中密度纖維板抗菌處理工藝1)

王保華 張顯權(quán) 付 超 劉一星

(生物質(zhì)材料與技術(shù)教育部重點實驗室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

中密度纖維板抗菌處理工藝1)

王保華 張顯權(quán) 付 超 劉一星

(生物質(zhì)材料與技術(shù)教育部重點實驗室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

探索了中密度纖維板的防霉抗菌處理工藝。研究結(jié)果表明：進行抗菌處理對制成的中密度纖維板的物理力學(xué)性能有一定的不利影響；接菌處理后板材力學(xué)性能隨著培養(yǎng)時間的延長而下降；殼聚糖的引入可以增強板材的抗菌性能；在大腸桿菌抑菌實驗中，用銀離子處理的板材抗菌效果明顯優(yōu)于二氧化鈦處理板材，更優(yōu)于未處理板材。

中密度纖維板；防霉抗菌；銀離子；力學(xué)性能

我國抗菌劑和抗菌材料的研制工作起步較晚，目前其主要的研究領(lǐng)域為抗菌劑、抗菌母料等，其應(yīng)用領(lǐng)域則主要包括抗菌塑料制品、抗菌涂料、一次性衛(wèi)生用品和部分家電制品等?？咕鷦┮话惆o機抗菌劑、有機抗菌劑和天然抗菌劑3種[1]。人造板越來越多地應(yīng)用于食品儲存場所，例如用于食品架等，這就要求其具有良好的抗菌性能。目前人造板抗菌處理多選用水楊酰苯胺和多菌靈、抑菌清、硼酸等作為抗菌劑，其抗菌效果尚可，但對板材的膠合強度影響較大，且存在著二次污染[2]。目前環(huán)保型的防霉抗菌木質(zhì)人造板在國內(nèi)的產(chǎn)品還是空白。

本研究以抗菌劑和中密度纖維板(簡稱中纖板)為原料，通過對制成的中纖板施行幾種不同的抗菌處理，測定不同處理條件所得中纖板的抗菌效果，并分析其物理力學(xué)性能的變化規(guī)律，以確定研究所用的抗菌劑。

1 材料與方法

1.1 材料

市售中密度纖維板，將大塊板材鋸切成不同規(guī)格大小的試件。編號1：210 mm×50 mm×9 mm，用于測定靜曲強度和彈性模量；編號2：50 mm×50 mm×9 mm，用于測定內(nèi)結(jié)合強度、吸水厚度膨脹率、密度和含水率；編號3：20 mm×20 mm×9 mm，用于測定被菌種侵染過后的質(zhì)量損失；編號4：100 mm×100 mm×9 mm，用于觀察大腸桿菌的狀態(tài)及數(shù)量分布。

1.2 方法

1.2.1 前期處理

對每種規(guī)格大小的試件進行前期的相對于對照組的抗菌處理，3種具體處理方法如下：

①用清水除去表面灰塵→烘干→浸泡在1 g/L的AgNO3溶液中(30 min)→烘干→浸泡在1 g/L的NaBH4溶液中(30 min)→烘干；

②用清水除去表面灰塵→烘干→浸泡在5 g/L的殼聚糖中(15 min)→烘干→浸泡在1 g/L的AgNO3溶液中(30 min)→烘干→浸泡在1 g/L的NaBH4溶液中(30 min)→烘干；

③用清水除去表面灰塵→烘干→浸泡在2%的TiO2懸浮液中(10 min)→烘干。

1.2.2 實驗步驟

①首先需要在無菌操作室中先接種好菌種(黑曲霉、大腸桿菌)，培養(yǎng)3～5 d，待菌種生長情況較好的時候，放置以供之后接種所用。

②將防霉處理和未處理的中密度纖維板的試件用紗布包裹幾層，放入壓力蒸氣滅菌鍋中，在0.1 MPa、121 ℃的條件下滅菌30 min，以使試件達到無菌的狀態(tài)，待用。

③用培養(yǎng)好的菌種和無菌水制成所需的菌液，移入已經(jīng)消毒的噴壺當(dāng)中，用噴壺將菌液噴到需要接種菌類的試件表面，放在托盤中擺好；并從無菌操作室中移到恒溫恒濕培養(yǎng)箱中，在溫度為25～30 ℃、相對濕度為80%的條件下培養(yǎng)。

④每隔一個周期(10 d)取樣，每種條件各取5塊試件，然后進行表面觀察和物理力學(xué)性能的檢測，判斷分析防霉抗菌效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 第一周期(前期處理后)板材性能的變化

分別測試未處理板材、防霉處理1板材以及防霉處理2板材的性能，測試結(jié)果見表1。

表1 第一周期板材性能變化

處 理2h吸水厚度膨脹率平均值/%標(biāo)準(zhǔn)差/%變異系數(shù)/%24h吸水厚度膨脹率平均值/%標(biāo)準(zhǔn)差/%變異系數(shù)/%內(nèi)結(jié)合強度平均值/MPa標(biāo)準(zhǔn)差/MPa變異系數(shù)/%未處理2.70.290.1112.70.470.040.820.340.41防霉處理14.00.530.1314.60.330.020.690.310.45防霉處理24.80.390.0813.41.000.070.490.160.32

注：樣本數(shù)量為5個，防霉處理1和防霉處理2的處理方法分別為前期處理中的前兩種處理方法。

板材經(jīng)過防霉抗菌處理后物理力學(xué)性能下降較多，與處理方法中的浸泡藥液的處理方式有很大關(guān)系。板材經(jīng)過溶液浸泡后，含水率變大，厚度膨脹，從而導(dǎo)致試件密度下降，其物理力學(xué)性能也會受到很大的影響。而防霉處理2板材的物理力學(xué)性能又比處理1板材的性能略差，與其浸泡殼聚糖溶液這一步有絕對關(guān)系。作為天然抗菌劑的殼聚糖在自然界中含量豐富，殺菌速度快，抑菌效果好，而且具有良好的物理、化學(xué)性能和生物相容性，但耐熱性能差，大大限制了其應(yīng)用范圍[3-4]。殼聚糖還表現(xiàn)出止血活性、抗微生物活性以及與金屬離子的強親和性[5-6]。而且殼聚糖溶液較黏，附著在試件表面不易擦凈，烘干中還容易因為表面殘留殼聚糖溶液而使試件發(fā)生局部的少許變形，這樣便會進一步影響板材的物理力學(xué)性能。

2.2 第二周期(接菌培養(yǎng)10 d后)板材性能的變化

基本操作和測試與第一周期相同，使用黑曲霉菌和無菌水配成的菌液，將其噴到各種處理的板材表面，用壓力蒸氣滅菌鍋對板材進行滅菌處理，致使板材發(fā)生較大變形，局部發(fā)生膨脹，結(jié)果見表2。板材性能下降較快，與蒸氣滅菌處理有很大關(guān)系，中密度纖維板使用的脲醛樹脂膠抗水性差，遇水結(jié)合強度很快降低，嚴(yán)重影響了板材性能及形狀。未處理噴菌板材的性能下降，可能是與噴菌液的操作有關(guān)系，說明黑曲霉菌對板材有侵蝕，導(dǎo)致板材力學(xué)強度下降。有些防霉處理2板材的物理力學(xué)性能與處理1板材略強，說明了加了殼聚糖后防霉效果可能會好些，但還需進一步實驗才能證明。殼聚糖中糖元的2位為—NHCOCH3或游離的—NH2，3位為仲—OH和6位為伯—OH，這種特殊的結(jié)構(gòu)使得殼聚糖對一些金屬離子在一定的pH值下具有螯合作用[7]。殼聚糖中的—NH與—OH都與金屬離子Ag(I)發(fā)生配合反應(yīng)[8]，也說明了處理2的處理方法雖開始對板材性能有所影響，但防霉效果要比處理1好些。

2.3 第三周期(接菌培養(yǎng)20 d后)板材性能的變化

性能測試結(jié)果見表3?；静僮骱蜏y試方法與第二周期相同，實驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象亦與上第二期的現(xiàn)象基本相同，不同的是板材性能下降較快。板材力學(xué)性能下降較大，相對于第二周期板材的性能下降也較大。第二周期中分析到高壓蒸氣滅菌對板材的嚴(yán)重影響，會使板材性能下降、發(fā)生變形等。用紫外光照射，板材會與銀離子反應(yīng)，置換出銀單質(zhì)，使板材不具有防霉抗菌效果?？捎忙蒙渚€照射進行滅菌，γ射線對細胞有殺傷力，醫(yī)療上用于治療腫瘤[9]。前期處理中的防霉處理，尤其是處理2的對板材的力學(xué)性能也有很大影響。未處理噴菌板材性能下降，因為沒有經(jīng)過防霉抗菌處理，不具有防霉抗菌效果；但板材力學(xué)性能下降并非很大，可能是因為木塊吸水使菌類缺乏水分，導(dǎo)致其生長緩慢，菌類沒有大量繁殖，這一點從板材表面沒有出現(xiàn)大量霉菌就可以看出。

表2 第二周期板材性能變化

處 理2h吸水厚度膨脹率平均值/%標(biāo)準(zhǔn)差/%變異系數(shù)/%24h吸水厚度膨脹率平均值/%標(biāo)準(zhǔn)差/%變異系數(shù)/%內(nèi)結(jié)合強度平均值/MPa標(biāo)準(zhǔn)差/MPa變異系數(shù)/%未處理、未噴菌2.60.240.0912.70.990.080.590.190.32未處理、噴菌3.10.130.0412.70.610.050.520.200.39防霉處理1、噴菌3.60.840.2313.41.210.090.430.050.11防霉處理2、噴菌3.60.540.1513.80.600.040.440.170.38

注：樣本數(shù)量為5個，防霉處理1和防霉處理2的處理方法分別為前期處理中的前兩種處理方法。

表3 第三周期板材性能變化

處 理2h吸水厚度膨脹率平均值/%標(biāo)準(zhǔn)差/%變異系數(shù)/%24h吸水厚度膨脹率平均值/%標(biāo)準(zhǔn)差/%變異系數(shù)/%內(nèi)結(jié)合強度平均值/MPa標(biāo)準(zhǔn)差/MPa變異系數(shù)/%未處理、未噴菌2.00.180.0911.60.260.020.510.090.17未處理、噴菌2.40.100.0411.20.530.050.450.040.09防霉處理1、噴菌2.60.140.0510.70.620.060.420.100.24防霉處理2、噴菌2.70.550.2012.80.320.020.410.110.27

注：樣本數(shù)量為5個，防霉處理1和防霉處理2的處理方法分別為前期處理中的前兩種處理方法。

2.4 黑曲霉菌侵蝕板材的質(zhì)量損失

將編號為3的試件烘至絕干并稱質(zhì)量，接種黑曲霉菌后放入恒溫恒濕培養(yǎng)箱中，在溫度為30 ℃、濕度為80%的條件下培養(yǎng)，每過一個周期拿出相應(yīng)試件并稱取絕干質(zhì)量，用于計算質(zhì)量損失率，結(jié)果見表4。

表4 板材質(zhì)量損失率

①素板由于沒有進行防霉抗菌處理，導(dǎo)致其質(zhì)量損失率較大，說明素板被霉菌侵蝕較為嚴(yán)重，同時為防霉處理的板材提供了對照。

②防霉處理1板材的質(zhì)量損失率略微大于處理2板材，說明了處理2的防霉抗菌效果比處理1的效果要好一些。

③實驗中部分試件出現(xiàn)了膨脹松散(與高壓蒸氣滅菌的步驟有關(guān)系)，導(dǎo)致質(zhì)量損失率測試結(jié)果略有不準(zhǔn)，影響了實驗結(jié)果。建議采用γ射線進行滅菌。

④防霉處理2板材質(zhì)量損失率比防霉處理1略小，說明殼聚糖有一定的防霉抗菌作用，再加上銀這種材料也有良好的抗菌性能，將它們配合在一起會有更好的防霉抗菌性能。

2.5 板材對大腸桿菌的抑菌分析

將未處理板材(作為對照)、防霉處理1板材、防霉處理2板材和防霉處理3板材分別進行滅菌，然后在無菌操作室中將大腸桿菌接種到各個試件的表面，培養(yǎng)1～3 d后，通過整體宏觀、體式顯微鏡和電子顯微鏡觀察，分析試件表面大腸桿菌生長狀況并記錄，結(jié)果見圖1?？梢钥闯?，雖然沒有得到大量純凈的大腸桿菌，但實驗結(jié)果依舊很好地反映了每種處理板材的防霉抗菌效果。用銀處理的板材表現(xiàn)出很好的防霉抗菌效果，基本沒有菌類在其表面生長；用二氧化鈦處理的板材生長出了些許的菌落菌絲，受環(huán)境影響較大，防霉抗菌效果一般；而未處理板材表面長出了大量的菌落菌絲，基本不具備防霉抗菌效果，可作為對照組以供比較分析。

圖1 試件表面大腸桿菌生長狀況

3 結(jié)論

板材經(jīng)過防霉抗菌液浸泡處理后，其物理力學(xué)性能會有較大程度的下降，含水率變大，密度下降，吸水厚度膨脹率會變大，說明表面浸泡的防霉抗菌處理方法對板材整個性能影響較大?？稍诒ＷC板材性能不受較大影響的前提下，將浸泡時間適當(dāng)縮短，選擇出合理的處理時間。

接菌后隨著培養(yǎng)周期的變長，板材各種性能逐漸下降；其中素板性能下降較快，防霉抗菌處理板材性能下降較為緩慢，說明銀離子防霉抗菌處理方法有效地減緩了菌類對板材的侵蝕，具有良好的防霉抗菌效果。

對質(zhì)量損失率、性能參數(shù)等方面的分析得出：同樣是用銀離子，加了殼聚糖的板材防霉抗菌效果略微優(yōu)于沒加殼聚糖的板材，說明殼聚糖起到了些許作用，具有一定的防霉抗菌效果。

從宏觀、細觀和微觀3種尺度觀察每種板材被大腸桿菌侵蝕的狀況可看出，加了殼聚糖銀離子處理的板材防霉抗菌效果最好，其次是沒加殼聚糖的銀離子處理板材；二氧化鈦處理板材有一定的防霉抗菌效果，但其受環(huán)境的影響較大，相比銀離子處理板材的防霉抗菌效果有一定的差距。

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Antibacterial Technology on Medium Density Fiberboard/

Wang Baohua, Zhang Xianquan, Fu Chao, Liu Yixing

(Key Laboratory of Bio-based Material Science and Technology of Ministry of Education, Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(8).-95～98

We explored the antibacterial technology on medium density fiberboard (MDF) preliminarily. The antibacterial treatment has the adverse effects on the physical and mechanical properties of board. The mechanical properties decreased with the extension of culture time after the MDF specimens were input with the bacterium. The input of the chitosan can enhance the antibacterial property. In the escherichia coli antimicrobial experiment, the board with silver ion treatment is better than that with titanium dioxide antibacterial treatment, and far better than untreated board.

Medium density fiberboard (MDF); Antibacterial; Silver ion; Mechanical properties

王保華，男，1991年1月生，生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室(東北林業(yè)大學(xué))，碩士研究生。

張顯權(quán)，生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室(東北林業(yè)大學(xué))，教授。E-mail:zhangxianquan2013@aliyun.com。

2013年11月15日。

TS653.6； S781.72

1) “十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃課題(2012BAD24B0203)。

責(zé)任編輯：戴芳天。