基于EVA的功能型木材防裂剂的研制

韩成宇 庞久寅 孙耀星 王增华 王举伟

摘 要：以载银纳米TiO和水杨酰苯胺与乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）乳液复配，合成具有抑霉防变色功能的木材防裂剂，研究功能防裂剂对变色菌和霉菌的防治效力、室外实验效果及防裂剂成膜的拉伸强度。结果表明，当膜厚度0.14～0.18 mm、载银纳米TiO或水杨酰苯胺质量分数1.0%以上或0.18～0.22 mm、0.5%以上时，防裂剂对黑曲霉菌的防治效力达到100%，当膜厚度0.18 mm以上、质量分数1.0%以上时，对可可球二孢的防治效力达到100%；防裂剂对黑曲霉的防治能力高于可可球二孢，载银纳米TiO的防治效力略强于水杨酰苯胺。与对照样相比，添加水杨酰苯胺质量分数0.3%、0.5%和1.0%的成膜拉伸强度依次下降了8.60%、11.40%和13.22%，添加質量分数0.3%、0.5%和1.0%的载银纳米TiO拉伸强度依次增加了-6.78%、-3.64%和8.76%。室外试验表明，质量分数1.0%以上、成膜厚度0.18 mm以上时，水杨酰苯胺的防治效力为75%以上，载银纳米TiO的防治效力达100%。研究结果表明，功能型木材防裂剂在防止木材端面开裂的同时，兼具了抑霉和防变色功能。

关键词：木材端裂; 木材防裂剂；木材防霉；木材变色；EVA

中图分类号：S782.3 文献标识码：A 文章编号：1006-8023（2023）06-0095-06

Study and Manufacture of Anti-cracking Agent for Functional Wood Based on EVA

HAN Chengyu ， PANG Jiuyin ， SUN Yaoxing， WANG Zenghua， WANG Juwei

（1.College of Material Science and Engineering， Beihua University， Jilin 132013， China; 2.Changchun Delin Wood Industry Co. LTD， Changchun 130102， China）

Abstract：A anti-cracking agent for wood with anti-mildew and anti-tarnishing function was synthesized by compounding silver-loaded nano-TiO2 and salicylanilide with ethylene-vinyl acetate （ EVA ） emulsion， the control effect of functional anti-cracking agent on discoloration bacteria and mold， outdoor experimental effect and tensile strength of anti-cracking agent film were studied. The results showed： when the film thickness was 0.14-0.18 mm and the mass fraction of silver-loaded nano-TiO or salicylanilide was more than 1.0% or 0.18 - 0.22 mm and 0.5%， the prevention and control effect of anti-cracking agent on Aspergillus niger reached 100%; when the film thickness was more than 0.18 mm and the mass fraction was more than 1.0%， the control effect on Cocoa globosa reached 100%.The ability of anti-cracking agent to control Aspergillus niger was higher than that of Cocoa globose and nano-TiO was slightly stronger than salicylanilide. Compared with the control sample， the tensile strength of the film with 0.3%， 0.5% and 1.0% salicylanilide decreased by 8.60%， 11.40% and 13.22%， and  the silver-loaded nano-TiO increased by-6.78%， -3.64% and 8.76%.The outdoor test showed： the control effect of salicylanilide was 75% and silver-loaded nano-TiO was 100% when the mass fraction was more than 1.0% and the film thickness was more than 0.18 mm. The results of this study showed that the functional wood anti-cracking agent not only prevented the cracking of the wood end face， but also had the functions of mildew inhibition and anti-discoloration.

Keywords：End-crack of wood; anti-cracking agent for wood; wood mildew control; wood stain; ethylene-vinyl acetate

收稿日期：2023-01-18

基金项目：吉林省科技发展计划项目（20220202090NC）；吉林省产业技术研究与开发项目（2020C027-2）。

第一作者简介：韩成宇，硕士研究生。研究方向为木材科学与技术。E-mail： 1291172701@qq.com

*通信作者：孙耀星，博士，教授。研究方向为木材构造与性质。E-mail： sunyaoxing@sina.com

引文格式：韓成宇，庞久寅，孙耀星，等.基于EVA的功能型木材防裂剂的研制[J].森林工程，2023，39（6）：95-100.

HAN C Y， PANG J Y， SUN Y X， et al. Study and manufacture of anti-cracking agent for functional wood based on EVA[J]. Forest Engineering， 2023， 39（6）：95-100.

0 引言

木材作为一种可再生的天然生物材料，自古以来就与人类生活密切相关，对人类社会的快速发展起着至关重要的作用。木材是四大建筑材料中唯一绿色、低碳、可持续的生物材料，具有高强重比、良好的弹性、耐冲击、天然美观的花纹色泽和加工容易等许多独特的优点。同时，木材也具有最容易产生且难以控制的缺陷——开裂；开裂不仅会使木材降等，降低出材率和利用率，还会严重影响加工质量。木材中含有丰富的纤维素、半纤维素和木质素等大分子和其他内含物，为许多微生物的生存和繁殖提供了充足的营养，在适宜的条件下，就会受到木腐菌和霉菌的感染，使木材发生腐朽和变色，腐朽降低木材的力学强度，变色劣化木制品的外观视觉效果。木材开裂往往与腐朽和变色叠加，造成更大的经济损失。

在木材端面涂抹防裂剂是防止木材开裂的有效方法。石蜡和沥青漆是工业生产常用的防裂剂，二者仅具有防裂功能，不具防腐抑霉效力。科学工作者研究和开发了多种防裂剂，如湿固型聚氨酯预聚体防裂剂、水溶性的ANCHO RSEA L防裂剂、UW防裂剂、硼酚合剂、C-003防裂涂料、P-1799防裂涂料、MF-1型木材抗裂剂、松香涂料和桐油石灰等，这些防裂剂因防裂时间短、污染木材、耐候性差、性价比低和对使用环境温度有选择等问题，尤其是都不兼具防霉防变色性能，而未能在生产中使用。

本研究针对当前木材防裂剂存在的不足，以水杨酰苯胺和载银纳米TiO作为添加剂，与EVA乳液进行复配，尝试一次性解决木材开裂和变色问题。

1 材料与方法

1.1 材料

大青杨（Populus ussuriensis Kon.）试样，采集地为吉林省蛟河林业实验区管理局三河林场，用于实验室抑霉防变色试验。取一块纹理通直、无腐朽变色、材质均匀的大青杨木板，边材部分加工试样252块，试样尺寸：50 mm（长）×20 mm（宽）×5 mm（厚），长度方向为木材纵向。

柞木（Quercus mongolica Fisch.et Turcz.）试样，采集地同上，用于室外防裂防变色验证试验。取一块纹理通直、无腐朽变色、材质均匀的柞木板材，加工试样6块（每块试样2个端面，共有12个端面），试样尺寸：200 mm（长）×100 mm（宽）×30 mm（厚），长度方向为木材纵向。

乙烯-醋酸乙烯酯乳液（EVA），大连化工（江苏）有限公司，固含量55%，黏度3 800 mPa· s，粒径分布0～7 μm；水杨酰苯胺（分析纯），天津市大茂化学试剂厂；载银纳米TiO，VK-T07（银含量3%），安徽宣城晶瑞新材料有限公司。

黑曲霉（Aspergillus niger）、可可球二孢（Botryodiplodia theobromae Pat.），用于木材防霉防变色试验，来自中国林业微生物菌种保藏管理中心。

1.2 仪器设备

电子万能力学试验机（MWW-10），济南天辰试验机制造有限公司；高压蒸汽灭菌锅（XFH-30L），浙江新丰医疗器械有限公司；超净工作台（BBS-V800），山东博科生物产业有限公司；恒温恒湿箱（Climacell-404），德国MMM公司。

1.3 EVA功能型防裂剂的配制

将水杨酰苯胺和载银纳米TiO分别按0.3%、0.5%和1.0%的质量分数与固含量55%的EVA常温下共混，复配为乳液，形成6种木材功能型防裂剂，见表1。

1.4 实验室防霉试验方法

1.4.1 大青杨防霉试样的制备

将6种防裂剂均匀地涂覆在大青杨试样的6个面上，防裂剂成膜厚度设定为3种：0.10～0.14、0.14～0.18、0.18～0.22 mm。同一种防裂剂和同一种成膜厚度制作试样12块，其中6块接种黑曲霉菌、另6块接种可可球二孢，共制作试样216块；取对照样36块，每一种厚度12块（6块接种黑曲霉菌、另6块接种可可球二孢）。

1.4.2 防霉试样的接菌与感染

防霉试样和对照样按照1.4.1中的要求接菌后，放入温度27 ℃±2 ℃、相对湿度85%的恒温恒湿箱内感染真菌，4周后检测其防霉性能。

1.4.3 防霉防变色能力评价

根据GB/T 18261—2013《防霉剂对木材霉菌及变色菌防治效力的试验方法》，试样感染木腐菌后，依据感染面积和特征，以感染值作为感染程度的指标，分为5级，见表2。

由表2中的感染值，可计算出防治效力，用于评价功能型防裂剂的防霉防变色能力；防治效力值越大，能力越强。见公式（1）。

式中：E 为防治效力，%；D为涂覆防裂剂试样的感染值；D为对照样的感染值。

1.5 成膜拉伸强度测试方法

参照GB/T 1040.3—2006《塑料 拉伸性能的测定》，将6种功能型防裂剂和EVA乳液制备成3种厚度薄膜（见1.4.1），在相对湿度75%条件下平衡72 h后，测试拉伸强度。拉伸强度按公式（2）计算。

式中：σ 为防裂剂成膜拉伸强度，MPa；P 为最大负荷，N；b 为成膜宽度，mm；d 为成膜厚度，mm。

1.6 室外防裂防变色验证性试验方法

将3种功能防裂剂（水杨酰苯胺质量分数1%、载银纳米TiO1%、无添加）涂覆在柞木试样的端面（每种防裂剂涂3个端面），成膜厚度为0.18～0.22 mm；另准备3个空白端面作为对照样。所有试样端面以外的其他表面用质量分数0.5%的ACQ涂刷2遍。待乳液在木材端面成膜后，将试样置于室外空旷处（自然通风、无遮蔽、不与土壤接触）一年，跟踪观察端面材色和菌丝变化情况。

2 结果与分析

2.1 实验室防霉试验

2.1.1 功能型防裂剂对黑曲霉的防治效力

涂覆了含载银纳米TiO和水杨酰苯胺的EVA乳液的大青杨试样，经黑曲霉菌感染后，测得的感染值和防治效力分别见表3和表4。

由表3可见，不添加载银纳米TiO情况下，随着成膜厚度的增加，防裂剂对黑曲霉菌的防治效力有增加趋势，感染值依次为4.0、3.3、2.7，防霉效果不显著。膜厚度不变情况下，随着载银纳米TiO添加量的增加，感染值下降明显，防治效力有较大提升。

当膜厚度0.14～0.18 mm、载银纳米TiO质量分数1.0%以上或0.18～0.22 mm、0.5%以上时，防治效力可达到100%。

由表4可见，不添加水杨酰苯胺情况下，随着成膜厚度的增加，防裂剂对黑曲霉菌的防治效力依次增加了5%和17%。膜厚度不变情况下，随着水杨酰苯胺添加量的增加，感染值下降显著，防治效力依次增加20%以上。

当膜厚度0.14～0.18 mm、水杨酰苯胺质量分数1.0%以上或0.18～0.22 mm、0.5%以上时，防裂剂的防治效力可达到100%。

2.1.2 功能型防裂劑对可可球二孢的防治效力

涂覆了含载银纳米TiO和水杨酰苯胺的EVA乳液的大青杨试样，经可可球二孢菌感染后，测得的感染值和防治效力分别见表5和表6。

由表5可见，不添加载银纳米TiO情况下，随着成膜厚度的增加，防裂剂的防治效力有增加趋势，感染值依次为4.1、3.4、2.7，防治效力由13%增加到20%和25%。在膜厚度不变情况下，随着载银纳米TiO添加量的增加，感染值逐步降低，防治效力的提升均在20%以上。

当膜厚度为0.14 mm以上、载银纳米TiO添加量为1.0%以上时，防治效力可达到100%。

由表6可见，膜厚度不变情况下，随着水杨酰苯胺添加量的增加，感染等级在逐步降低，防治效力有较大提升。

当膜厚度0.18 mm、水杨酰苯胺质量分数1.0%以上时，防治效力可达到100%。

2.2 添加剂种类及添加量对成膜拉伸强度的影响

EVA防裂剂的防裂机理：一方面成膜隔绝了木材中的水分散失，另一方面乳液渗入木材端面的细胞腔内形成胶钉状结构，与木材组织紧密结合在一起，使成膜具有一定的抗拉强度，从而阻止木材可能发生的开裂趋势。试验结果如图1所示。

由图1（a）可见，随着水杨酰苯胺添加量的增加，乳液成膜后的拉伸强度逐渐降低；当水杨酰苯胺添加量为0%、0.3%、0.5%和1.0%时，拉伸强度分别为6.05、5.53、5.36、5.25 MPa，与添加量0%相比，添加量由低到高，拉伸强度依次下降了8.60%、11.40%和13.22%。分析认为，由于水杨酰苯胺是结晶粉状物且微溶于水，在成膜过程中，随着溶剂乙醇蒸发，水杨酰苯胺晶体逐渐析出，分散性不佳，破坏了成膜的致密结构，降低了拉伸强度。

由图1（b）可见，随着载银纳米TiO添加量的增加，乳液成膜后的拉伸强度呈现出先降低后增高的趋势。当添加量为0%、0.3%、0.5%和1.0%时，对应的拉伸强度分别为6.05、5.64、5.83、6.58 MPa，与添加量0%相比，添加量由少到多，依次增加了-6.78%、-3.64%和8.76%。分析认为，当载银纳米TiO添加量较少时，乳液成膜流动不均匀，导致成膜后各组分间的相互作用太弱，拉伸强度变差；随着添加量的增加，其在乳液中的分散更加均匀，成膜后各组分之间相互作用增强，使拉伸强度增加。总体来看，水杨酰苯胺和载银纳米TiO的添加量为0.3%～1.0%时，拉伸强度都在5 MPa以上，对乳液成膜后的拉伸强度影响不显著。

2.3 室外防霉防裂试验

依据2.1实验室防霉防变色研究结论，以柞木为试样进行了功能型防裂剂室外防裂防霉验证性试验。放置室外开放环境一年后，不同试样端面的变化情况如图2所示。

图2（a）清晰可见，试样端面出现开裂，呈黑色并伴有白色菌丝，木材腐朽严重，感染值4以上，防治效力为0%；图2（b）可见，试样端面没有明显开裂迹象，整个端面呈黑色，感染值4以上，防治效力0%，说明EVA乳液具有防裂效果但不具备防霉防变色作用效果；图2（c）可见，试样端面没有明显开裂，端面大部分保持木材本色，边缘部分呈黑色，感染值1以下，防治效力大于75%；图2（d）可见，试样端面既没有开裂，也没有明显变色，感染值0，防治效力100%，说明1%载银纳米TiO添加量和0.18～0.22 mm成膜厚度，能使EVA乳液在具有防裂功能的同时，兼具有良好的抑霉防变色效果。

3 结论

1）以添加剂载银纳米TiO和水杨酰苯胺与EVA乳液复配，合成具有防霉防变色功能的木材防裂剂。随着添加量的增加，EVA防裂剂对黑曲霉和可可球二孢的防治效力增大；当成膜厚度0.14～0.18 mm、添加剂质量分数1.0%以上或0.18～0.22 mm、0.5%以上时，EVA防裂剂对黑曲霉菌的防治效力可达到100%；当膜厚度0.14 mm以上、载银纳米TiO添加量1.0%以上时，对可可球二孢的防治效力达到100%，添加水杨酰苯胺要达到相同的效果，成膜厚度需大于0.18 mm。同等条件下，2种添加剂对黑曲霉的防治能力高于可可球二孢，载银纳米TiO的防治能力略强于水杨酰苯胺。

2）随着水杨酰苯胺添加量的增加，乳液成膜后的拉伸强度逐渐降低；与添加量0%相比， 0.3%、0.5%和1.0%添加量的拉伸强度依次下降了8.60%、11.40%和13.22%。随着载银纳米TiO添加量的增加，乳液成膜后的拉伸强度呈现出先降低后增高的趋势；与添加量0%相比，添加量由少到多，依次增加了-6.78%、-3.64%和8.76%。

3）室外试验证明，EVA乳液具有防裂功能，不具備抑霉防变色作用；当质量分数1%以上、成膜厚度0.18 mm以上时，添加水杨酰苯胺的防治效力为75%以上，载银纳米TiO的防治效力可达100%。

【参 考 文 献】

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