中草药释香型刨花板的制备及其性能

2022-05-24李善明樊正强黄成福何伟赵海誉文天国彭立民

林业工程学报 2022年3期

李善明，樊正强，黄成福，何伟，赵海誉，文天国，彭立民*

(1. 中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091； 2. 广东艾高智能家居有限公司，佛山 528051；3. 中国中医科学院中药研究所，北京 100700；4. 云南新泽兴人造板有限公司，昆明 650499)

木材作为人们最喜爱的家具和室内装修材料之一，其对居住环境的贡献及作用与木材的视觉特性、听觉特性、触觉特性、温湿度调节特性、保健特性等有关，给人们带来生理和心理上的舒适体验[1-2]。其中，木材的保健特性是指木材内含有的挥发物与抽提物散发出的香气等气味对人体保健作用的特性，有益于人们休憩、娱乐和健康，多数树种的木材精油均具有杀菌作用，对呼吸系统有益，同时也能带来疏解紧张情绪、镇静神经等效用[3-4]。对于实木家具，木材的特殊气味是消费者选择的一个重要标准。近年来，以板材家具为主的人造板材料对人体嗅觉的刺激效应引起人们的广泛注意，尤其是甲醛和总挥发性有机化合物(TVOC)带来的气味问题[5-6]。为解决异常气味问题，国内外学者开发低甲醛或无甲醛胶黏剂，开发除味剂以及添加香料[7-8]，而人造板气味的保健特性却较少关注。

芳香类中药种类繁多，如艾叶、藿香、川芎、白芷、薄荷、丁香、沉香等，其挥发油等气味物质具有抗菌、杀菌、驱虫等作用，同时对预防流感、疫病都有一定作用，对人体有保健作用[9]。例如药理学研究表明，艾叶挥发油具有抗菌、抗病毒、平喘镇咳祛痰、抗过敏、镇静、免疫等药理作用[10]。目前芳香类中药的药理研究及成分研究较多，但芳香类中药与人造板复合成新型释香型板材的研究较少。

为实现“四个面向”中的“面向人民生命健康”，笔者尝试将以艾草为主的中草药应用于人造板中，研究中草药添加释香型刨花板(简称释香板)的制备工艺，以期为释香型刨花板的工业化生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

松木、桉木为主的刨花，外购；艾叶购自凉山蓝艾生物科技有限公司；藿香、苍术、白芷、川穹、石菖蒲购自成都国际贸易城中草药市场。

1.2 试验设备和仪器

德国DIEFFENBACHER(迪芬巴赫)刨花板连续平压生产线、MWD-W10型万能力学测试仪(济南时代试金仪器有限公司)、JQ-1000型1立方气候箱(北京光华启明烽科技有限公司)、GCMS-TQ8040NX型顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用仪(日本岛津)等。

1.3 试验方案

中草药粉为多种中草药(艾叶、藿香等)组成，组合配方由中国中医科学院中药研究所提供，按一定质量比混合后打粉，粉末粒径350～500 μm。艾叶杆由艾叶和茎秆组成，切段，艾叶由叶子组成，切段，处理条件分成5组：①未添加样(对照组)；②表层1 kg中草药粉(上下表面各0.5 kg)，芯层1 kg中草药粉，记为AP-1组；③芯层1 kg中草药粉，芯层0.4 kg艾叶杆，记为AP-2组；④芯层1 kg中草药粉，芯层0.3 kg艾叶，记为AP-3组；⑤表层1 kg中草药粉(上下表面各0.5 kg)，芯层0.3 kg艾叶，记为AP-4组。其中，中草药粉和艾叶等的质量按照尺寸2 440 mm×1 220 mm×18 mm、密度0.70 g/cm3刨花板计算添加。胶黏剂采用改性后的脲醛树脂胶黏剂，芯层胶固含量65%，施胶量8%；表层胶固含量50%，施胶量12%；除醛剂7%。中草药粉直接加入刨花中混合拌胶，艾叶和艾叶杆单独施胶，施胶量较粗刨花施胶量增加约8%。所有板材均在云南新泽兴人造板有限公司制备，采用28.9 m长连续平压线，热压温度150～240 ℃，压速为320 mm/s，经过含水率平衡后的板材含水率约7%。

1.4 试验方法

参照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》测试试样密度、弹性模量、静曲强度、2 h吸水厚度膨胀率、内结合强度、表面胶合强度、握螺钉力和甲醛含量(穿孔法测试)。试样取自单张2 440 mm×1 220 mm×18 mm样板，且试样数按GB/T 4897—2015《刨花板》要求制取。参照GB 18580—2017《室内装饰装修材料人造板及其制品中甲醛释放限量》气候箱法测试甲醛释放量，测试试样为2块500 mm×500 mm×18 mm的双面暴露未贴面的刨花板。参照LY/T 3230—2020《人造板及其制品挥发性有机化合物释放量分级》测试TVOC浓度，测试试样为3块500 mm×340 mm×18 mm的双面暴露未贴面的刨花板。

参照LY/T 3236—2020《人造板及其制品气味分级及其评价方法》，将200 g样品(尺寸为25 mm×25 mm×18 mm，多块)预处理后，放入广口玻璃瓶中，盖上盖子，放入(65±2)℃的烘箱中，加热2 h后，取出并置于(20±2)℃环境下冷却1 h后进行气味分级评定。评价小组由3名成员组成，以至少2名成员认定的等级作为试样的最终气味等级。

挥发性成分分析采用顶空固相微萃取-气相色谱(GC)-质谱(MS)联用仪进行测试。将固体试样粉碎，取试样1 g。固相萃取条件为老化温度250 ℃，加热温度60 ℃，平衡时间0 min，萃取时间30 min，解析时间5 min。气相色谱条件为起始温度60 ℃，保持1 min，以20 ℃/min的速度升至160 ℃，保持3 min；以2 ℃/min的速度升至180 ℃，保持5 min；最后以5 ℃/min的速度升至230 ℃，保持5 min；分流比为10∶1，流速为1.0 mL/min。质谱条件为电子轰击能70 eV，离子源温度200 ℃，扫描范围30～550 u。利用检索NIST17库的方法进行定性分析，利用峰面积百分含量进行半定量分析。

参照QB/T 4371—2012 《家具抗菌性能的评价》附录B的贴膜法测试试样抗菌性能，检测用菌为大肠杆菌(Escherichiacoli)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)，每个菌种测试3个试样。

2 结果与分析

2.1 物理力学性能

释香板的密度测定结果见图1a。由图1a可知，释香板的密度相对于未添加中草药的对照组均有所降低，密度最低的AP-1组为0.693 g/cm3，相比对照组降低了3.25%，密度最高的AP-4组为0.705 g/cm3，相比对照组降低了1.50%，均与目标密度0.700 g/cm3差异较小，说明中草药添加对新型板材的密度影响较小。释香板的2 h吸水厚度膨胀率见图1b。由图1b可知，释香板的吸水厚度膨胀率95%分位值均比对照组有所增加，但依然在国标的8%以内，因此，释香板的2 h吸水厚度膨胀率均满足国标要求。从结果可知，AP-4组的生产工艺对2 h吸水厚度膨胀率的影响最小。

图1 释香板的密度(a)和2 h吸水厚度膨胀率(b)Fig. 1 Densities (a) and 2-h water absorption thickness swelling rates (b) of fragrant particleboards

为保证释香板的正常加工使用，其强度需满足相关加工工艺要求。对照组和不同工艺释香板的弹性模量(MOE)和静曲强度(MOR)的性能指标见图2。由图2可知，释香板的MOE5%分位值均大于对照组。从MOE5%分位值分析可知，AP-3组MOE最大，为3 154 MPa，相比对照组增加52.5%，AP-4增加最少，相比对照组增加27.5%。其增加的原因可能来源于中草药粉的添加，导致释香板的复合成分及微观组织发生了较大的变化，加大了释香板对弹性变形的抵抗力，且中草药粉对MOE的影响比艾叶/艾叶杆更显著。AP-3组MOR的平均值和5%分位值也最大，但各组的MOR值相差不大，表明中草药的添加对MOR的影响不显著。

内结合强度是反映基材内部刨花之间胶合质量好坏的关键指标，释香板和对照组的内结合强度如图3a所示。从图3a中可知，对照组和AP-1、AP-2组的内结合强度5%分位值接近，分别为0.384，0.390和0.402 MPa。而AP-3组的内结合强度5%分位值为0.324 MPa，低于国标要求的0.35 MPa，为不合格产品，其值低于AP-2组的原因是艾叶的强度低于艾叶杆的强度，导致艾叶与刨花的胶合强度低于艾叶杆与刨花的胶合强度。AP-4组的内胶合强度5%分位值最高，为0.450 MPa，相比对照组增加17.2%，这主要是由于艾叶单独施胶增加了施胶量引起的。表面胶合强度是指覆面材料与基材的胶结合强度，对于本研究对象未覆面的刨花板素板来说，主要指表层细刨花层的胶合强度。由于AP-2和AP-3两组不改变表层，AP-1和AP-4两组都是同一条件(表层添加1 kg中草药粉)，且AP-4组的整体理化性能优于AP-1组。因此，只测试了对照组和AP-4组的表面胶合强度，其5%分位值分别1.30和1.26 MPa，表明中草药的添加对表面胶合强度影响不大。

图2 释香板的弹性模量(a)和静曲强度(b)Fig. 2 Modulus of elasticity (a) and modulus of rupture (b) of fragrant particleboards

图3 释香板的内结合强度(a)和握螺钉力(b)Fig. 3 Internal bonding strengths (a) and holding forces for nail and screw (b) of fragrant particleboards

刨花板用于家具板材，对握钉力性能有一定的要求和具体指标，以保证家具整体承载能力的稳固性。不同组刨花板的握螺钉力测试结果如图3b所示。由图3b可知，中草药添加对于握螺钉力的影响不明显，AP-1和AP-2组的握螺钉力与对照组接近，而AP-3和AP-4组板面的握螺钉力分别比对照组高5.0%和7.6%，但板边的握螺钉力分别比对照组低2.1%和5.0%，但均大于国标要求值(板面握螺钉力≥900 N，板边握螺钉力≥600 N)。因此，释香板的握螺钉力都满足要求。

综上所述，从释香板的物理力学性能可知，AP-4组的综合物理力学性能最优，其性能与GB/T 4897—2015中干燥状态下使用的家具型刨花板(P2型)的差异见表1，性能均满足标准。同时，AP-4组既控制了添加中草药的成本，又满足了芯层剖面能看到艾叶的直观视觉，因此，以AP-4组为对象测试其他性能。

表1 释香板的物理力学性能与国家标准的比较Table 1 Comparison of physical and mechanical properties and national standards of fragrant particleboards

2.2 甲醛释放量和气味分级

分别按照国标，采用穿孔萃取法和1立方气候箱测试AP-4组的甲醛释放量，其测试值为：穿孔萃取法每100 g 2.4 mg；1立方气候箱0.041 mg/m3。根据GB/T 39600—2021《人造板及其制品甲醛释放量分级》中3个等级的限量值，AP-4组的甲醛释放量≤0.050 mg/m3，为E0级，满足目前标准对环保型板材的要求。后续如开发新型释香板，甲醛释放量为达到ENF级，宜从根源上去除甲醛的添加，可将释香板的胶黏剂变更为异氰酸酯胶(MDI胶)或大豆蛋白胶等无醛胶。

参照LY/T 3236—2020，采用人工嗅辨法对释香板进行气味分级，结果见表2。由表2可知，评级人员评定对照组为1级，稍有气味，且为桉木香味。而4组释香板均评定为2级，气味明显，但气味不令人难受，且有明显中草药味，部分评级人员对这股中草药味评定为3级(明显让人感觉难受的气味)。这主要是由于中草药中的主要成分艾叶的气味，对于不同人，其嗅觉感官有差异。同时，本研究将放置60 d的释香板素板(AP-4组)重新再评级测试，得到的结果依然为2级，说明释香板的气味可维持一定时间，具体气味释放维持时间需进一步通过试验验证。

表2 释香板气味分级评定结果Table 2 Odor rating results of fragrant particleboards

为进一步对释香板的气味成分进行分析，利用顶空固相微萃取-GC-MS方法分别对对照组、中草药粉末、艾叶精油和AP-4组进行测试试验，得到挥发性成分总离子流图如图4所示。由图4可知，AP-4组和对照组的主要色谱峰很接近，AP-4组在保留时间25～30 min时相比对照组出现较多小峰。从中草药粉末的总离子流图看出，25～30 min存在较多的峰，而艾叶精油并不多，说明AP-4组在保留时间25～30 min出现的峰多来自去除艾叶的其他几种中草药的挥发性物质。

图4 释香板挥发性成分总离子流色谱图Fig. 4 Total ion chromatogram (TIC) of essential oil of fragrant particleboards

通过检索NIST17数据库，以相似度>80%为依据，并结合相关参考文献[10-12]，初步鉴定出释香板挥发性物质的主要成分，采用峰面积归一化法计算出各成分的相对含量(质量分数)，部分成分分析结果如表3所示。通过数据库定性48种物质，包含3种醛类、20种醇类、6种酮类、3种酯类、11种烯类及5种其他类，以醇类和烯类物质为主，占64.6%。其中，对照组定性出32种挥发性物质，中草药粉末组定性出26种物质，艾叶精油组定性出21种物质，AP-4组定性出29种物质。对照组本身具有较多的挥发性物质，这主要来源于木质刨花所产生的挥发性物质[12]，以桉油醇、1,5-庚二烯-4-醇、樟脑、品烯-4-醇和松油醇等醇类挥发性物质为主。AP-4组的挥发性物质除了有来自木质刨花的，还有来自添加中草药粉末的一些特征有益挥发性成分，如细辛醚、茅术醇、广藿香醇和洋川芎内酯等。其中，细辛醚主要来自石菖蒲[13]，茅术醇来自苍术[14]，广藿香醇来自藿香[15]，洋川芎内酯来自川穹[16]。艾叶的主要挥发性物质与对照组很接近，没有找到特别显著的特征挥发性物质，同样作为添加物的白芷也未能确定特征挥发性物质。

表3 释香板挥发性成分分析部分结果Table 3 Part of analysis results of volatile components of fragrant particleboards

因中草药的添加使得板材TVOC种类和浓度增加，为满足LY/T 3230—2020要求，测定了TVOC质量浓度，测试结果为90 μg/m3，满足TVOC释放量I级要求(≤220 μg/m3)。从结果可知，通过控制添加量和生产工艺，释香板的挥发性有机物有所增加，但不会超过标准要求，这也与气味分级结果是等效的。

2.3 抗菌性能

测定释香型刨花板素板的抑菌率，菌种为革兰氏阴性菌代表大肠杆菌，革兰氏阳性菌代表金黄色葡萄球菌，测试结果见表4。本次试验条件下，对照组生长的大肠杆菌平均活菌数为1.4×104CFU/样，24 h后活菌数达到3.0×107CFU/样，没有抑菌效果；金黄色葡萄球菌测试结果相同。而添加中草药的AP-4组样品，24 h的平均活菌数<20 CFU/样，计算抑菌率>99%，具有显著的抗菌效果。其抗菌效果主要来自中草药添加，其挥发性气味具有一定的抗菌效果[17]。