纳米木聚糖对木材防腐效果及物理力学性能的影响

王学春，程泽琦，张世晓，高明华，李明泽

(1.桦甸市常山林场，吉林 吉林 132419；2.北华大学，吉林 吉林 132013；3.吉林森工金桥地板有限公司，吉林 长春 130114)

随着人民生活水平提高，各个方面都更加注重环保、绿色、可持续循环，木材作为一种天然可再生的有机材料受到人们的欢迎，这给木材的供给带来了巨大的困难[1,2]。由于木材本身结构多孔，纤维松散易受潮而变形，易受菌的侵蚀，不易保存[3]。所以，对木材进行一定处理，延长其使用寿命，以便缓解木材供给的紧张程度。国内外在木材防腐方面的研究已取得重大成就，其中，生物防腐剂木聚糖，其来源广泛，主要存在于植物细胞的半纤维素中，具有一定的防腐性能，将其进行处理，粒径控制在1～100 nm，制得纳米木聚糖[4]。采用纳米木聚糖溶液对木材进行浸渍处理，其成本较低，工艺相对简单，环保性、抗流失性、防腐性好[5-7]。本试验使用不同质量分数的纳米木聚糖溶液对木材进行浸渍处理，并对处理后木材的防腐性能和力学性能进行检测，探究不同质量分数的木聚糖溶液对木材防腐性能和物理力学性能的影响。

1试验材料与研究方法

1.1试验仪器设备

主要仪器设备见表1。

表1 主要仪器设备

1.2试验原料

主要试验原料见表2。

表2 主要试验原料

1.3防腐试验方法

1.3.1纳米木聚糖溶液的制备

称量1 g冻干的木聚糖，加入50 mL质量分数为2 % NaOH 溶液，在50 ℃或40 ℃条件下溶解，再加入稀盐酸调节pH至5.5左右，然后加入150 mL乙醇进行沉降，抽滤，利用高速离心机进行固液分离，冻干固体备用，液体即为制备的纳米木聚糖溶液，将样品分别用适量的去离子水稀释成质量分数为1 %、3 %、5 %的纳米木聚糖溶液[8,9]。

1.3.2 防腐试样的制备

将杨木板材锯割成20 mm×20 mm×20 mm的试件放入烘箱中，105 ℃烘至绝干，分别称量并记录试件质量。常温常压下，将绝干试件分别放入质量分数为1 %、2 %、5 %、8 %、10 %的纳米木聚糖液中，浸泡24 h取出，并在105 ℃烘至绝干，分别称量并记录质量，每组6块，另外6块不做处理，作为对照。

1.3.3菌种接种培养

在超净台内打开锥形瓶，先用酒精灯灼烧锥形瓶瓶口部位、彩绒革盖菌试管部位以及接种环。然后用接种环在彩绒革盖菌中取出一小块，放入河沙木屑培养基中，塞上脱脂棉包上牛皮纸，放入细菌培养箱中培养15 d；重复上述操作进行密粘褶菌的接种。15 d后，彩绒革盖菌和密粘褶菌长满锥形瓶，用紫外光灯对超净工作台灭菌10 min，打开通风，用75 %酒精将锥形瓶擦洗消毒后，将防腐测试木块放入，每瓶中放入6块，在细菌培养箱中培养4周。

1.3.4木材防腐试验

按照LY/T 1283—2011《木材防腐剂对腐朽菌毒性实验室试验方法》进行，将不同质量分数的防腐剂分别通过真空浸渍处理工艺注入尺寸为20 mm × 20 mm ×10 mm 的毛白杨试样内，一部分放入BSC250型恒温恒湿箱，调节温度、湿度，培养周期为12周。

1.3.5失重率计算

待试件被两种菌侵蚀3个月后，取出并剥去表面菌丝，105 ℃烘至绝干，称重记录，计算质量损失率，判断防腐性能。试件失重率计算公式如下：

式中：WLR为试样质量损失率/%；w1为试样腐朽前的绝干质量/g；w2为试样腐朽后的绝干质量/g。

1.4木材横纹抗压弹性模量试验方法

将杨木板材锯割成尺寸为60 mm(h)×20 mm(b)×20 mm(t)的试样，分别按照弦向及径向制作。弦向试样的高度为木材弦向，径向试样的高度为木材径向，试样的上下两端面要平滑，互相平行并与高度方向保持垂直。常温常压下，将试样分别放入质量分数为1 %、3 %、5 %的纳米木聚糖溶液中，浸泡24 h取出，105 ℃烘至绝干，每组3块，另外3块不做处理，作为对照[10,11]，同时采用GB/T 1943—2009《木材横纹抗压弹性模量测定方法》进行木材横纹抗压弹性模量的测定。

1.5木材抗弯强度试验方法

将杨木板材锯割成尺寸为300 mm(h)×20 mm(b)×20 mm(t)的试样，长度为顺纹方向，将试样分别放入质量分数为1 %、3 %、5 %的纳米木聚糖溶液中，浸泡24 h取出，105 ℃烘至绝干，每组3块，另外3块不做处理，作为对照，同时采用GB/T 1936—2009《木材抗弯强度试验方法》进行木材抗弯强度的测定。

1.6木材顺纹抗剪强度试验方法

将杨木板材锯割成尺寸为300 mm(h)×20 mm(b)×20 mm(t)的试样，试样受剪面应为径向或弦面，长度为顺纹方向，将试样分别放入质量分数为1 %、3 %、5 %的纳米木聚糖溶液中，浸泡24 h取出，105 ℃烘至绝干，每组3块，另外3块不做处理，作为对照，同时采用GB/T 1937—2009《木材顺纹抗剪强度试验方法》进行木材顺纹抗剪强度的测定。

2结果与分析

2.1不同质量分数的木聚糖、纳米木聚糖溶液对木材失重率的影响

图1 木聚糖、纳米木聚糖处理后对白腐菌侵蚀试样失重率的影响

图1为5种不同质量分数的木聚糖、纳米木聚糖溶液处理后试样进行白腐试验的失重率结果，从图中可以看出，木聚糖、纳米木聚糖溶液处理后试样的失重率都呈现下降趋势，但纳米木聚糖溶液处理试样失重率要低于木聚糖溶液处理试样的失重率，防腐效果更好。这是因为纳米木聚糖颗粒尺寸更小，更容易进入到木材细胞内部，所以载药量也更大，防腐效果要优于木聚糖处理试样。另外，更小尺寸的纳米木聚糖也更容易吸附于木腐菌表面，增强对木腐菌的杀伤作用。

图2 木聚糖、纳米木聚糖处理后对褐腐菌侵蚀试样失重率的影响

图2为5种不同质量分数的木聚糖、纳米木聚糖溶液处理后试样进行褐腐试验的失重率结果，从图中可以看出，木聚糖、纳米木聚糖溶液处理后试样的失重率都呈现下降趋势，但对密粘褶菌的抗腐朽性能远没有对彩绒革盖菌的抗腐朽性能好，最低失重率为质量分数为10 %的纳米木聚糖溶液处理的试样，失重率为19.91 %，耐腐级别Ⅱ。这说明密粘褶菌对木聚糖及纳米木聚糖并不敏感。

表3 耐腐等级

5种质量分数的木聚糖、纳米木聚糖防腐剂对两种木腐菌的耐腐等级如表3所示。可以看出，相较密粘褶菌而言，彩绒革盖菌对木聚糖的敏感性更高，当纳米木聚糖的质量分数为10 %时，对彩绒革盖菌的耐腐等级为Ⅰ，但对于密粘褶菌的耐腐等级为Ⅱ。

2.2木材横纹抗压弹性模量的测定

试件(本试验试件含水率均为12 %)的横纹抗压弹性模量计算公式如下：

式中：EW为试样含水率为W时的横纹抗压弹性模量/MPa；ΔP为木材横纹压缩比例极限以内上限与下限荷载之间两点荷载之差/N；l为标定变形的基距/mm；b为试样宽度/mm；t为试样厚度/mm；Δl为ΔP相对应的压缩变形值/mm。

上、下限载荷间试样的平均压缩变形值见表4，木材横纹抗压弹性模量测定结果见表5。

表4 上、下限载荷间试样的平均压缩变形值

表5 木材横纹抗压弹性模量

从表5中可以看出，未经纳米木聚糖溶液处理木材试样的横纹抗压弹性模量为7.46 GPa；经质量分数为1 %、5 %、10 %的纳米木聚糖溶液处理后，木材试样的横纹抗压弹性模量分别为7.41 GPa、7.35 GPa、7.29 GPa，弹性模量损失率分别为0.6 %、1.4 %、2.2 %。

2.3木材抗弯强度测定

试样的抗弯强度按下列公式计算，准确至0.01 MPa。

式中：σbw为试样含水率为W时的抗弯强度/MPa；Pmax为破坏载荷/N；l为两支座间跨距/mm；h为试样高度/mm；b为试样宽度/mm。

木材破坏载荷见表6，木材抗弯强度及其损失率测定结果见表7。

表6 木材破坏载荷

表6(续)

表7 木材抗弯强度及其损失率

从表7中可以看出，未经纳米木聚糖溶液处理的木材试样抗弯强度为78.76 MPa，经质量分数为1 %、5 %、10 %的纳米木聚糖溶液浸渍后，木材试样的抗弯强度分别为77.96 MPa、76.30 MPa、76.09 MPa，随着纳米木聚糖溶液质量分数的不断增加，木材的抗弯强度损失率分别为1.05 %、3.1 %、3.3 %，说明不同质量分数的纳米木聚糖溶液对木材自身抗弯能力并无大的影响。

2.4 木材顺纹抗剪强度的测定

按照GB/T 1937—2009规定进行，只做弦向试验。在长度中央，匀速加荷，在1～2 min内使试件破坏，读数(准确至10 N)。试件的顺纹抗剪强度计算公式如下：

式中：τw为试样含水率为W时的顺纹抗剪强度/MPa；Pmax为破坏载荷/N；b为试样受剪面宽度/mm；l为试样受剪面长度/mm。

木材破坏载荷见表8，木材顺纹抗剪强度及其损失率测定结果见表9。

表8 木材破坏载荷

表8(续)

表9 木材顺纹抗剪强度及其损失率

从表9中可以看出，未经纳米木聚糖溶液处理的木材试样的顺纹抗剪强度为68.97 MPa，经质量分数为1 %、5 %、10 %的纳米木聚糖溶液处理，木材试样的顺纹抗剪强度分别为68.30 MPa、67.36 MPa、67.21 MPa，顺纹抗剪强度损失率分别为0.9 %、2.3 %、2.5 %。

3结论

本试验制备的纳米级木聚糖，粒径分别为45.99 nm、77.35 nm，符合纳米材料范围。

从失重率结果来看，纳米木聚糖溶液处理试样的失重率几乎都低于木聚糖溶液处理试样的失重率。当纳米木聚糖溶液质量分数为10 %时，防腐效果最好，彩绒革盖菌对纳米木聚糖、木聚糖比较敏感。

本试验测试了木材经过纳米木聚糖溶液处理后其力学性能的变化，木材横纹抗压弹性模量、木材抗弯强度、木材顺纹抗剪强度的变化范围均很小，说明纳米木聚糖溶液对木材的结构力学性能及木材的维护特性影响不大。