从“泡水防腐”到生物质防腐,看木材防腐技术如何变革!

导读:
纵观国内外木材防腐行业的发展,防腐剂的配方已经从以重金属元素为主迈向以非金属或有机杀菌剂为主,适应环境保护的非金属防腐剂配方将成为未来木材防腐剂发展的方向。

1 红木“泡水防腐”?

       现在实木加工已经有比较稳定的工艺流程,干燥→配料→加工。但在早年间,刚砍下来的红木原木不会立刻用于加工生产,而是先在水塘里沤泡2-3年,再启用出来进行干燥等后续工序。这道早年实木制造约定俗成的工序,究其原因,却是众说纷纭,莫衷一是。 

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       每个匠作流派以及传承师傅都有他们自己的解释,综合各家的看法,目前关于红木“泡水”的原因,大致有以下三种:

1.1 防虫防腐

       木材中的糖分适合虫卵和菌类繁衍生存,所以先在池水中加入防腐药剂,再将原木浸入池水,就可以消灭虫卵和菌类的活性。

       将原木浸水后捞出,两端封死阴干处理,就可以提升木材的耐腐性能。

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1.2 木材去性

       通过浸水,使原木含水率高于纤维饱和点,这样木材就完全无收缩或膨胀,外形均保持最大尺寸,体积不变。 

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1.3 经验之谈

       国人总是“神话”一些“经验之谈”。由于传统木匠的手艺都是师徒相承下来的,或许刚开始只是遵照师父的教导,而到了后来就将这一步骤奉为“规矩”,一代一代的流传了下来成为惯例。

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       虽然泡水防腐的作用不置可否,但在实木加工生产中,木材防腐是我们不得不重视的一道工序。

2 防腐的作用

       木材防腐是用含有防腐、防虫作用的防腐剂在原木上进行预防性处理,防止原木遭到变色菌、木腐菌、木材害虫等生物的侵害,保持原木的品质。

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2.1 减少贮存与运输过程中的损失

       木材防腐可避免原木在贮存和运输中的变质,尽量避免锯掉变质端头而造成损失,节约木材。

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2.2 减少加工过程中的损失

       国内外很多企业,因为在加工过程中没有进行充分的防变色、防霉处理,导致木材进一步加工时或出口后出现变色,不得不刨掉或锯掉木材外观和端头已变色的部分,出口材还受到索赔,造成进一步的经济损失。

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2.3 延伸木材的使用寿命

       不仅湿木材在贮存、加工、运输过程中易发生变色、腐朽、虫蛀,木制品和木结构在使用过程中若不注意防护,其使用寿命也会大打折扣,进行维修、替换就必然要使用更多的木材,这也是一种经济损失。

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2.4 扩大木材的用途

       新型木材防腐剂的开发与应用,使防腐木材的安全性大大进步。防腐木材的应用范围扩大,尤其是户外应用,如儿童游乐设施、景观作品、园林木结构、水景步道、桥梁等。

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3 防腐剂的种类

       传统的木材防腐剂根据其介质和有效成分不同可分为 3大类:

3.1 焦油型(TO)

       焦油型防腐剂包括煤焦油和沥青等。

       它们多是煤炭和石油产品的副产品,主要用于铁路枕木等不影响环境美观的场所。

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       有机溶剂型(OS)

       有机溶剂型防腐剂主要是一些以有机溶剂为载体的化学防腐剂,该类防腐剂既可用于木材的表面处理,也可进行加压渗透处理。

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       水溶型(WO)

       水溶型防腐剂包括一些水溶性金属复盐类,主要有铜铬砷(CCA)、铜铬硼(CCB)等,其中 CCA 的使用量最大,约占水溶性防腐剂使用量的 60%。

       为了使该类防腐剂更能发挥作用,并减少对人的毒性和增加环境的安全性,常在真空加压法中使用。 

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       这些传统木材防腐剂取得了较好的防腐效果,但会对环境产生污染,并通过生物浓缩和食物链作用,使得药剂在生物体内积累、残留,甚至造成致癌、致畸、基因突变等慢性毒害,给环境和人体带来不利影响。

       目前,木材防腐剂正在向低(无)毒方向快速发展,一些新型防腐剂相继面世,更有植物源、动物源和微生物源中提取的生物质防腐剂,具有天然防腐性能,对人畜、环境无公害,是今后木材防腐研究的重要方向。

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3.2 铜基防腐剂

       以铜为主剂的防腐剂的研制,将被用来替代CCA等含铬、砷防腐剂。

       铜基防腐剂主要包括铜季胺盐(ACQ)、铜唑(CA)等,是继 CCA 之后出现的环保型保护剂,广泛应用于北美地区,在国内也展开了大量的研究和应用。

       铜基防腐剂以碱性溶剂溶解铜制成水溶液,这种防腐剂在使用过程中存在颜色灰暗、腐蚀金属、易长霉和抗流失性差等缺点。 

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3.3 硼基防腐剂

       尽管铜的毒性较低,但长期使用会在水体和土壤中蓄积,具有潜在危害,因此含铜等金属化合物的防腐剂也日益受到国际社会的质疑,特别是在欧洲国家,不含重金属的防腐剂已成为很多国家研究和应用的新方向。

       硼盐因具有毒性低、抗菌防虫、阻燃等多功能特性,是木质门窗、桁架等产品的常用保护剂。硼酸和硼砂是应用较早的防腐防变色剂,已有50多年的历史,且至今未发现腐朽菌对硼盐会产生抗药性。

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4 生物质木材防腐剂

4.1 木材提取物

       木材是天然生长形成的有机物,90%以上的成分是纤维素、半纤维素和木质素等,剩下不到10%的木材提取物却对木材的性质起着至关重要的作用。

       这些提取物有的含有特殊的化学物质,有的具有独特的气味,有的具有毒性,可对木材腐朽菌、霉菌、虫蚁等产生不同程度的抑制和毒杀作用。

       木材提取物根据提取来源不同,又可以分为芯材提取物、树皮提取物和树木根茎叶、果实、种子等提取物。 

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4.2 中药活性成分

       经研究发现,一些中药成分对细菌的细胞壁结构和细胞质产生了破坏,从而抑制了细菌的生长,并且通过抑制细菌蛋白和酶的合成,抑制DNA的合成,菌体逐步解体直至死亡。

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4.3 植物精油

       植物精油是从草本植物的根、茎、叶、花、果实和种子等提取的芳香物质,分子小,易被细胞吸收。柑橘类植物的挥发性成分是一种特有的芳香类物质,可作为防虫剂使用,已经被建议用作木材防腐剂。

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4.4 壳聚糖及其衍生物

       除了来自植物源的提取物,来自动物源的提取物壳聚糖及其衍生物的抑菌效果也不容小觑。

       壳聚糖又称脱乙酰甲壳素,从虾、蟹等甲壳动物中提取,是一种天然碱性高分子多糖,具有无味、无臭、无毒的特性,易溶于弱酸性溶剂。

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4.5 拮抗菌

       拮抗菌是指一种真菌,通过产生某种物质对另一种真菌的生长产生抑制作用。

       拮抗作用是微生物界的普遍现象,某种生物所产生的某种代谢产物可抑制其他种生物的生长发育,甚至杀死他们。

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       生物质木材防腐剂有着传统木材防腐剂无可比拟的优势,它取自自然界动、植物等生物质,原料范围广,且无毒无害,并可自然降解,不会对人体及环境产生不利影响。

       但是就目前的工艺而言,提纯难度大,工业化生产效率不高,国内外对其研究还不够成熟,尽管如此,其安全高效的优势决定其必然是今后木材防腐剂的发展趋势。 

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5 防腐工艺

       木材的多孔性使其能够采用多种方式注入防腐剂,如浸泡、涂刷、喷淋、真空加压等。不同的木材渗透性不同,不同生物危害等级中使用的木材载药量和渗入度要求也不同,工厂要根据需要选择合适的防腐工艺。

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5.1 浸泡、涂刷和喷淋

       浸泡、涂刷和喷淋法,防腐剂的保持量以及渗人深度都不会很大,只能使防腐剂进入木材表层,且分布不均匀,适合使用在较容易渗透的木材上。

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5.2 冷热法

       冷热槽处理是常压下效果最好的处理方法,利用木材从热剂到冷剂产生的空气压力差吸收药剂,渗透效果优于直接浸渍法,但仍限于表面处理,适用于对防腐要求不高的木材处理。

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5.3 加压注入法

       加压注入是最常用的木材防腐处理方式,在美国约 90%以上的防腐木采用加压处理。

       加压处理前抽真空能够排出木材中的空气,有利于防腐剂的进入。

       难渗透木材需要采用频压增加防腐剂处理的保持量和渗透深度。有些尺寸大或者难渗透的木材还需要先刻痕再处理。

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5.4 扩散法

       扩散法是运用的分子扩散规律, 主要是利用的木材之中的水分。水载防腐剂会从高浓度向低浓度进行扩散, 让防腐剂成分能够被输送到木材之中。

       扩散法对于新采伐木材或含水率高的木材处理效果好,但由于处理时间长,大规模处理较少,但在古建筑维护和木门窗、柱子等防腐处理中有应用。

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5.5 气相处理

       气相处理可以使药剂充分进入木材细胞壁,实现利用少量药剂达到高效防腐的目的。

       这些处理药剂通常不与木材发生反应,药剂也很难留存与木材中,因此起到暂时的保护作用。

       若选择合适的药剂和气相处理方式结合,使药剂能留存于或者反应在木材上,就能实现长效防护。

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       纵观国内外木材防腐行业的发展,防腐剂的配方已经从以重金属元素为主迈向以非金属或有机杀菌剂为主,适应环境保护的非金属防腐剂配方将成为未来木材防腐剂发展的方向。

       此外,以木材改性为主、防腐剂为辅的综合保护工艺,将成为解决木材腐朽、开裂和虫蛀等问题的重要途径。

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