基于EVA的功能型木材防裂劑的研制

韓成宇 龐久寅 孫耀星 王增華 王舉偉

摘 要：以載銀納米TiO和水楊酰苯胺與乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）乳液復(fù)配，合成具有抑霉防變色功能的木材防裂劑，研究功能防裂劑對變色菌和霉菌的防治效力、室外實(shí)驗(yàn)效果及防裂劑成膜的拉伸強(qiáng)度。結(jié)果表明，當(dāng)膜厚度0.14～0.18 mm、載銀納米TiO或水楊酰苯胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%以上或0.18～0.22 mm、0.5%以上時，防裂劑對黑曲霉菌的防治效力達(dá)到100%，當(dāng)膜厚度0.18 mm以上、質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%以上時，對可可球二孢的防治效力達(dá)到100%；防裂劑對黑曲霉的防治能力高于可可球二孢，載銀納米TiO的防治效力略強(qiáng)于水楊酰苯胺。與對照樣相比，添加水楊酰苯胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%、0.5%和1.0%的成膜拉伸強(qiáng)度依次下降了8.60%、11.40%和13.22%，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%、0.5%和1.0%的載銀納米TiO拉伸強(qiáng)度依次增加了-6.78%、-3.64%和8.76%。室外試驗(yàn)表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%以上、成膜厚度0.18 mm以上時，水楊酰苯胺的防治效力為75%以上，載銀納米TiO的防治效力達(dá)100%。研究結(jié)果表明，功能型木材防裂劑在防止木材端面開裂的同時，兼具了抑霉和防變色功能。

關(guān)鍵詞：木材端裂; 木材防裂劑；木材防霉；木材變色；EVA

中圖分類號：S782.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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

基金項(xiàng)目：吉林省科技發(fā)展計劃項(xiàng)目（20220202090NC）；吉林省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究與開發(fā)項(xiàng)目（2020C027-2）。

第一作者簡介：韓成宇，碩士研究生。研究方向?yàn)槟静目茖W(xué)與技術(shù)。E-mail： 1291172701@qq.com

*通信作者：孫耀星，博士，教授。研究方向?yàn)槟静臉?gòu)造與性質(zhì)。E-mail： sunyaoxing@sina.com

引文格式：韓成宇，龐久寅，孫耀星，等.基于EVA的功能型木材防裂劑的研制[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

木材作為一種可再生的天然生物材料，自古以來就與人類生活密切相關(guān)，對人類社會的快速發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。木材是四大建筑材料中唯一綠色、低碳、可持續(xù)的生物材料，具有高強(qiáng)重比、良好的彈性、耐沖擊、天然美觀的花紋色澤和加工容易等許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。同時，木材也具有最容易產(chǎn)生且難以控制的缺陷——開裂；開裂不僅會使木材降等，降低出材率和利用率，還會嚴(yán)重影響加工質(zhì)量。木材中含有豐富的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等大分子和其他內(nèi)含物，為許多微生物的生存和繁殖提供了充足的營養(yǎng)，在適宜的條件下，就會受到木腐菌和霉菌的感染，使木材發(fā)生腐朽和變色，腐朽降低木材的力學(xué)強(qiáng)度，變色劣化木制品的外觀視覺效果。木材開裂往往與腐朽和變色疊加，造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。

在木材端面涂抹防裂劑是防止木材開裂的有效方法。石蠟和瀝青漆是工業(yè)生產(chǎn)常用的防裂劑，二者僅具有防裂功能，不具防腐抑霉效力。科學(xué)工作者研究和開發(fā)了多種防裂劑，如濕固型聚氨酯預(yù)聚體防裂劑、水溶性的ANCHO RSEA L防裂劑、UW防裂劑、硼酚合劑、C-003防裂涂料、P-1799防裂涂料、MF-1型木材抗裂劑、松香涂料和桐油石灰等，這些防裂劑因防裂時間短、污染木材、耐候性差、性價比低和對使用環(huán)境溫度有選擇等問題，尤其是都不兼具防霉防變色性能，而未能在生產(chǎn)中使用。

本研究針對當(dāng)前木材防裂劑存在的不足，以水楊酰苯胺和載銀納米TiO作為添加劑，與EVA乳液進(jìn)行復(fù)配，嘗試一次性解決木材開裂和變色問題。

1 材料與方法

1.1 材料

大青楊（Populus ussuriensis Kon.）試樣，采集地為吉林省蛟河林業(yè)實(shí)驗(yàn)區(qū)管理局三河林場，用于實(shí)驗(yàn)室抑霉防變色試驗(yàn)。取一塊紋理通直、無腐朽變色、材質(zhì)均勻的大青楊木板，邊材部分加工試樣252塊，試樣尺寸：50 mm（長）×20 mm（寬）×5 mm（厚），長度方向?yàn)槟静目v向。

柞木（Quercus mongolica Fisch.et Turcz.）試樣，采集地同上，用于室外防裂防變色驗(yàn)證試驗(yàn)。取一塊紋理通直、無腐朽變色、材質(zhì)均勻的柞木板材，加工試樣6塊（每塊試樣2個端面，共有12個端面），試樣尺寸：200 mm（長）×100 mm（寬）×30 mm（厚），長度方向?yàn)槟静目v向。

乙烯-醋酸乙烯酯乳液（EVA），大連化工（江蘇）有限公司，固含量55%，黏度3 800 mPa· s，粒徑分布0～7 μm；水楊酰苯胺（分析純），天津市大茂化學(xué)試劑廠；載銀納米TiO，VK-T07（銀含量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.），用于木材防霉防變色試驗(yàn)，來自中國林業(yè)微生物菌種保藏管理中心。

1.2 儀器設(shè)備

電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（MWW-10），濟(jì)南天辰試驗(yàn)機(jī)制造有限公司；高壓蒸汽滅菌鍋（XFH-30L），浙江新豐醫(yī)療器械有限公司；超凈工作臺（BBS-V800），山東博科生物產(chǎn)業(yè)有限公司；恒溫恒濕箱（Climacell-404），德國MMM公司。

1.3 EVA功能型防裂劑的配制

將水楊酰苯胺和載銀納米TiO分別按0.3%、0.5%和1.0%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與固含量55%的EVA常溫下共混，復(fù)配為乳液，形成6種木材功能型防裂劑，見表1。

1.4 實(shí)驗(yàn)室防霉試驗(yàn)方法

1.4.1 大青楊防霉試樣的制備

將6種防裂劑均勻地涂覆在大青楊試樣的6個面上，防裂劑成膜厚度設(shè)定為3種：0.10～0.14、0.14～0.18、0.18～0.22 mm。同一種防裂劑和同一種成膜厚度制作試樣12塊，其中6塊接種黑曲霉菌、另6塊接種可可球二孢，共制作試樣216塊；取對照樣36塊，每一種厚度12塊（6塊接種黑曲霉菌、另6塊接種可可球二孢）。

1.4.2 防霉試樣的接菌與感染

防霉試樣和對照樣按照1.4.1中的要求接菌后，放入溫度27 ℃±2 ℃、相對濕度85%的恒溫恒濕箱內(nèi)感染真菌，4周后檢測其防霉性能。

1.4.3 防霉防變色能力評價

根據(jù)GB/T 18261—2013《防霉劑對木材霉菌及變色菌防治效力的試驗(yàn)方法》，試樣感染木腐菌后，依據(jù)感染面積和特征，以感染值作為感染程度的指標(biāo)，分為5級，見表2。

由表2中的感染值，可計算出防治效力，用于評價功能型防裂劑的防霉防變色能力；防治效力值越大，能力越強(qiáng)。見公式（1）。

式中：E 為防治效力，%；D為涂覆防裂劑試樣的感染值；D為對照樣的感染值。

1.5 成膜拉伸強(qiáng)度測試方法

參照GB/T 1040.3—2006《塑料 拉伸性能的測定》，將6種功能型防裂劑和EVA乳液制備成3種厚度薄膜（見1.4.1），在相對濕度75%條件下平衡72 h后，測試?yán)鞆?qiáng)度。拉伸強(qiáng)度按公式（2）計算。

式中：σ 為防裂劑成膜拉伸強(qiáng)度，MPa；P 為最大負(fù)荷，N；b 為成膜寬度，mm；d 為成膜厚度，mm。

1.6 室外防裂防變色驗(yàn)證性試驗(yàn)方法

將3種功能防裂劑（水楊酰苯胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%、載銀納米TiO1%、無添加）涂覆在柞木試樣的端面（每種防裂劑涂3個端面），成膜厚度為0.18～0.22 mm；另準(zhǔn)備3個空白端面作為對照樣。所有試樣端面以外的其他表面用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的ACQ涂刷2遍。待乳液在木材端面成膜后，將試樣置于室外空曠處（自然通風(fēng)、無遮蔽、不與土壤接觸）一年，跟蹤觀察端面材色和菌絲變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)室防霉試驗(yàn)

2.1.1 功能型防裂劑對黑曲霉的防治效力

涂覆了含載銀納米TiO和水楊酰苯胺的EVA乳液的大青楊試樣，經(jīng)黑曲霉菌感染后，測得的感染值和防治效力分別見表3和表4。

由表3可見，不添加載銀納米TiO情況下，隨著成膜厚度的增加，防裂劑對黑曲霉菌的防治效力有增加趨勢，感染值依次為4.0、3.3、2.7，防霉效果不顯著。膜厚度不變情況下，隨著載銀納米TiO添加量的增加，感染值下降明顯，防治效力有較大提升。

當(dāng)膜厚度0.14～0.18 mm、載銀納米TiO質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%以上或0.18～0.22 mm、0.5%以上時，防治效力可達(dá)到100%。

由表4可見，不添加水楊酰苯胺情況下，隨著成膜厚度的增加，防裂劑對黑曲霉菌的防治效力依次增加了5%和17%。膜厚度不變情況下，隨著水楊酰苯胺添加量的增加，感染值下降顯著，防治效力依次增加20%以上。

當(dāng)膜厚度0.14～0.18 mm、水楊酰苯胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%以上或0.18～0.22 mm、0.5%以上時，防裂劑的防治效力可達(dá)到100%。

2.1.2 功能型防裂劑對可可球二孢的防治效力

涂覆了含載銀納米TiO和水楊酰苯胺的EVA乳液的大青楊試樣，經(jīng)可可球二孢菌感染后，測得的感染值和防治效力分別見表5和表6。

由表5可見，不添加載銀納米TiO情況下，隨著成膜厚度的增加，防裂劑的防治效力有增加趨勢，感染值依次為4.1、3.4、2.7，防治效力由13%增加到20%和25%。在膜厚度不變情況下，隨著載銀納米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。

當(dāng)膜厚度為0.14 mm以上、載銀納米TiO添加量為1.0%以上時，防治效力可達(dá)到100%。

由表6可見，膜厚度不變情況下，隨著水楊酰苯胺添加量的增加，感染等級在逐步降低，防治效力有較大提升。

當(dāng)膜厚度0.18 mm、水楊酰苯胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%以上時，防治效力可達(dá)到100%。

2.2 添加劑種類及添加量對成膜拉伸強(qiáng)度的影響

EVA防裂劑的防裂機(jī)理：一方面成膜隔絕了木材中的水分散失，另一方面乳液滲入木材端面的細(xì)胞腔內(nèi)形成膠釘狀結(jié)構(gòu)，與木材組織緊密結(jié)合在一起，使成膜具有一定的抗拉強(qiáng)度，從而阻止木材可能發(fā)生的開裂趨勢。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1（a）可見，隨著水楊酰苯胺添加量的增加，乳液成膜后的拉伸強(qiáng)度逐漸降低；當(dāng)水楊酰苯胺添加量為0%、0.3%、0.5%和1.0%時，拉伸強(qiáng)度分別為6.05、5.53、5.36、5.25 MPa，與添加量0%相比，添加量由低到高，拉伸強(qiáng)度依次下降了8.60%、11.40%和13.22%。分析認(rèn)為，由于水楊酰苯胺是結(jié)晶粉狀物且微溶于水，在成膜過程中，隨著溶劑乙醇蒸發(fā)，水楊酰苯胺晶體逐漸析出，分散性不佳，破壞了成膜的致密結(jié)構(gòu)，降低了拉伸強(qiáng)度。

由圖1（b）可見，隨著載銀納米TiO添加量的增加，乳液成膜后的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)出先降低后增高的趨勢。當(dāng)添加量為0%、0.3%、0.5%和1.0%時，對應(yīng)的拉伸強(qiáng)度分別為6.05、5.64、5.83、6.58 MPa，與添加量0%相比，添加量由少到多，依次增加了-6.78%、-3.64%和8.76%。分析認(rèn)為，當(dāng)載銀納米TiO添加量較少時，乳液成膜流動不均勻，導(dǎo)致成膜后各組分間的相互作用太弱，拉伸強(qiáng)度變差；隨著添加量的增加，其在乳液中的分散更加均勻，成膜后各組分之間相互作用增強(qiáng)，使拉伸強(qiáng)度增加。總體來看，水楊酰苯胺和載銀納米TiO的添加量為0.3%～1.0%時，拉伸強(qiáng)度都在5 MPa以上，對乳液成膜后的拉伸強(qiáng)度影響不顯著。

2.3 室外防霉防裂試驗(yàn)

依據(jù)2.1實(shí)驗(yàn)室防霉防變色研究結(jié)論，以柞木為試樣進(jìn)行了功能型防裂劑室外防裂防霉驗(yàn)證性試驗(yàn)。放置室外開放環(huán)境一年后，不同試樣端面的變化情況如圖2所示。

圖2（a）清晰可見，試樣端面出現(xiàn)開裂，呈黑色并伴有白色菌絲，木材腐朽嚴(yán)重，感染值4以上，防治效力為0%；圖2（b）可見，試樣端面沒有明顯開裂跡象，整個端面呈黑色，感染值4以上，防治效力0%，說明EVA乳液具有防裂效果但不具備防霉防變色作用效果；圖2（c）可見，試樣端面沒有明顯開裂，端面大部分保持木材本色，邊緣部分呈黑色，感染值1以下，防治效力大于75%；圖2（d）可見，試樣端面既沒有開裂，也沒有明顯變色，感染值0，防治效力100%，說明1%載銀納米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時，兼具有良好的抑霉防變色效果。

3 結(jié)論

1）以添加劑載銀納米TiO和水楊酰苯胺與EVA乳液復(fù)配，合成具有防霉防變色功能的木材防裂劑。隨著添加量的增加，EVA防裂劑對黑曲霉和可可球二孢的防治效力增大；當(dāng)成膜厚度0.14～0.18 mm、添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%以上或0.18～0.22 mm、0.5%以上時，EVA防裂劑對黑曲霉菌的防治效力可達(dá)到100%；當(dāng)膜厚度0.14 mm以上、載銀納米TiO添加量1.0%以上時，對可可球二孢的防治效力達(dá)到100%，添加水楊酰苯胺要達(dá)到相同的效果，成膜厚度需大于0.18 mm。同等條件下，2種添加劑對黑曲霉的防治能力高于可可球二孢，載銀納米TiO的防治能力略強(qiáng)于水楊酰苯胺。

2）隨著水楊酰苯胺添加量的增加，乳液成膜后的拉伸強(qiáng)度逐漸降低；與添加量0%相比， 0.3%、0.5%和1.0%添加量的拉伸強(qiáng)度依次下降了8.60%、11.40%和13.22%。隨著載銀納米TiO添加量的增加，乳液成膜后的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)出先降低后增高的趨勢；與添加量0%相比，添加量由少到多，依次增加了-6.78%、-3.64%和8.76%。

3）室外試驗(yàn)證明，EVA乳液具有防裂功能，不具備抑霉防變色作用；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%以上、成膜厚度0.18 mm以上時，添加水楊酰苯胺的防治效力為75%以上，載銀納米TiO的防治效力可達(dá)100%。

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