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壳聚糖金属聚合物木材防护应用研究取得进展

2011.8.22

  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,因此还不能用砷、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ZL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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