌为黑曲霉(Aspergillusniger)，均由南京林业大学木材保护研究所提供。

1.2 主要仪器与设备

S312-90数显恒速搅拌器(上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司)；DC-1020低温恒温槽(上海恒平科学仪器有限公司)；Zetasizer Nano-ZS激光粒度分析仪(马尔文仪器有限公司)；DZKW-4电热数显恒温水浴锅(上海科析试验仪器厂)；Agilent-1100型高效液相色谱分析仪(美国安捷伦公司)等。

1.3 方法

1.3.1 微乳剂的制备

选取对木材腐朽菌抑制活性较强的三唑类杀菌剂己唑醇衍生物Hex-1、戊唑醇与杀虫剂氯菊酯进行复配，按照m(Hex-1)∶m(戊唑醇)=3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3等5个不同比例配制，分别用甲醇溶解制成质量分数为0.5%的复配药液，对木材腐朽菌及霉菌进行抑菌效果试验，根据试验结果确定微乳剂中有效成分最佳复配比例。

微乳剂制备采用转相法。先将Hex-1、戊唑醇和氯菊酯用适当的溶剂溶解，形成均匀透明的油相，再加入一定种类的乳化剂，使乳化剂与溶液混合均匀。在乳化温度25 ℃、搅拌速度600 r/min的条件下边搅拌边加入水，使体系逐渐由油包水型转化为水包油型。水补足至100%后搅拌30 min形成稳定外观均匀透明的微乳剂。

1.3.2 样品主要性能指标及测定

外观：目测呈透明或半透明均相液体，无可见悬浮物或沉淀。

粒径：液滴直径分布在10～100 nm，通过激光粒度分析仪测定。

乳液稳定性：参照中华人民共和国国家标准农药乳液稳定性测定方法(GB/T 1603—2001)[9]。

低温稳定性：参照中华人民共和国国家标准农药低温稳定性测定方法(GB/T 19137—2003)[10]。

热贮稳定性：参照中华人民共和国国家标准农药热贮稳定性测定方法(GB/T 19136—2003)中有关液体制剂部分[11]。

冻融稳定性：将制剂置于-18 ℃放置6 h后取出，置于室温待其融化，循环3次[12]。

透明温度范围：将适量制剂加入具塞试管中，分别置于低温恒温槽和电热恒温水浴锅中，通过控制其降温和升温，测量此过程中制剂变浑浊的最低和最高温度[13]。

1.4 HPLC测试条件

Hex-1和戊唑醇色谱条件：色谱柱为C-18反向色谱分离柱；紫外检测器的检测波长220 nm；流动相为V(甲醇)∶V(水)=70∶30的混合液；柱温30 ℃；流速1.0 mL/min。

氯菊酯色谱条件：色谱柱为C-18反向色谱分离柱；紫外检测器的检测波长235 nm；流动相为V(甲醇)∶V(水)=70∶30的混合液；柱温30 ℃；流速1.0 mL/min。

1.5 抑菌试验

采用滤纸片法检测所配制剂的抑菌性能，水载型防腐剂用水分别稀释至质量分数为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，并以相应质量分数的甲醇溶液作为对照药剂，再将药液浸泡过的滤纸片(直径5 mm)平置于已接种菌的培养皿上，根据菌种生长情况比较不同剂型、不同质量分数制剂的抑菌活性[14]。在水载型和有机溶剂型防腐剂的抑菌作用下，彩绒革盖菌、密粘褶菌只在培养皿中间生长，无抑菌圈出现，故选择菌种生长直径表示抑菌作用强弱，菌种生长直径≥25 mm表示无抑菌效果；而黑曲霉的生长能平铺整个培养皿，有明显的抑菌圈出现，故用抑菌圈直径表示抑菌作用强弱，抑菌圈直径≤7 mm表示无抑菌效果。3次重复试验均有抑菌作用，判为合格。其中对照组应无抑菌圈产生，否则试验无效。

2 结果与分析

2.1 微乳剂配方

2.1.1 有效成分最佳配比的确定

通过抑菌圈试验对不同m(Hex-1)∶m(戊唑醇)的抑菌效果进行考查。结果表明，m(Hex-1)∶m(戊唑醇)=1∶1时抑菌效果最佳(表1)。图1为最佳m(Hex-1)∶m(戊唑醇)=1∶1时复配药剂对木材腐朽菌和霉菌的抑菌效果图。

表1 不同比例复配药剂对腐朽菌抑菌试验的结果

注：复配药剂的质量分数为0.5%；菌种生长直径<25 mm或者抑菌圈直径>7 mm表示有抑菌效果；抑菌圈直径≤10 mm表示弱抑菌性，10<抑菌圈直径≤20 mm表示中等抑菌性，抑菌圈直径≥20 mm表示强抑菌性[15]。

为了使木材防腐剂具有防虫的作用，在以Hex-1、戊唑醇为有效成分的基础上再加入氯菊酯，参考PTI木材防腐剂的配方，m(Hex-1)∶m(戊唑醇)∶m(氯菊酯)=47.6∶47.6∶4.8。

2.1.2 溶剂体系的确定

常温下己唑醇衍生物、戊唑醇均为无色晶体，氯菊酯为棕黄色黏稠液体，都是有机化合物，因此制备微乳剂首先需要选择合适的溶剂，使原药充分溶解，并在冷、热贮后无浑浊和析晶现象。

经过多种溶剂的筛选，发现环己酮和DMF均能很好地溶解原药，可以作为原药混合物的溶剂。试验中分别以环己酮和DMF为溶剂，添加适量乳化剂制备水基化制剂。结果发现，单用环己酮作为溶剂时，乳液透明温度范围较窄，且环己酮用量较大；单用DMF作为溶剂时，原药溶解性很好，且乳液透明温度范围宽，但由于DMF极性大，导致乳液稳定性差而析出晶体，故溶剂体系选择环己酮—DMF溶剂体系。经试验筛选，m(环己酮)∶m(DMF)=2∶1时，既可减少环己酮用量，又可满足较宽的透明温度范围和稀释稳定性的要求，并确定其在微乳剂体系中的质量分数为30%。

图1 最佳m(Hex-1)∶m(戊唑醇)的抑菌效果图

2.1.3 表面活性剂的选择

能否得到稳定的乳状液，表面活性剂的选择是关键[16]。一般非离子表面活性剂的亲水亲油平衡对温度较敏感，离子型表面活性剂的亲水亲油性对温度不敏感，但其在低温下溶解度显著降低，合适的阴离子和非离子表面活性剂复配能够同时使体系受盐度和温度的影响显著降低[17-18]，因此实验中多采用非离子型和离子型表面活性剂复配。本研究中，用单一表面活性剂不能制得稳定的微乳剂，溶液均发生分层，故采用非离子型和离子型表面活性剂复配。实验中发现用磷酸酯类表面活性剂[19-20]来代替部分常用的500#阴离子表面活性剂可以制成外观透明、性能指标合格的微乳剂，并确定其在微乳剂体系中的质量分数为20%。

2.1.4 乳化方式的筛选

用机械搅拌、超声波和两种方法相结合的方法进行乳化。结果表明，乳化方式选择简单常用的机械搅拌即可(表2)。

表2 乳化方式对微乳剂的影响

2.2 微乳剂优化配方的性能验证

2.2.1 外观、粒径及乳液稳定性

根据优化配方制成的微乳剂，其外观为浅黄色、流动性良好的均相透明液体，无可见悬浮物或沉淀。经激光粒度分析仪测定，该制剂液滴直径分布在10～100 nm(图2)，符合微乳剂液滴直径要求。按照乳液稳定性测定方法，用342 mg/L标准硬水，将微乳剂样品分别稀释50和300倍，于30 ℃下经过1、24、96 h，稀释液均能保持透明状态，无油状物悬浮和固体物沉淀，测定其液滴平均直径均在100 nm以内，7 d后有少量晶体析出。

图2 微乳剂粒径分布

2.2.2 低温稳定性和热贮稳定性

将所配制剂分别在(0±2)℃低温条件下贮存7 d和恒温箱里(54±2)℃贮存14 d，考查贮存前、后制剂的外观、稀释稳定性，并用高效液相色谱法测定其各有效成分的质量分数，结果见表3。冷、热贮后的制剂外观仍保持均相透明，再分别将其稀释50、300倍，于30 ℃下放置1、24、96 h，稀释液均能保持透明状态，无油状物悬浮和固体物沉淀。其平均粒径均在100 nm以内，稀释稳定性无明显变化，且热贮后其有效成分分解率小于5%，符合微乳剂的指标要求。

表3 微乳剂冷、热贮稳定性测定结果

注：贮后外观均为均相、透明；贮后稀释稳定性均为淡蓝色、透明。

2.2.3 冻融稳定性

冻融试验属苛刻试验，根据冻融后乳液稳定性的变化，可检验配方的优劣，预测其在恶劣环境下的贮存稳定性和贮存期限。将所配制剂置于-18 ℃冰箱中冷冻，6 h后取出置于室温待其融化，经过如此3次冷冻—融化循环，结果制剂均能恢复均相透明状态。再分别将其稀释50和300倍，于30 ℃下经过1、24、96 h，稀释液均能保持透明状态，无油状物悬浮和固体物沉淀，其平均粒径均在100 nm以内，稀释稳定性无明显变化，进一步验证配方的稳定性。

2.2.4 微乳剂控制项目指标

根据优化配方制成的微乳剂，其外观为浅黄色、流动性良好的均相透明液体。制剂中的有效成分质量分数、pH值、粒径分布、透明温度范围及稳定性等指标见表4。

表4 微乳剂控制项目指标

2.3 微乳剂抑菌效果

以甲醇溶液为对照药剂，所配制剂的抑菌性能检测结果列于表5。可以看出，随着所配制剂质量分数的增加，抑菌效果越来越好，且无论哪种剂型，所配制剂对彩绒革盖菌的抑菌性能均强于对密粘褶菌的抑菌性能。当所配制剂质量分数达到1.5%及以上时，彩绒革盖菌不生长。在质量分数为0.5%时，所配制剂对黑曲霉表现出中等抑菌活性；当质量分数达到1.0%及以上时，所配制剂对黑曲霉的抑菌活性明显增强，为强抑菌活性。比较这两种剂型，微乳剂的抑菌效果与有机溶剂型的抑菌效果相当，没有显著性差异。图3—图5可以更加直观地看出不同剂型防腐剂对木材腐朽菌和霉菌的抑菌效果。

表5 不同剂型防腐剂的抑菌效果

注：“—”表示菌种不生长；菌种生长直径<25 mm或者抑菌圈直径>7 mm表示有抑菌效果；抑菌圈直径≤10 mm表示弱抑菌性，抑菌圈直径为10～20 mm表示中等抑菌性，抑菌圈直径≥20 mm表示强抑菌性。

图3 空白对照组

图4 微乳剂质量分数为1.5%的抑菌效果图

图5 有机溶剂型质量分数为1.5%的抑菌效果图

3 结论

以4.76%己唑醇衍生物、4.76%戊唑醇、0.48%氯菊酯为有效成分，经乳化制得的水载型复合木材防腐剂，不含金属，低毒、环境友好，应用范围广，成本低廉。水载型复合木材防腐剂为均相、透明的液体，粒径分布在10～100 nm；在±2 ℃低温条件和(54±2)℃的高温条件下，防腐剂性能稳定，稀释性好；在-18 ℃下冷冻，融化后能恢复均相透明状态，且稀释稳定性无明显变化。水载型木材防腐剂与有效成分质量分数相同的有机溶剂型防腐剂抑菌试验结果相当，在不少场合可以用水载型防腐剂替代有机溶剂型木材防腐剂，避免了挥发性有机化合物的大量使用，减少了生产成本，保护了环境。

[1] 李玉栋.防腐木材应用指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.

[2] THOM PSON R. The chemistry of wood preservation[J]. The Royal Society of Chemistry Press, Cambridge,1991,73(1):193-223.

[3] 方桂珍.木材防腐剂使用与环境安全性[J].中国安全科学学报,2004,14(2):66-70.

[4] PETER E, LAKS, JAMES B. Performance of chlorothalonil and chlorothalonil/biocide combinations in antisapstain tests[J]. Forest Products Journal,2002,41(5):23-30.

[5] 朱昆.新型木材防腐剂DCP的开发[D].南京:南京林业大学,2010.

[6] 程康华,朱昆,翟炜.一种水载型有机木材防腐剂的制备及其性能研究[J].林产化学与工业,2011,31(2):75-81.

[7] 席丽霞,蒋明亮.三唑类木材防腐剂研究进展[J].林产工业,2013,40(4):3-8.

[8] 华乃震.农药微乳剂的研究和进展[J].现代农药,2004,3(5):19-23.

[9] 全国农药标准化技术委员会.GB/T 1603—2001：农药乳液稳定性测定方法[S].北京:中国标准出版社,2001.[10] 全国农药标准化技术委员会.GB/T 19137—2003：农药低温稳定性测定方法[S].北京:中国标准出版社,2003.

[11] 全国农药标准化技术委员会.GB/T 19136—2003：农药热贮稳定性测定方法[S].北京:中国标准出版社,2003.

[12] 朱福送,杨秀全,白亮,等.醇醚糖苷在农药微乳液中的应用[J].农药,2011,50(6):417-419，423.

[13] 郭武棣.农药剂型加工丛书：液体制剂[M].北京:化学工业出版社,2003:84-85.

[14] 李靖,刘幸平,程康华,等.三唑醇类化合物的合成及其抑菌性能的研究[J].林产化学与工业,2013,33(3):115-119.

[15] 中华人民共和国卫生部.消毒技术规范[S].北京:中华人民共和国卫生部,2006.

[16] NAYAYANAN S K. Macro-and microemulsion technology and trends[M]//FOY L C, PRITCHARD W D. Pesticide Formulation and Adjuvant Technology. New York: CRC Press Inc,1996：116-165.

[17] LIANG W P, TADROS T F. Novel method to prepare Q/W micro-emulsion within a wide temperature range[J]. Acta Physico-chimica Sinica,2000,16(6):538-542.

[18] 吴梅香.30%苯醚甲环唑.丙环唑微乳剂的配方[J].农药,2011,50(4):271-272.

[19] ZHANG X, LIU J. Effect of arabic gum and xanthan gum on the stability of pesticide in water emulsion[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,2011,59(4):1308-1315.

[20] 冯建国,王佳,马超，等.磷酸酯类表面活性剂在农药剂型加工中的应用[J].日用化学工业,2013,43(1):64-67.

Preparation and Antimicrobial Activities of Water-borne Composite Wood Preservative//

Ni Jie, Zhang Lili, Cheng Kanghua

(Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(10)：91-95，100.

Wood preservative； Drivative of hexaconazole； Tebuconazole； Permethrin； Microemulsion； Antimicrobial effect

倪洁，女，1991年6月生，南京林业大学化学工程学院，硕士研究生。E-mail：760834954@qq.com。

程康华，南京林业大学化学工程学院，教授。E-mail：chengkh54@163.com。

2016年2月24日。

S782.33

1)林业公益性行业科研专项(201104032)、江苏高校优势学科建设工程项目。

责任编辑：戴芳天。