CC BY
103
Химия растительного сырья. 2005. №1. С. 59-63.
УДК 630*86: 674.031.21:547.47:674.048/049
ЗАЩИТНЫЕ СОСТАВЫ ДЛЯ ДРЕВЕСИНЫ НА ОСНОВЕ СУБЕРИНА КОРЫ БЕРЕЗЫ
© И.Г.Судакова, И.П.Иванов, Н.М. Иванченко, Б.Н.Кузнецов
Институт химии и химической технологии CO РАН, ул. К. Маркса, 42,
Красноярск 660049 (Россия) E-mail: [email protected]
Изучено влияние концентрации суберина и неорганических добавок на био- и огнезащитные свойства составов, полученных на их основе. Установлено, что борсодержащие защитные составы на основе суберина коры березы и лигнина могут быть применены для комбинированной био- и огнезащиты древесных строительных материалов.
Введение
Поражение дереворазрушающими грибами и плесенью, а также горючесть - недостатки древесины, ограничивающие область применения лесоматериалов в строительстве, ухудшающие эксплуатационные свойства деревянных конструкций и покрытий.К способам защиты древесины от гниения и горения относятся сушка (естественная, искусственная), конструктивные меры по предотвращению увлажнения конструкций, пропитка древесины антисептиками и антипиренами [1].
Комбинированные неорганические био- и огнезащитные составы часто содержат токсичные соединения металлов, хлора, фтора, а также концентрированные кислоты, оказывающие раздражающее действие на кожу человека, и при горении которых образуются диоксины - канцерогенные вещества [2].
Дерево, имеющее сложное строение, приспосабливается к условиям внешних воздействий. В природе кора защищает внутренние слои дерева от инфицирования дереворазрушающими грибами, а после применения древесины в качестве строительного материала необходима ее дополнительная защита. Березовая кора содержит вещество (суберин), которое может быть использовано и для защиты древесных материалов [3-5].
В ряде работ [6-8] отмечается, что для снижения биоразрушения и горючести лигноуглеводных материалов успешно применяются борсодержащие производные целлюлозы и сульфатный лигнин, выделенный из отработанных щелоков сульфатной варки древесины.
Изыскание новых защитных средств для древесины требует разработки многокомпонентного препарата направленного действия, подавляющего жизнедеятельность разных видов грибов, снижающего горючесть, способного прочно фиксироваться в древесине и являющегося экологически безопасным. В связи с этим представляет интерес изучение возможности получения защитных составов для комбинированной защиты древесины от гниения и горения на основе суберина коры березы.
Цель настоящей работы заключается в изучении возможности использования борсодержащих составов на основе суберина и лигнина для комплексной защиты древесины от поражения деревоокрашивающими грибами и снижения ее горючести.
Экспериментальная часть
Для исследования были использованы образцы суберина, полученные спирто-щелочной экстракцией бересты березы повислой (Betula pendula Roth.) (Красноярский край, Манский район) по методике [9].
* Автор, с которым следует вести переписку.
Выделение суберина из щелочного экстракта проводили методом низкотемпературного осаждения разбавленными (0,1 М) минеральными кислотами HCl и H2SO4, а также раствором низкомолекулярного лигнина (НМЛ) в СН3СООН, образующимся при получении микрокристаллической целлюлозы из древесных опилок по методике [10].
Биозащитную способность составов на основе растворов суберина определяли по ГОСТ 30028.4-93 на образцах древесины заболони сосны с влажностью 100% и размерами 10*55*75 мм (последний размер по длине волокон).
В качестве тест-организмов использовали следующие виды микромицетов: Aspergillus terreus; Aspergillus niger; Penicillium chrysogenum; Paecilomyces variotti; Trichosporium cheteromorphum; Aspergillus henne-bergii; Aspergillus flavus; Penicillium cyclopium; Penicillium purpurogenum [7].
Огнезащитную способность растворов суберина оценивали по потере массы образца древесины (масс.%) при огневых испытаниях, согласно ГОСТу 30028.3-93.
Испытания проводили на образцах, изготовленных из прямослойной воздушно-сухой древесины заболони сосны с влажностью 8,2% и размерами 15*15*6 мм (последний размер вдоль волокон).
Защитные составы готовили весовым и объемно-весовым способами. В качестве растворителя использовали скипидар, обеспечивающий интенсивное и глубокое проникновение исследуемых защитных составов в капилляры древесины [11].
В большинстве случаев гниение древесины вызывается повышенным увлажнением конструкции. Для того, чтобы избежать, излишнего увлажнения и связанных с ним неприятных последствий, необходима предварительная обработка древесных конструкций специальными химическими веществами - антисептиками и покрытие защитными пленкообразующими веществами.
Нанесение испытуемых защитных составов на образцы древесины осуществляли путем погружения их в состав таким образом, чтобы толщина слоя состава над верхней гранью образца была не менее 5 мм. Время выдержки образцов в защитном составе составляло 1 мин.
Испытания по определению биозащитной способности составов на основе суберина по отношению к деревоокрашивающим и плесневым грибам осуществляли путем выдержки образцов древесины, пропитанных антисептическими составами во влажных камерах, работающих по принципу «замкнутое пространство - запас влаги» с большой поверхностью испарения, в условиях, максимально благоприятных для их взаимодействия с биологически активными средами [12]. Продолжительность испытания составляла 15 сут.
Критериями оценки биозащитных свойств исследуемых композитных составов были выбраны:
1 - средняя площадь поражения грибами, определяемая как отношение суммы площадей, пораженных грибами, к общей площади образца;
2 - стадия развития грибов на образцах.
Результаты и обсуждение
Результаты, полученные при проведении исследований по биозащитной способности борсодержащих композитов на основе суберина и лигнина, представлены в таблице 1.
Как следует из данных таблицы 1, суберин, выделенный из щелочного экстракта минеральными кислотами, обладает среднеэффективными, антисептическими свойствами. При этом микромицеты Penicillium, Paecilomyces variotti и Trichosporium cheteromorphum полностью не ингибировались, наблюдалось разрастание мицелия. Для микромицетов Aspergillus замедлялось развитие спор и рост гиф. Добавление к суберину соединений бора (H3BO3 и H3BO3 + Na2B4O7) в количестве 3% масс. повышает эффективность биозащиты древесины, снижая площадь поражения грибами в 1,5-1,6 раза. Получаемые композиты замедляют поверхностное развитие мицелия для всех микромицетов, а стадия спороношения Aspergillus на исследуемых образцах древесины отсутствует.
Составы на основе суберина, выделенного из щелочного экстракта уксуснокислым раствором НМЛ, обладают более высокими фунгицидными свойствами, ингибируя развитие колоний изученных микроми-цетов на ранних стадиях их развития. Введение 3% добавки буры или смеси буры с борной кислотой в соотношении 1 : 1 в биозащитный состав на основе суберина, выделенного уксуснокислым раствором НМЛ, снижают степень поражения древесины в 2,1-2,5 раза и переводят полученные защитные композиты в класс высокоэффективных средств. Испытуемые образцы древесины после 15 дней выдержки в среде благоприятной для жизнедеятельности деревоокрашивающих грибов и гнили имели, практически, чистые поверхности при визуальном осмотре и под микроскопом.
Таблица 1. Оценка биозащитных свойств композитов на основе суберина и лигнина
Биозащитный состав, композиты Средняя площадь поражения грибами, % Средняя стадия развития грибов, баллы Классификация защитного средства по ГОСТу 30028.4-93
Суберин + НС1/Н2Б04 27,4 3 Среднеэффективные
Суберин + Ка2Б407(3 % масс.) 18,9 1 Эффективные
Суберин + Н3Б03 + Ыа2Б407 (3 % масс.) 16,3 1 Эффективные
Суберин + НМЛ 21,5 2 Эффективные
Суберин + НМЛ+ Ыа2Б407(3 % масс.) 10,0 0 Высокоэффективные
Суберин + НМЛ + Н3Б03 + Ыа2Б407 (3 % масс.) 8,7 0 Высокоэффективные
Защитный композитный состав, включающий суберин - пленкообразующее вещество, препятствующее увлажнению образцов древесины, а также соединения бора и лигнин - антисептические вещества, дезинфицирующие их поверхность, может быть применен в качестве эффективного биозащитного средства для древесины.
Как известно, недостаточно какого-либо одного способа защиты древесины - она должна быть комплексной. Чтобы избежать многократной и довольно трудоемкой обработки древесины разными защитными составами, разрабатываются комбинированные составы, содержащие сразу все составляющие -от антисептиков и антипиренов до пленкообразующих добавок для защиты от атмосферных влияний.
Поэтому следующим этапом исследования явилось изучение огнезащитной способности борсодержащих композитов различного состава на основе суберина и лигнина, обладающих биозащитными свойствами.
Нанесение испытуемых защитных составов на образцы древесины осуществляли путем погружения их в состав со временем выдержки 30 мин.
Результаты влияния концентрации суберина в огнезащитном композите на пропиточную емкость древесины приведены в таблице 2.
Из полученных данных следует, что при повышении концентрации суберина в составе с 10 до 20% масс. пропиточная емкость образцов древесины монотонно снижается, в среднем в 1,1 раза, для всех композитов на основе суберина, выделенного минеральными кислотами. Дальнейшее повышение концентрации суберина до 50% масс. незначительно изменяет пропиточную емкость образцов, тогда как при обработке образцов древесины композитами на основе 100% суберина наблюдается ее значительное уменьшение ~ в 1,5 раза.
В то же время наблюдался иной характер изменения пропиточной емкости образцов древесины при увеличении в защитных составах концентрации суберина, осажденного уксуснокислым раствором НМЛ. Так, уже при увеличении концентрации суберина в огнезащитном составе до 20% масс. происходит снижение пропиточной емкости образцов древесины в 1,3 раза. Дальнейшее повышение концентрации суберина снижает пропиточную емкость образцов незначительно для всех испытуемых защитных составов.
Данный характер изменения пропиточной емкости образцов древесины, по-видимому, связан со снижением подвижности суберина при увеличении его концентрации в исследуемых огнезащитных составах. Однако при выделении суберина из щелочного экстракта бересты раствором уксуснокислого НМЛ происходит их совместное осаждение, что снижает подвижность и проникающую способность состава в объем древесных образцов.
Испытание огнезащитной способности образцов древесины, обработанных составами с различной концентрацией суберина, представлены в таблице 3.
Таблица 2. Пропиточная емкость огнезащитных составов
Концентрация
Пропиточная емкость, кг/м
суберина, %масс. НС1/Н2Б04 Ыа2Б407 (3 % масс.) Н3Б03 +№^07 (3% масс.) НМЛ НМЛ+ №^07 (3% масс.) НМЛ + Н3Б03 +№^07 (3% масс.)
10 179,3 168,4 171,2 149,9 151,8 150,3
20 155,4 155,0 163,4 115,7 117,3 116,3
50 153,7 150,6 156,3 112,4 116,3 113,4
100 127,8 126,9 120,0 102,9 105,1 103,4
Таблица 3. Потеря массы образцов древесины, обработанных защитными составами, при горении
Концентрация Потеря массы образца, %масс.
суберина, НС1/Н2Б04 Ка2Б407 Н3БО3 + №^07 НМЛ НМЛ+ Ка2Б407 НМЛ + Н3БО3 +Ка2Б407
%масс. (3 % масс.) (3 % масс.) (3 % масс.) (3 % масс.)
10 61,4 27,2 23,5 49,1 21,7 19,7
20 35,7 12,8 10,7 22,4 10,4 10,1
50 24,9 10,1 9,3 19,4 8,3 7,9
100 22,9 8,3 8,1 19,2 8,0 7,7
Как следует из полученных данных (табл. 3), увеличение концентрации суберина, выделенного минеральными кислотами и уксуснокислым раствором НМЛ, до 20% масс. в защитных составах приводит к снижению потери массы древесных образцов при горении практически в 2 раза. Дальнейшее повышение содержания суберина в композитах уже не оказывает столь существенного влияния на уменьшение потери массы образцов при огневых испытаниях.
В то же время введение в композиты на основе суберина, осажденного из щелочных растворов, как минеральными кислотами, так и уксуснокислым раствором НМЛ, неорганических добавок (соединения бора) снижает потерю массы древесных образцов при сжигании практически в 2,5 раза при увеличении концентрации суберина в огнезащитном композите с 10 до 100%.
По-видимому, под воздействием пламени соединения бора разлагаются, забирая у древесины тепло (охлаждают ее), и одновременно препятствуют горению, а органические составляющие защитного композита образуют на поверхности «шубу», перекрывая доступ кислороду воздуха, необходимому для поддержания огня.
Таким образом, было установлено, что нанесенные на древесину композиты с концентрацией суберина 20-100%, проявляют огнезащитные свойства. Неорганические добавки, введенные в композиты на основе суберина, выделенного из щелочных экстрактов бересты, любыми осадителями, повышают их огнезащитную способность
Для определения класса огнезащитной способности композитов на основе суберина сжигание образцов проводили при заданном поглощении огнезащитного средства (ГОСТ 30028.3-93).
При поглощении защитного состава, обеспечивающем потерю массы образца древесины, равную 25% масс. (определяется по графику), не более 30 кг/м3 устанавливается 1 класс огнезащитной эффективности данного состава. При поглощении более 30, но менее 50 кг/м3, защитный состав относится ко 2 классу огнезащитной эффективности, а при поглощении более 50 кг/м3 - к 3 классу.
Данные результатов огневых испытаний полученных защитных композитов представлены на рисунке.
Как видно из представленных на рисунке данных, при использовании защитных составов 1 и 2 поглощение защитного средства (25% потеря массы образца при горении) составляет 42,3 и 34,3 кг/м3 соответственно. Это говорит о том, что защитные составы из суберина и суберина с НМЛ соответствуют 2 классу огнезащитной эффективности, и их применение переводит древесину в группу трудновоспламеняемых материалов.
Зависимость потери массы образца древесины при горении от поглощения защитного состава: 1 - суберин;
2 - суберин + НМЛ; 3 - суберин + №2Б407; 4 - суберин + Н3В03 + №2Б407
Введение в огнезащитные составы на основе суберина неорганических добавок 3 и 4-го типа приводит к снижению поглощения защитного состава (25%-ая потеря массы образца при горении) до 23,4 и 15,7 кг/м3 соответственно. Применение этих добавок повышает класс эффективности составов на основе суберина для огнезащиты древесины и переводит ее в группу трудносгораемых материалов.
Таким образом, испытанные защитные составы на основе суберина коры березы применимы для комбинированной защиты деревянных конструкций от огня и гниения. Добавление в защитные составы антисептиков (например, соли борной кислоты, лигнин и др.) не снижает их огнезащитных свойств.
Выводы
Исследованы свойства био- и огнезащитных составов и композитов на основе суберина коры березы, содержащих различные концентрации суберина и неорганические добавки.
Установлено, что составы на основе суберина, выделенного уксуснокислым раствором низкомолекулярного лигнина, с добавлением соединений бора могут применяться для эффективной биозащиты древесных строительных материалов.
Защитные составы на основе суберина, выделенного как минеральными кислотами, так и уксуснокислым раствором низкомолекулярного лигнина, обладают эффективными огнезащитными свойствами и переводят древесину в группу трудновоспламеняемых материалов. Применение неорганических добавок повышает эффективность огнезащитных свойств составов на основе суберина и переводит древесину в группу трудносгораемых материалов.
Показано, что борсодержащие защитные композиты на основе суберина бересты березы и лигнина могут быть применены для комбинированной био- и огнезащиты древесины и древесных строительных материалов.
Список литературы
1. Славик Ю.Ю., Гусаров Е.Ф. Препараты для огне-биозащитной обработки деревянных конструкций // Строительные материалы. 2003. №5. С. 42-43.
2. Цыганова Е.А., Мукменова Н.А., Зенитова Л.А. Негорючие фосфор-, бор- и хлорсодержащие добавки к полиуретанам // V-я Конференция по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия-99»: тез. докл. Нижнекамск, 1999. Т. 1. С. 148-149.
3. Михайлов Г.М., Серов Н.А. Пути улучшения использования вторичного древесного сырья. М., 1988. 224 с.
4. Кузнецов Б.Н., Левданский В.А., Еськин А.П., Полежаева Н.И. Выделение бетулина и суберина из коры березы, активированной в условиях взрывного автогидролиза // Химия растительного сырья. 1998. №1. С. 5-9
5. Судакова И.Г., Кузнецов Б.Н., Иванов И.П., Иванченко Н.М. Получение пленкообразующих материалов из суберина коры березы повислой // Химия растительного сырья. 2004. №1. С. 31-34.
6. Лусе И., Короткия Г., Чаксте З. Исследование особенностей химической защиты частично разрушенной древесины деревоокрашивающими и плесневелыми грибами // Химия древесины. 1993. №5. С. 64-72.
7. Добровольская Н.Г., Прохорчук Т.И., Кибасова Е.Н., Киприанов А.И. Исследование антисептических свойств сульфатного лигнина // Химия древесины. 1992. №1.С. 81-86.
8. Тюганова М.А., Бутылкина Н.Г. Синтез огнезащитных борсодержащих привитых сополимеров целлюлозы // Химия древесины. 1992. №4-5. С. 25-30.
9. Патент №2119503 РФ. Способ получения суберина из коры березы / В.А. Левданский, А.П. Еськин, Н.И. Полежаева, Б.Н. Кузнецов // БИ. 1998. №27.
10. Патент №2203995 РФ. Способ получения микрокристаллической целлюлозы / В.Г. Данилов, О.В. Яценкова, С.А. Кузнецова, Б.Н. Кузнецов // БИ. 2003. №5.
11. Дринберг С.А., Ицко С.Ф. Роль растворителей в технологии получения лакокрасочных материалов // Лакокрасочные материалы и их применение. 2003. №12. С. 3-7.
12. Ерофеев В.Т., Смирнов В.Ф., Завалишин Е.В., Смирнова О.Н. Исследование биологической стойкости лакокрасочных покрытий на основе композиций, содержащих жидкое стекло // Лакокрасочные материалы и их применение. 2003. № 6. С. 37-39.
Поступило в редакцию 8 апреля 2005 г.
