水載型復(fù)合木材防腐劑的制備及其抑菌性能1)

倪潔 張麗麗 程康華

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037)

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水載型復(fù)合木材防腐劑的制備及其抑菌性能1)

倪潔 張麗麗 程康華

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037)

選擇己唑醇衍生物(Hex-1)、戊唑醇、氯菊酯為主要有效成分，制備水載型復(fù)合木材防腐劑。用4.76% Hex-1、4.76%戊唑醇、0.48%氯菊酯、30%有機(jī)溶劑和20%乳化劑的配方，在乳化時間30 min、乳化溫度25 ℃、攪拌速度600 r/min的條件下進(jìn)行乳化，得到均相、透明的水載型木材防腐劑。對防腐劑粒徑、低溫穩(wěn)定性、熱貯穩(wěn)定性、稀釋穩(wěn)定性、凍融穩(wěn)定性及抑菌性能進(jìn)行考查，結(jié)果表明：防腐劑粒徑分布在10～100 nm，在±2℃的低溫條件和(54±2)℃的高溫條件下，防腐劑穩(wěn)定、稀釋性好；在-18 ℃下冷凍，融化后能恢復(fù)均相透明狀態(tài)，且稀釋穩(wěn)定性無明顯變化。防腐劑具有良好的抑菌活性，其效果與相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)油載型防腐劑相當(dāng)。

木材防腐劑；己唑醇衍生物；戊唑醇；氯菊酯；微乳劑；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.

木材作為當(dāng)今四大建筑材料中唯一可再生資源，易受各種生物降解因子的侵害而腐朽。對木材進(jìn)行防腐處理[1]能延長其使用壽命、擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，是節(jié)約木材資源的有效措施，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。常見的木材防腐劑大多含有銅、鉻、砷等金屬元素，如鉻化砷酸銅(CCA)、季銨銅(ACQ)等，最大不足之處就是易造成環(huán)境污染[2-3]，很多國家已限制其使用。因此，從事木材保護(hù)研究的科技工作者都把重點(diǎn)放到不含金屬的水載型有機(jī)木材防腐劑的研發(fā)上[4-5]。相比于CCA、ACQ等，水載型有機(jī)木材防腐劑具有環(huán)境友好、成本低廉和易于回收的優(yōu)點(diǎn)[6]。目前以三唑類殺菌劑及其衍生物為有效成分的木材防腐劑在木材中的應(yīng)用最為廣泛。三唑類殺菌劑可以抑制麥角甾醇的合成，干擾真菌附著孢及吸器的發(fā)育[7]，影響菌絲的生長和孢子的形成，具有高效、殺菌譜廣、強(qiáng)內(nèi)吸性、對人畜低毒等特點(diǎn)，對擔(dān)子菌、子囊菌、半知菌等有很好的防治效果。木材防腐中使用較多的三唑類殺菌劑主要有丙環(huán)唑(PPZ)、戊唑醇(TEB)和環(huán)丙唑醇(CY)等，且已被列入了AWPA標(biāo)準(zhǔn)。多數(shù)三唑類及其衍生物對木材腐朽菌抑制效果好，對霉菌的活性較差，對白蟻等幾乎沒效果。因此需將其與其他殺菌劑或防霉劑復(fù)配以提高其殺菌光譜性，還需添加殺蟲劑增強(qiáng)其對白蟻等的抵御力。

19世紀(jì)80年代以來，水基化農(nóng)藥劑型的研究發(fā)展迅速，以水為基質(zhì)的農(nóng)藥劑型如微乳劑、水乳劑等逐步取代以有機(jī)溶劑為基質(zhì)的乳油，既可節(jié)約大量的能源又可減輕對環(huán)境的污染。微乳劑是液體農(nóng)藥原藥或與溶劑配制成液體的農(nóng)藥原藥，分散在含有一定量的表面活性劑的水溶液中，形成的透明或半透明的溶液[8]。它是由水、原藥、表面活性劑、助表面活性劑等混合形成的熱力學(xué)穩(wěn)定體系，具有分散程度大、增溶量大、流動性大、透光性等特點(diǎn)。微觀結(jié)構(gòu)上是由被表面活性劑界面膜所穩(wěn)定的一種或兩種液體的微細(xì)液滴(直徑10～100 nm)構(gòu)成，光可以通過，外觀呈透明狀。而普通乳液液滴直徑常在500 nm以上，故外觀呈乳白色。因此，筆者選擇對木材腐朽菌有較強(qiáng)抑制活性的三唑類己唑醇衍生物(Hex-1)，與對霉菌抑制效果較好的戊唑醇和相對低毒的殺蟲劑氯菊酯復(fù)配，通過實(shí)驗(yàn)室抑菌圈試驗(yàn)確定最佳復(fù)配比例，并對溶劑、乳化劑進(jìn)行篩選，制備出穩(wěn)定透明的水載型復(fù)合木材防腐劑。用水替代大量有機(jī)溶劑，使此防腐劑在提高殺菌廣譜性和應(yīng)用范圍的同時，更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。

1 材料、儀器與方法

1.1 材料

原藥：質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%的己唑醇衍生物，自制；質(zhì)量分?jǐn)?shù)96%的戊唑醇和質(zhì)量分?jǐn)?shù)96.5%的氯菊酯，工業(yè)級，均為外購。

乳化劑：十二烷基苯磺酸鈣(500#)，苯乙基酚聚氧乙烯醚600系列601#、602#等，均由江蘇鐘山化工有限公司提供。

溶劑：環(huán)己酮、甲醇等，均為分析純，外購。

試驗(yàn)菌種：白腐菌為彩絨革蓋菌(Coriolusversicolor)；褐腐菌為密粘褶菌(Gloeophyllumtrabeum)；霉菌為黑曲霉(Aspergillusniger)，均由南京林業(yè)大學(xué)木材保護(hù)研究所提供。

1.2 主要儀器與設(shè)備

S312-90數(shù)顯恒速攪拌器(上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司)；DC-1020低溫恒溫槽(上海恒平科學(xué)儀器有限公司)；Zetasizer Nano-ZS激光粒度分析儀(馬爾文儀器有限公司)；DZKW-4電熱數(shù)顯恒溫水浴鍋(上?？莆鲈囼?yàn)儀器廠)；Agilent-1100型高效液相色譜分析儀(美國安捷倫公司)等。

1.3 方法

1.3.1 微乳劑的制備

選取對木材腐朽菌抑制活性較強(qiáng)的三唑類殺菌劑己唑醇衍生物Hex-1、戊唑醇與殺蟲劑氯菊酯進(jìn)行復(fù)配，按照m(Hex-1)∶m(戊唑醇)=3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3等5個不同比例配制，分別用甲醇溶解制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的復(fù)配藥液，對木材腐朽菌及霉菌進(jìn)行抑菌效果試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定微乳劑中有效成分最佳復(fù)配比例。

微乳劑制備采用轉(zhuǎn)相法。先將Hex-1、戊唑醇和氯菊酯用適當(dāng)?shù)娜軇┤芙?，形成均勻透明的油相，再加入一定種類的乳化劑，使乳化劑與溶液混合均勻。在乳化溫度25 ℃、攪拌速度600 r/min的條件下邊攪拌邊加入水，使體系逐漸由油包水型轉(zhuǎn)化為水包油型。水補(bǔ)足至100%后攪拌30 min形成穩(wěn)定外觀均勻透明的微乳劑。

1.3.2 樣品主要性能指標(biāo)及測定

外觀：目測呈透明或半透明均相液體，無可見懸浮物或沉淀。

粒徑：液滴直徑分布在10～100 nm，通過激光粒度分析儀測定。

乳液穩(wěn)定性：參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)藥乳液穩(wěn)定性測定方法(GB/T 1603—2001)[9]。

低溫穩(wěn)定性：參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)藥低溫穩(wěn)定性測定方法(GB/T 19137—2003)[10]。

熱貯穩(wěn)定性：參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)藥熱貯穩(wěn)定性測定方法(GB/T 19136—2003)中有關(guān)液體制劑部分[11]。

凍融穩(wěn)定性：將制劑置于-18 ℃放置6 h后取出，置于室溫待其融化，循環(huán)3次[12]。

透明溫度范圍：將適量制劑加入具塞試管中，分別置于低溫恒溫槽和電熱恒溫水浴鍋中，通過控制其降溫和升溫，測量此過程中制劑變渾濁的最低和最高溫度[13]。

1.4 HPLC測試條件

Hex-1和戊唑醇色譜條件：色譜柱為C-18反向色譜分離柱；紫外檢測器的檢測波長220 nm；流動相為V(甲醇)∶V(水)=70∶30的混合液；柱溫30 ℃；流速1.0 mL/min。

氯菊酯色譜條件：色譜柱為C-18反向色譜分離柱；紫外檢測器的檢測波長235 nm；流動相為V(甲醇)∶V(水)=70∶30的混合液；柱溫30 ℃；流速1.0 mL/min。

1.5 抑菌試驗(yàn)

采用濾紙片法檢測所配制劑的抑菌性能，水載型防腐劑用水分別稀釋至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，并以相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的甲醇溶液作為對照藥劑，再將藥液浸泡過的濾紙片(直徑5 mm)平置于已接種菌的培養(yǎng)皿上，根據(jù)菌種生長情況比較不同劑型、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)制劑的抑菌活性[14]。在水載型和有機(jī)溶劑型防腐劑的抑菌作用下，彩絨革蓋菌、密粘褶菌只在培養(yǎng)皿中間生長，無抑菌圈出現(xiàn)，故選擇菌種生長直徑表示抑菌作用強(qiáng)弱，菌種生長直徑≥25 mm表示無抑菌效果；而黑曲霉的生長能平鋪整個培養(yǎng)皿，有明顯的抑菌圈出現(xiàn)，故用抑菌圈直徑表示抑菌作用強(qiáng)弱，抑菌圈直徑≤7 mm表示無抑菌效果。3次重復(fù)試驗(yàn)均有抑菌作用，判為合格。其中對照組應(yīng)無抑菌圈產(chǎn)生，否則試驗(yàn)無效。

2 結(jié)果與分析

2.1 微乳劑配方

2.1.1 有效成分最佳配比的確定

通過抑菌圈試驗(yàn)對不同m(Hex-1)∶m(戊唑醇)的抑菌效果進(jìn)行考查。結(jié)果表明，m(Hex-1)∶m(戊唑醇)=1∶1時抑菌效果最佳(表1)。圖1為最佳m(Hex-1)∶m(戊唑醇)=1∶1時復(fù)配藥劑對木材腐朽菌和霉菌的抑菌效果圖。

表1 不同比例復(fù)配藥劑對腐朽菌抑菌試驗(yàn)的結(jié)果

注：復(fù)配藥劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%；菌種生長直徑<25 mm或者抑菌圈直徑>7 mm表示有抑菌效果；抑菌圈直徑≤10 mm表示弱抑菌性，10<抑菌圈直徑≤20 mm表示中等抑菌性，抑菌圈直徑≥20 mm表示強(qiáng)抑菌性[15]。

為了使木材防腐劑具有防蟲的作用，在以Hex-1、戊唑醇為有效成分的基礎(chǔ)上再加入氯菊酯，參考PTI木材防腐劑的配方，m(Hex-1)∶m(戊唑醇)∶m(氯菊酯)=47.6∶47.6∶4.8。

2.1.2 溶劑體系的確定

常溫下己唑醇衍生物、戊唑醇均為無色晶體，氯菊酯為棕黃色黏稠液體，都是有機(jī)化合物，因此制備微乳劑首先需要選擇合適的溶劑，使原藥充分溶解，并在冷、熱貯后無渾濁和析晶現(xiàn)象。

經(jīng)過多種溶劑的篩選，發(fā)現(xiàn)環(huán)己酮和DMF均能很好地溶解原藥，可以作為原藥混合物的溶劑。試驗(yàn)中分別以環(huán)己酮和DMF為溶劑，添加適量乳化劑制備水基化制劑。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單用環(huán)己酮作為溶劑時，乳液透明溫度范圍較窄，且環(huán)己酮用量較大；單用DMF作為溶劑時，原藥溶解性很好，且乳液透明溫度范圍寬，但由于DMF極性大，導(dǎo)致乳液穩(wěn)定性差而析出晶體，故溶劑體系選擇環(huán)己酮—DMF溶劑體系。經(jīng)試驗(yàn)篩選，m(環(huán)己酮)∶m(DMF)=2∶1時，既可減少環(huán)己酮用量，又可滿足較寬的透明溫度范圍和稀釋穩(wěn)定性的要求，并確定其在微乳劑體系中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%。

圖1 最佳m(Hex-1)∶m(戊唑醇)的抑菌效果圖

2.1.3 表面活性劑的選擇

能否得到穩(wěn)定的乳狀液，表面活性劑的選擇是關(guān)鍵[16]。一般非離子表面活性劑的親水親油平衡對溫度較敏感，離子型表面活性劑的親水親油性對溫度不敏感，但其在低溫下溶解度顯著降低，合適的陰離子和非離子表面活性劑復(fù)配能夠同時使體系受鹽度和溫度的影響顯著降低[17-18]，因此實(shí)驗(yàn)中多采用非離子型和離子型表面活性劑復(fù)配。本研究中，用單一表面活性劑不能制得穩(wěn)定的微乳劑，溶液均發(fā)生分層，故采用非離子型和離子型表面活性劑復(fù)配。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)用磷酸酯類表面活性劑[19-20]來代替部分常用的500#陰離子表面活性劑可以制成外觀透明、性能指標(biāo)合格的微乳劑，并確定其在微乳劑體系中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。

2.1.4 乳化方式的篩選

用機(jī)械攪拌、超聲波和兩種方法相結(jié)合的方法進(jìn)行乳化。結(jié)果表明，乳化方式選擇簡單常用的機(jī)械攪拌即可(表2)。

表2 乳化方式對微乳劑的影響

2.2 微乳劑優(yōu)化配方的性能驗(yàn)證

2.2.1 外觀、粒徑及乳液穩(wěn)定性

根據(jù)優(yōu)化配方制成的微乳劑，其外觀為淺黃色、流動性良好的均相透明液體，無可見懸浮物或沉淀。經(jīng)激光粒度分析儀測定，該制劑液滴直徑分布在10～100 nm(圖2)，符合微乳劑液滴直徑要求。按照乳液穩(wěn)定性測定方法，用342 mg/L標(biāo)準(zhǔn)硬水，將微乳劑樣品分別稀釋50和300倍，于30 ℃下經(jīng)過1、24、96 h，稀釋液均能保持透明狀態(tài)，無油狀物懸浮和固體物沉淀，測定其液滴平均直徑均在100 nm以內(nèi)，7 d后有少量晶體析出。

圖2 微乳劑粒徑分布

2.2.2 低溫穩(wěn)定性和熱貯穩(wěn)定性

將所配制劑分別在(0±2)℃低溫條件下貯存7 d和恒溫箱里(54±2)℃貯存14 d，考查貯存前、后制劑的外觀、稀釋穩(wěn)定性，并用高效液相色譜法測定其各有效成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果見表3。冷、熱貯后的制劑外觀仍保持均相透明，再分別將其稀釋50、300倍，于30 ℃下放置1、24、96 h，稀釋液均能保持透明狀態(tài)，無油狀物懸浮和固體物沉淀。其平均粒徑均在100 nm以內(nèi)，稀釋穩(wěn)定性無明顯變化，且熱貯后其有效成分分解率小于5%，符合微乳劑的指標(biāo)要求。

表3 微乳劑冷、熱貯穩(wěn)定性測定結(jié)果

注：貯后外觀均為均相、透明；貯后稀釋穩(wěn)定性均為淡藍(lán)色、透明。

2.2.3 凍融穩(wěn)定性

凍融試驗(yàn)屬苛刻試驗(yàn)，根據(jù)凍融后乳液穩(wěn)定性的變化，可檢驗(yàn)配方的優(yōu)劣，預(yù)測其在惡劣環(huán)境下的貯存穩(wěn)定性和貯存期限。將所配制劑置于-18 ℃冰箱中冷凍，6 h后取出置于室溫待其融化，經(jīng)過如此3次冷凍—融化循環(huán)，結(jié)果制劑均能恢復(fù)均相透明狀態(tài)。再分別將其稀釋50和300倍，于30 ℃下經(jīng)過1、24、96 h，稀釋液均能保持透明狀態(tài)，無油狀物懸浮和固體物沉淀，其平均粒徑均在100 nm以內(nèi)，稀釋穩(wěn)定性無明顯變化，進(jìn)一步驗(yàn)證配方的穩(wěn)定性。

2.2.4 微乳劑控制項目指標(biāo)

根據(jù)優(yōu)化配方制成的微乳劑，其外觀為淺黃色、流動性良好的均相透明液體。制劑中的有效成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH值、粒徑分布、透明溫度范圍及穩(wěn)定性等指標(biāo)見表4。

表4 微乳劑控制項目指標(biāo)

2.3 微乳劑抑菌效果

以甲醇溶液為對照藥劑，所配制劑的抑菌性能檢測結(jié)果列于表5?？梢钥闯?，隨著所配制劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，抑菌效果越來越好，且無論哪種劑型，所配制劑對彩絨革蓋菌的抑菌性能均強(qiáng)于對密粘褶菌的抑菌性能。當(dāng)所配制劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.5%及以上時，彩絨革蓋菌不生長。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，所配制劑對黑曲霉表現(xiàn)出中等抑菌活性；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.0%及以上時，所配制劑對黑曲霉的抑菌活性明顯增強(qiáng)，為強(qiáng)抑菌活性。比較這兩種劑型，微乳劑的抑菌效果與有機(jī)溶劑型的抑菌效果相當(dāng)，沒有顯著性差異。圖3—圖5可以更加直觀地看出不同劑型防腐劑對木材腐朽菌和霉菌的抑菌效果。

表5 不同劑型防腐劑的抑菌效果

注：“—”表示菌種不生長；菌種生長直徑<25 mm或者抑菌圈直徑>7 mm表示有抑菌效果；抑菌圈直徑≤10 mm表示弱抑菌性，抑菌圈直徑為10～20 mm表示中等抑菌性，抑菌圈直徑≥20 mm表示強(qiáng)抑菌性。

圖3 空白對照組

圖4 微乳劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的抑菌效果圖

圖5 有機(jī)溶劑型質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的抑菌效果圖

3 結(jié)論

以4.76%己唑醇衍生物、4.76%戊唑醇、0.48%氯菊酯為有效成分，經(jīng)乳化制得的水載型復(fù)合木材防腐劑，不含金屬，低毒、環(huán)境友好，應(yīng)用范圍廣，成本低廉。水載型復(fù)合木材防腐劑為均相、透明的液體，粒徑分布在10～100 nm；在±2 ℃低溫條件和(54±2)℃的高溫條件下，防腐劑性能穩(wěn)定，稀釋性好；在-18 ℃下冷凍，融化后能恢復(fù)均相透明狀態(tài)，且稀釋穩(wěn)定性無明顯變化。水載型木材防腐劑與有效成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的有機(jī)溶劑型防腐劑抑菌試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)，在不少場合可以用水載型防腐劑替代有機(jī)溶劑型木材防腐劑，避免了揮發(fā)性有機(jī)化合物的大量使用，減少了生產(chǎn)成本，保護(hù)了環(huán)境。

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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

倪潔，女，1991年6月生，南京林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，碩士研究生。E-mail：760834954@qq.com。

程康華，南京林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，教授。E-mail：chengkh54@163.com。

2016年2月24日。

S782.33

1)林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201104032)、江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目。

責(zé)任編輯：戴芳天。