馬尾松木材聯(lián)苯菊酯防腐浸泡工藝研究

李 杰 李 偉 白建偉 劉 壯

（中林檢驗(yàn)檢測中心，重慶 401147）

木材是天然綠色的生物質(zhì)材料，具有紋理美觀、強(qiáng)重比高、可降解再生等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用在家具裝飾、材料包裝和戶外建筑等領(lǐng)域，在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演了重要的角色[1]。根據(jù)第九次全國森林資源清查報告，我國人工林蓄積量已達(dá)到33.88 億m3，其中，馬尾松等優(yōu)勢人工林樹種占我國人工林儲量超過50%[2]。然而，未經(jīng)防腐處理的木材易被木腐菌、白蟻等生物侵害，不僅造成了木材性能劣化和價值降低，更直接導(dǎo)致我國木材資源嚴(yán)重浪費(fèi)[3-5]。防腐處理是增強(qiáng)木材耐腐能力的重要方式，對提升木材使用年限具有重要作用。

自18世紀(jì)以來，學(xué)術(shù)界已開始關(guān)注木材防腐劑防腐處理，此后研究人員先后開發(fā)了油類防腐劑、油載型防腐劑和水載型防腐劑[6-9]。與此同時，學(xué)術(shù)界也一直在探索效益高、效果好的化學(xué)藥物。聯(lián)苯菊酯是一種除蟲菊酯類殺蟲劑，具有廣譜、高效性和耐光、耐水性，已經(jīng)在多個國家注冊用于農(nóng)作物的新型合成菊酯[10]。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)聯(lián)苯菊酯噴涂或浸泡處理的木材能有效防止真菌和害蟲的侵襲。在澳大利亞和新西蘭，聯(lián)苯菊酯處理的木材有較廣泛的應(yīng)用[11-13]。但我國木材聯(lián)苯菊酯防腐處理研究較少[14]，防腐浸泡工藝研究尚不完善，企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)過程中缺乏理論指導(dǎo)，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加、生產(chǎn)效率較低，極大限制了我國防腐木出口核心優(yōu)勢。

本文以馬尾松速生材為研究對象，以聯(lián)苯菊酯為防腐劑，考察聯(lián)苯菊酯濃度、浸泡時長和浸泡深度對馬尾松木材增重率和載藥量的影響，并優(yōu)化出符合標(biāo)準(zhǔn)AS/NZS 1604.1:2021 標(biāo)準(zhǔn)要求的防腐處理工藝，為木材防腐工藝提供參考和借鑒，助力企業(yè)生產(chǎn)降本增效，提高我國防腐木材出口核心競爭力。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗(yàn)所用木材為新采伐的馬尾松，由CMH INTERNATIONAL LIMITED公司提供，將馬尾松加工制成尺寸為300 mm×90 mm×45 mm（L×T×R）的鋸材。試驗(yàn)所用防腐劑為油乳劑聯(lián)苯菊酯，有效含量為10%，購自中國農(nóng)科院植保所中保綠農(nóng)集團(tuán)。

1.2 儀器設(shè)備

試驗(yàn)所用儀器設(shè)備有電熱鼓風(fēng)干燥箱（101-2型，滄州極光試驗(yàn)機(jī)儀器有限公司公司），電子天平（JE1002 型，上海浦春計量儀器有限公司），氣相色譜儀（SP-3510 型，北京北分瑞利分析儀器（集團(tuán)）有限責(zé)任公司），自制的浸泡裝置。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計

本研究考察馬尾松木材浸泡時聯(lián)苯菊酯濃度、浸泡時長和浸泡深度對載藥量的影響，各試驗(yàn)因素分別設(shè)置三個水平，具體見表1。根據(jù)因素及水平設(shè)計正交試驗(yàn)。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平Tab.1 Orthogonal experiment factors and level

1.3.2 浸泡處理

藥劑配置：取25、50 、125 g聯(lián)苯菊酯（10%有效含量）溶于適量水中，補(bǔ)水至溶液質(zhì)量為25 kg，攪拌均勻，制備成0.01%、0.02%、0.05%的聯(lián)苯菊酯防腐劑，備用。

浸泡處理：將馬尾松試件在63 ℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥至恒重，將環(huán)氧樹脂與固化劑1 ∶1 混合均勻后對木材進(jìn)行封端處理，待環(huán)氧樹脂固化后記錄馬尾松試件質(zhì)量m1。將馬尾松試樣置于浸泡裝置中，加入聯(lián)苯菊酯防腐劑，分別在浸泡6 、12 h和24 h后取出，樣品在63 ℃的干燥箱中干燥至恒重，記錄干燥后馬尾松試件質(zhì)量m2。每組樣品3 個平行。

1.4 增重率測定

以木材增重率作為滲透性的評價指標(biāo)，按下式計算馬尾松試樣增重率W。

式中：m1為試件浸泡前質(zhì)量，g；m2為試件浸泡后質(zhì)量，g。

1.5 載藥量測定

試樣中聯(lián)苯菊酯載藥量參照標(biāo)準(zhǔn)AS/NZS 1604.3:2021Preservative-treatedwood-basedproducts Part3:Test methods測定[15]，具體步驟為：切取試樣表層（2 mm）木片，用植物破碎機(jī)粉碎并過5 目篩網(wǎng)，準(zhǔn)確稱取5 g左右過篩樣品加入索式提取器中，加入80 mL甲醇，在90 ℃下提取2.5 h。取40 mL提取液轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中，向容量瓶中加入5 mL鄰苯二甲酸二丁酯，用甲醇定容。用0.45 μm的尼龍過濾頭過濾，收集濾液用于用配有自動進(jìn)樣器的SP-3510 型氣相色譜儀分析聯(lián)苯菊酯載藥量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同浸泡工藝對增重率影響

根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行不同防腐工藝浸泡處理，浸泡后試樣增重率見表2。增重率是防腐劑在木材中滲透性最直觀的表現(xiàn)，也是評估藥劑是否進(jìn)入木材細(xì)胞壁的重要因素。由表2 可知，當(dāng)聯(lián)苯菊酯濃度為0.01%，浸泡時長6 h，浸泡深度為50 mm時，馬尾松增重率為0.07%，而當(dāng)聯(lián)苯菊酯濃度為0.05%，浸泡時長24 h，浸泡深度為150 mm時，增重率達(dá)4.29%，浸泡濃度和時長的變化都會導(dǎo)致增重率的變化，表明馬尾松木材對聯(lián)苯菊酯防腐劑具有良好的滲透性，這為防腐浸泡工藝的優(yōu)化提供了前提。

表2 浸泡增重率正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析Tab.2 Range analysis of orthogonal test results of soaking weight gain rate

由極差分析可知，各因素極差大小排列為：聯(lián)苯菊酯濃度>浸泡時長>浸泡深度，表明浸泡工藝對增重率的影響主次關(guān)系為：聯(lián)苯菊酯濃度>浸泡時長>浸泡深度。各因素水平對增重率的影響趨勢如圖1，由圖可知，隨著聯(lián)苯菊酯濃度和浸泡時長的增大，增重率均呈增大趨勢，其中，聯(lián)苯菊酯濃度對增重率的影響更加明顯。而浸泡深度的改變，增重率未發(fā)生明顯變化。

圖1 各因素水平對增重率的影響Fig.1 The influence of each factor level on weight gain rate

為進(jìn)一步探討浸泡因素對增重率的影響，對增重率進(jìn)行了方差分析，結(jié)果見表3，聯(lián)苯菊酯濃度和浸泡時長對增重率均具有顯著影響，表明本試驗(yàn)條件下聯(lián)苯菊酯濃度和時間是影響增重率的主要因素。

表3 浸泡增重率正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析Tab.3 Immersion weight gain rate orthogonal test results variance analysis

2.2 不同浸泡工藝對載藥量影響

前文分析了浸泡因素對增重率的影響，聯(lián)苯菊酯濃度和浸泡時長是影響增重率的兩個主要因素。在木材防腐浸泡過程中，增重率只能間接的評估浸泡效果，而載藥量是評估浸泡效果的決定性參數(shù)，也是衡量木材防腐性能重要指標(biāo)。

采用氣相色譜儀采集聯(lián)苯菊酯特征曲線，如圖2，在內(nèi)標(biāo)物鄰苯二甲酸二丁酯作用下，聯(lián)苯菊酯標(biāo)準(zhǔn)樣品（標(biāo)液）特征峰出現(xiàn)在36.795 min，馬尾松試件中聯(lián)苯菊酯樣品（樣液）特征峰出現(xiàn)在36.848 min。馬尾松試件浸泡后聯(lián)苯菊酯載藥量極差分析見表4，由極差分析可知，各因素極差大小關(guān)系為：聯(lián)苯菊酯濃度>浸泡時長>浸泡深度，表明浸泡因素對載藥量的影響主次順序?yàn)槁?lián)苯菊酯濃度>浸泡時長>浸泡深度。對載藥量正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析見表5，結(jié)果表明聯(lián)苯菊酯濃度和浸泡時長對載藥量具有顯著影響，這與增重率結(jié)果一致。

圖2 聯(lián)苯菊酯氣相色譜圖Fig.2 Bifenthrin gas chromatogram

表4 載藥量正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析Tab.4 Range analysis of retention in the penetration zone orthogonal test results

表5 載藥量正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析Tab.5 Analysis of variance of orthogonal test results of retention in the penetration zone

各因素水平對載藥量影響趨勢如圖3，隨聯(lián)苯菊酯濃度的增大，馬尾松試件載藥量快速增大，當(dāng)濃度增大到0.05%時更為明顯，表明隨著聯(lián)苯菊酯濃度的增大，更多的聯(lián)苯菊酯與木材細(xì)胞壁中有效位點(diǎn)發(fā)生固著。浸泡時長的增加也會使載藥量增大，但增加幅度比濃度的影響小，這是由于浸泡時長的增大可以使聯(lián)苯菊酯有充足的時間滲透到木材細(xì)胞壁中。浸泡深度的變化對載藥量無明顯變化，說明在本試驗(yàn)中，浸泡深度幾乎不會影響載藥量。浸泡深度與滲透壓呈正相關(guān)，但工廠在實(shí)際生產(chǎn)中，浸泡深度一般都非常小，不會引起滲透壓的明顯變化。

圖3 各因素水平對載藥量的影響Fig.3 The influence of each factor level on retention in the penetration zone

2.3 工藝優(yōu)化

根據(jù)澳大利亞和新西蘭標(biāo)準(zhǔn)AS/NZS 1604.1:2021Preservative-treatedwood-basedproductsPart1:Productsandtreatment可知，聯(lián)苯菊酯處理的實(shí)木鋸材最低載藥量限值為0.02%[16]。本研究中，由于浸泡深度對載藥量無明顯影響，故不考慮深度因素。由表4可知，聯(lián)苯菊酯濃度為0.01%時，浸泡時長為24 h時符合標(biāo)準(zhǔn)要求。聯(lián)苯菊酯濃度為0.02%時，浸泡時長12 h和24 h均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，其載藥量分別達(dá)到0.029%和0.047%。而當(dāng)聯(lián)苯菊酯濃度增大到0.05%時，浸泡時長縮短至6 h即可符合標(biāo)準(zhǔn)要求，載藥量達(dá)0.059%。根據(jù)單一指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化工藝條件，浸泡濃度的優(yōu)選工藝為0.01%，浸泡時長的優(yōu)選工藝為6 h。企業(yè)生產(chǎn)時往往會以縮短工藝周期為參考，故本文以浸泡時長優(yōu)選工藝條件，優(yōu)化的聯(lián)苯菊酯浸泡工藝為濃度0.05%，浸泡時長6 h，浸泡深度50 mm。

3 結(jié)論

本文以馬尾松木材為研究對象，采用聯(lián)苯菊酯防腐劑對馬尾松木材進(jìn)行浸泡處理，研究了浸泡工藝參數(shù)對馬尾松木材增重率和載藥量的影響，聯(lián)苯菊酯濃度對增重率和載藥量的影響最大，浸泡時長次之，浸泡深度最小。綜合企業(yè)生產(chǎn)成本，以浸泡時長優(yōu)選工藝條件，優(yōu)化了馬尾松木材聯(lián)苯菊酯防腐浸泡工藝，優(yōu)化的聯(lián)苯菊酯浸泡工藝為濃度0.05%，浸泡時長6 h，浸泡深度50 mm，得到的馬尾松木材載藥量滿足AS/NZS 1604.1:2021Preservative-treatedwood-basedproducts Part1:Productsandtreatment的限量值要求。