马尾松木材联苯菊酯防腐浸泡工艺研究

李 杰 李 伟 白建伟 刘 壮

（中林检验检测中心，重庆 401147）

木材是天然绿色的生物质材料，具有纹理美观、强重比高、可降解再生等优点，被广泛用在家具装饰、材料包装和户外建筑等领域，在我国经济发展中扮演了重要的角色[1]。根据第九次全国森林资源清查报告，我国人工林蓄积量已达到33.88 亿m3，其中，马尾松等优势人工林树种占我国人工林储量超过50%[2]。然而，未经防腐处理的木材易被木腐菌、白蚁等生物侵害，不仅造成了木材性能劣化和价值降低，更直接导致我国木材资源严重浪费[3-5]。防腐处理是增强木材耐腐能力的重要方式，对提升木材使用年限具有重要作用。

自18世纪以来，学术界已开始关注木材防腐剂防腐处理，此后研究人员先后开发了油类防腐剂、油载型防腐剂和水载型防腐剂[6-9]。与此同时，学术界也一直在探索效益高、效果好的化学药物。联苯菊酯是一种除虫菊酯类杀虫剂，具有广谱、高效性和耐光、耐水性，已经在多个国家注册用于农作物的新型合成菊酯[10]。研究发现经联苯菊酯喷涂或浸泡处理的木材能有效防止真菌和害虫的侵袭。在澳大利亚和新西兰，联苯菊酯处理的木材有较广泛的应用[11-13]。但我国木材联苯菊酯防腐处理研究较少[14]，防腐浸泡工艺研究尚不完善，企业在实际生产过程中缺乏理论指导，导致生产成本增加、生产效率较低，极大限制了我国防腐木出口核心优势。

本文以马尾松速生材为研究对象，以联苯菊酯为防腐剂，考察联苯菊酯浓度、浸泡时长和浸泡深度对马尾松木材增重率和载药量的影响，并优化出符合标准AS/NZS 1604.1:2021 标准要求的防腐处理工艺，为木材防腐工艺提供参考和借鉴，助力企业生产降本增效，提高我国防腐木材出口核心竞争力。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

试验所用木材为新采伐的马尾松，由CMH INTERNATIONAL LIMITED公司提供，将马尾松加工制成尺寸为300 mm×90 mm×45 mm（L×T×R）的锯材。试验所用防腐剂为油乳剂联苯菊酯，有效含量为10%，购自中国农科院植保所中保绿农集团。

1.2 仪器设备

试验所用仪器设备有电热鼓风干燥箱（101-2型，沧州极光试验机仪器有限公司公司），电子天平（JE1002 型，上海浦春计量仪器有限公司），气相色谱仪（SP-3510 型，北京北分瑞利分析仪器（集团）有限责任公司），自制的浸泡装置。

1.3 试验方法

1.3.1 正交试验设计

本研究考察马尾松木材浸泡时联苯菊酯浓度、浸泡时长和浸泡深度对载药量的影响，各试验因素分别设置三个水平，具体见表1。根据因素及水平设计正交试验。

表1 正交试验因素与水平Tab.1 Orthogonal experiment factors and level

1.3.2 浸泡处理

药剂配置：取25、50 、125 g联苯菊酯（10%有效含量）溶于适量水中，补水至溶液质量为25 kg，搅拌均匀，制备成0.01%、0.02%、0.05%的联苯菊酯防腐剂，备用。

浸泡处理：将马尾松试件在63 ℃的电热鼓风干燥箱中干燥至恒重，将环氧树脂与固化剂1 ∶1 混合均匀后对木材进行封端处理，待环氧树脂固化后记录马尾松试件质量m1。将马尾松试样置于浸泡装置中，加入联苯菊酯防腐剂，分别在浸泡6 、12 h和24 h后取出，样品在63 ℃的干燥箱中干燥至恒重，记录干燥后马尾松试件质量m2。每组样品3 个平行。

1.4 增重率测定

以木材增重率作为渗透性的评价指标，按下式计算马尾松试样增重率W。

式中：m1为试件浸泡前质量，g；m2为试件浸泡后质量，g。

1.5 载药量测定

试样中联苯菊酯载药量参照标准AS/NZS 1604.3:2021Preservative-treatedwood-basedproducts Part3:Test methods测定[15]，具体步骤为：切取试样表层（2 mm）木片，用植物破碎机粉碎并过5 目筛网，准确称取5 g左右过筛样品加入索式提取器中，加入80 mL甲醇，在90 ℃下提取2.5 h。取40 mL提取液转移至50 mL容量瓶中，向容量瓶中加入5 mL邻苯二甲酸二丁酯，用甲醇定容。用0.45 μm的尼龙过滤头过滤，收集滤液用于用配有自动进样器的SP-3510 型气相色谱仪分析联苯菊酯载药量。

2 结果与分析

2.1 不同浸泡工艺对增重率影响

根据试验方案进行不同防腐工艺浸泡处理，浸泡后试样增重率见表2。增重率是防腐剂在木材中渗透性最直观的表现，也是评估药剂是否进入木材细胞壁的重要因素。由表2 可知，当联苯菊酯浓度为0.01%，浸泡时长6 h，浸泡深度为50 mm时，马尾松增重率为0.07%，而当联苯菊酯浓度为0.05%，浸泡时长24 h，浸泡深度为150 mm时，增重率达4.29%，浸泡浓度和时长的变化都会导致增重率的变化，表明马尾松木材对联苯菊酯防腐剂具有良好的渗透性，这为防腐浸泡工艺的优化提供了前提。

表2 浸泡增重率正交试验结果极差分析Tab.2 Range analysis of orthogonal test results of soaking weight gain rate

由极差分析可知，各因素极差大小排列为：联苯菊酯浓度>浸泡时长>浸泡深度，表明浸泡工艺对增重率的影响主次关系为：联苯菊酯浓度>浸泡时长>浸泡深度。各因素水平对增重率的影响趋势如图1，由图可知，随着联苯菊酯浓度和浸泡时长的增大，增重率均呈增大趋势，其中，联苯菊酯浓度对增重率的影响更加明显。而浸泡深度的改变，增重率未发生明显变化。

图1 各因素水平对增重率的影响Fig.1 The influence of each factor level on weight gain rate

为进一步探讨浸泡因素对增重率的影响，对增重率进行了方差分析，结果见表3，联苯菊酯浓度和浸泡时长对增重率均具有显著影响，表明本试验条件下联苯菊酯浓度和时间是影响增重率的主要因素。

表3 浸泡增重率正交试验结果方差分析Tab.3 Immersion weight gain rate orthogonal test results variance analysis

2.2 不同浸泡工艺对载药量影响

前文分析了浸泡因素对增重率的影响，联苯菊酯浓度和浸泡时长是影响增重率的两个主要因素。在木材防腐浸泡过程中，增重率只能间接的评估浸泡效果，而载药量是评估浸泡效果的决定性参数，也是衡量木材防腐性能重要指标。

采用气相色谱仪采集联苯菊酯特征曲线，如图2，在内标物邻苯二甲酸二丁酯作用下，联苯菊酯标准样品（标液）特征峰出现在36.795 min，马尾松试件中联苯菊酯样品（样液）特征峰出现在36.848 min。马尾松试件浸泡后联苯菊酯载药量极差分析见表4，由极差分析可知，各因素极差大小关系为：联苯菊酯浓度>浸泡时长>浸泡深度，表明浸泡因素对载药量的影响主次顺序为联苯菊酯浓度>浸泡时长>浸泡深度。对载药量正交试验结果进行方差分析见表5，结果表明联苯菊酯浓度和浸泡时长对载药量具有显著影响，这与增重率结果一致。

图2 联苯菊酯气相色谱图Fig.2 Bifenthrin gas chromatogram

表4 载药量正交试验结果极差分析Tab.4 Range analysis of retention in the penetration zone orthogonal test results

表5 载药量正交试验结果方差分析Tab.5 Analysis of variance of orthogonal test results of retention in the penetration zone

各因素水平对载药量影响趋势如图3，随联苯菊酯浓度的增大，马尾松试件载药量快速增大，当浓度增大到0.05%时更为明显，表明随着联苯菊酯浓度的增大，更多的联苯菊酯与木材细胞壁中有效位点发生固着。浸泡时长的增加也会使载药量增大，但增加幅度比浓度的影响小，这是由于浸泡时长的增大可以使联苯菊酯有充足的时间渗透到木材细胞壁中。浸泡深度的变化对载药量无明显变化，说明在本试验中，浸泡深度几乎不会影响载药量。浸泡深度与渗透压呈正相关，但工厂在实际生产中，浸泡深度一般都非常小，不会引起渗透压的明显变化。

图3 各因素水平对载药量的影响Fig.3 The influence of each factor level on retention in the penetration zone

2.3 工艺优化

根据澳大利亚和新西兰标准AS/NZS 1604.1:2021Preservative-treatedwood-basedproductsPart1:Productsandtreatment可知，联苯菊酯处理的实木锯材最低载药量限值为0.02%[16]。本研究中，由于浸泡深度对载药量无明显影响，故不考虑深度因素。由表4可知，联苯菊酯浓度为0.01%时，浸泡时长为24 h时符合标准要求。联苯菊酯浓度为0.02%时，浸泡时长12 h和24 h均符合标准要求，其载药量分别达到0.029%和0.047%。而当联苯菊酯浓度增大到0.05%时，浸泡时长缩短至6 h即可符合标准要求，载药量达0.059%。根据单一指标进行优化工艺条件，浸泡浓度的优选工艺为0.01%，浸泡时长的优选工艺为6 h。企业生产时往往会以缩短工艺周期为参考，故本文以浸泡时长优选工艺条件，优化的联苯菊酯浸泡工艺为浓度0.05%，浸泡时长6 h，浸泡深度50 mm。

3 结论

本文以马尾松木材为研究对象，采用联苯菊酯防腐剂对马尾松木材进行浸泡处理，研究了浸泡工艺参数对马尾松木材增重率和载药量的影响，联苯菊酯浓度对增重率和载药量的影响最大，浸泡时长次之，浸泡深度最小。综合企业生产成本，以浸泡时长优选工艺条件，优化了马尾松木材联苯菊酯防腐浸泡工艺，优化的联苯菊酯浸泡工艺为浓度0.05%，浸泡时长6 h，浸泡深度50 mm，得到的马尾松木材载药量满足AS/NZS 1604.1:2021Preservative-treatedwood-basedproducts Part1:Productsandtreatment的限量值要求。