壳聚糖金属聚合物木材防护应用研究取得进展

上一篇 / 下一篇  2011-08-24 15:12:41

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  木材防腐、防虫市场巨大,但传统处理方法存在药剂毒性残留大、易流失等问题。在这一领域,国家自然科学基金10年前就布局一批基础研究项目,中国林业科学研究院研究员段新芳就是这一领域的开拓者之一。在科学基金的资助下,段新芳等人的研究为这一技术走向市场作出了努力。

  虾皮蟹壳作用大

  壳聚糖是从螃蟹壳、虾皮等废物资源中提取的绿色高分子复合物。

  “壳聚糖的前身是甲壳素,存在于硬壳类水产品的甲壳中,和纤维素、半纤维素、木质素相似,是一种长链化合物。”段新芳说。

  甲壳素不溶于水、酸等物质。经进一步提取,就可得到壳聚糖。它溶于稀酸,这样其化学反应活性就大大提高,在市场上作为一种化工原料出售。

  “我们当时主要想解决木材防腐、防虫方面的问题。出发点一是环保,二是资源的综合利用。”段新芳说,“在我们将壳聚糖用在木头防腐、防虫处理前,作为一种高分子复合物,人们却不知它该用在何处,也没人用。我们就针对这一原料,进行下游产品开发。”

  此前,木材防腐、防虫处理主要靠金属离子杀毒,传统的处理方法就是将防腐剂注入木材,但将药剂注入木头后,很快就渗出来。另一方面,木材处理后的成品和人们生活息息相关,因此还不能用、铬等毒性太强的重金属。而毒性较弱的杀毒剂效果又难如人意。低毒和长效持久一直是木材保护要解决的难题。

  后来,研究人员发现壳聚糖对木材的吸附作用非常好。

  “如果将壳聚糖与硫酸铜等金属盐鏊合成一种分子配位聚合物,金属离子的固定量和持久效力会大大提升,就能解决现有木材防腐剂中大量的砷、铬对人畜造成的危害,具有高效低毒的特点。”段新芳说。

  防腐抑虫有新方

  在国家自然科学基金等项目的资助下,段新芳开始对壳聚糖金属盐的合成及其木、竹材防腐防霉机理进行研究。该项目探索确定了壳聚糖铜/锌两种金属配位聚合物(CMC)的最佳合成条件,测定金属配位聚合物系列药剂木材、竹材与木塑复合材料的防腐、防霉效果评价与机理,检测了金属配位聚合物药剂防护处理对木、竹材性与加工性能的影响,获得了壳聚糖金属配位聚合物在木竹材保护应用中的科学基础。

  该研究小组采用抑菌圈法研究了壳聚糖金属盐防霉剂对木霉、青霉、黑曲霉、黄曲霉以及酵母菌的抑菌作用,并筛选出最佳抑菌质量分数。结果表明壳聚糖铜盐对于所选菌种的抑制效果高于其他几种试剂,且抑制持续性也较长。尤其对木霉和酵母菌的抑菌效果明显,且抑制持续性也最长。

  研究人员对杉木边材、心材和毛白杨边材表面涂饰不同浓度的壳聚糖乙酸溶液,测定分析处理前后的木材材色变化。结果发现不同浓度壳聚糖处理木材表面,处理前后总体色差随浓度的升高而增加,其他色度学参数略有变化。在此基础上,段新芳等人得出壳聚糖处理木材表面的最佳浓度值。采用此浓度进行处理对木材表面的进一步着色或涂饰无大影响。

  上述研究表明,壳聚糖金属配位聚合物是与著名的对环境危害较大的防腐剂CCA 具有接近的防腐效果的木、竹材防腐剂,有较广阔的应用前景。

  “但这种方法的缺点是成本太高,用传统方法处理一方木头大约增加一两百元,用壳聚糖就会增加五六百元,因此缺乏市场竞争力。”段新芳说,“近两年技术改进很多,当时用水溶酸溶解壳聚糖,现在已经有了水溶性的壳聚糖,处理成本相对降低一些,但相对传统方法还是偏高,在一些出口产品、室内高端家具上,才会考虑选择这种方法。”

  科学基金对年轻人很重要

  段新芳长期从事木材保护、生物质材料科学研究工作,先后主持和参加完成了国家自然科学基金项目、“攀登计划”等多项国家级科研项目。1991年以来,他出版了《俄罗斯木材贸易及其加工利用技术》、《古建筑木结构无损检测和保护技术研究进展》、《木材颜色调控技术》、《木材变色防治技术》等专著7部,主持和参与制定了《木材综合利用规范》等10项国家标准和行业标准。2006年,其壳聚糖金属配合物木材防腐剂的制备方法及其应用获国家发明专利授权。

  “我非常感谢科学基金的支持,因为林科院结构调整,我现在主要转作标准化管理,在申请第三个基金后就没再参与申请。不过还是科学基金的评审专家,每年都会评审一些项目,对科学基金也很关注。”段新芳说,“科学基金对科研人员,尤其是年轻科研人员来说非常重要。目前中国的科研经费分配体制不是很科学,年轻人没有机会参与竞争一些大的项目,而科学基金相对公平公正,在培养年轻人、开拓新的研究领域、保持传统学科发展几个方面作出重要贡献。”


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