Биоцидные составы для обработки древесины

Биоциды для дерева на основе водных дисперсий полиэфиров

---

В настоящее время в России производство алкидных смол сосредоточено на больших производственных мощностях, и объемы их выпуска весьма значительны. Кроме того, в нашей стране выпускаются все сырьевые компоненты для их производства: глицерин, пентаэритрит, фталевый ангидрид, жирные кислоты таллового масла, дегидратированное талловое масло, растительные масла, органические растворители и др. В отличие от других пленкообразователей: акриловых, эпоксидных и полиуретановых, в производстве которых используют импортные компоненты, алкидные смолы можно производить полностью из отечественного сырья.

Однако алкидные смолы имеют ряд существенных недостатков. Прежде всего это длительное время сушки (до 72 ч), невысокая атмосферостойкость, низкая щелочестойкость и небольшая твердость. В то же время во всем мире растет производство водоэмульсионных (ВЭ) и водно-дисперсионных (ВД) ЛКМ. Эти материалы находят все большее применение как для внутренних работ, так и для окраски различных изделий и конструкций, эксплуатируемых в условиях открытой атмосферы. Существенным преимуществом этих материалов является возможность использования на влажных поверхностях. Однако покрытия на основе водных материалов недостаточно устойчивы к действию различных сред.

В связи с вышеизложенным разработка материалов, сочетающих преимущества водных и органорастворимых систем, весьма перспективна, поэтому и был разработан водно-дисперсионный полиэфирный лак ВД-ПЭ-064 (ТУ 2311-227-56271024-2013), в котором эти недостатки сведены к минимуму. Этот материал синтезируется на основе растительного масла и на 90% приготовлен из российского сырья.

В отличие от обычных водных дисперсий (поливинилацетатных, акриловых, акрилстирольных) лак ВД-ПЭ-064 обладает ускоренным высыханием и формирует более твердые покрытия с высоким блеском и атмосферостойкостью. Это обусловлено тем, что пленкообразование из дисперсий полиэфиров, содержащих непредельные связи, происходит по двум механизмам: за счет окислительной полимеризации и за счет физического высыхания вследствие испарения воды.

Наряду с металлами и силикатными материалами (бетон, кирпич) древесина составляет группу самых распространенных материалов, применяемых человеком. Ежегодно в нашей стране заготавливается около 200 млн м.куб. деловой древесины. Расход древесины в строительстве в 2 раза превышает по объему расход сборного железобетона. Однако в отличие от металлов и силикатных материалов, являющихся неорганическими веществами, древесина, будучи органическим материалом природного происхождения, служит источником углеродного питания для многих живых организмов.

Основными агентами биоповреждений древесины являются развивающиеся на древесине грибы (деревонаселяющие грибы), насекомые и некоторые гидробионты. В умеренных широтах на долю поражений грибами приходится около 90% всех биоповреждений древесины.

Биоповреждение древесины происходит в основном в результате использования грибами и насекомыми в качестве источника питания целлюлозы, лигнина и других компонентов. Бактерии по сравнению с грибами и насекомыми, непосредственно разрушающими волокна древесины, причиняют меньший ущерб и оказывают косвенное повреждающее действие.

Защита от биоповреждений древесины, деревянных конструкций, сооружений и изделий осуществляется комплексно, включая мероприятия по профилактике биоповреждений путем предотвращения увлажнения древесины (обеспечение вентиляции, эффективной гидроизоляции), рационального использования ее природных защитных свойств путем подбора соответствующих пород и разработки оптимальных конструктивных решений и самым распространенным в наше время способом применения химических средств защиты — биоцидов (в практике защиты древесины их называют антисептиками).

Учитывая все вышеизложенное, была проведена совместная работа по разработке биоцидных составов для древесины на основе воднодисперсионного лака ВД-ПЭ-064, который имеет технологические характеристики, приведенные ниже:

Внешний вид лака
......................................................................................................................... однородная жидкость белого цвета
Внешний вид пленки
......................................................................................................................... прозрачная без механических включений
Условная вязкость по ВЗ-246, 4, с
......................................................................................................................... 10–25
Массовая доля нелетучих веществ, %
......................................................................................................................... 50–60
рН дисперсии
......................................................................................................................... 8–9
Время высыхания пленки до ст. 3, ч
......................................................................................................................... 3
Твердость пленки по прибору ТМЛ, у.е.
......................................................................................................................... 0,2–0,25

Разработка биоцидных составов

В данной работе использовались биоциды фирмы «Lonza»:

• Proxel TN–11HD133650;
• Zinc Omadine ZOE Dispersion 1203433492;
• Omacide IPBC30–1000SAMPLE.

Цели данной работы:

• разработка экологически полноценного биоцидного состава на основе лака ВД-ПЭ-064;
• биологические испытания биоцидного состава от разрушительного действия грибков и водорослей — внутрипленочные испытания;
• биологические испытания биоцидного состава от действия бактерий — внутритарные испытания.

Для первичных испытаний были взяты 4 образца материалов (3 образца лака разной концентрации и образец сиккатива):

1. Образец А — лак ВД-ПЭ-064 (50%).
2. Образец В — лак ВД-ПЭ-064 (40%).
3. Образец С — лак ВД-ПЭ-064 (30%).
4. Образец сиккатива для водных дисперсий, который с целью чистоты эксперимента оценивался на стойкость к микробиологическому воздействию.

Испытания

Первоначальная оценка образцов:

Питательный раствор и солодовый агар были покрыты лаком ВД-ПЭ-064, методом налива. Зараженные микроорганизмами образцы были разбавлены стерильным физиологическим раствором и включены
в питательный раствор и агар для фиксации заражения микроорганизмами. К тому же необходимо было оценить изменение в образцах рН, поскольку это один из основных показателей устойчивости водных дисперсий.

Образцы с питательным раствором были инкубированы при 30 °С в течение 2 дней, а образцы с солодовым агаром — при 25 °С в течение 5 дней. После инкубации образцы визуально оценивались на рост микроорганизмов (табл. 1).

Величина рН дисперсий практически не изменилась, оставшись в слабощелочной области, что говорит об их хорошей устойчивости. На основе лака ВД-ПЭ-064 были разработаны биоцидные составы для защиты древесины.

Внутритарные испытания:

Для оценки лака ВД-ПЭ-064 в таре на устойчивость к различным бактериям по рекомендации производителя образец для испытаний готовили путем добавления к 40 г лака внутритарного биоцида Proxel TN в количестве 0,15%. Для более полного анализа результатов тестирования использовали контрольный образец лака без биоцида.

Каждый образец был заражен суспензией, содержащей 106 КОЕ/мл смесь бактерий следующих видов:

Alcaligenes faecalis
......................................................................................................................... IMI 358536;
Escherichia coli
......................................................................................................................... IMI 362054;
Proteus vulgaris
......................................................................................................................... IMI 358534;
Pseudomonas aeruginosa
......................................................................................................................... IMI 358539;
Pseudomonas putida
......................................................................................................................... IMI35853;
Pseudomonas stutzeri
......................................................................................................................... NCIMB 11359.

Данный состав бактерий рекомендуется International Biodeterioration Research Group (IBRG) для проведения испытаний.

Образцы были инкубированы при температуре 30 °C. Далее на 1-й, 3-й и 7-й дни небольшое количество зараженного образца помещали на питательный субстрат, и в течение 48 ч поверхность оценивали на наличие жизнеспособных бактерий. Инокуляцию и подобную процедуру повторяли с периодом 7 дней в течение 3 недель. Результаты инокуляции представлены в таблице 2. Из данных, приведенных в таблице 2, следует, что введение в образцы внутритарного биоцида Proxel TN в количестве 0,15% обеспечивает хорошую защиту ЛКМ к различным бактериям.

Таблицы результатов лабораторных испытаний

Внутрипленочные испытания

Внутрипленочные биоциды Zinc Omadine ZOE Dispersion и Omacide IPBC30 были добавлены по отдельности в образцы, содержащие 50 г исходного лака, в который вводили сиккатив в количестве 0,15% от общего веса. В испытаниях также использовали контрольный образец исходного лака.

Приготовление образцов: на сосновые панели «Masterboard», размером 63,50,5 см наносились 2 слоя лака ВД-ПЭ-064 с 4-часовой сушкой между нанесением.

Климатические испытания проводились в климатической камере «Atlas Ci4000 Weather-Оmeter ASTM G155» при непрерывном воздействии ультрафиолетового излучения на образцы c интенсивностью 0,35 Вт/кв.м и периодическом воздействии воды (по18 минут через каждые 102 минуты). Общее время испытаний — 200 ч.

Определение противогрибковой активности

2 образца, покрытые лаком ПЭ-ВД-064, с биоцидами после климатических испытаний и 2 образца, покрытые лаком ПЭ-ВД-064, с биоцидами без климатических испытаний были помещены в пластиковые короба на подложку из стерильного вермикулита, которая ранее была насыщена дистиллированной водой для поддержания влажной атмосферы в коробе, способствующей размножению микроорганизмов. Каждая тестируемая деревянная панель была заражена суспензией с содержанием смешанных грибковых спор — 106 спор/мл. Таким же образом были приготовлены 2 контрольных образца — без биоцидов.

Тест-грибки:

Alternaria alternata
......................................................................................................................... PRA FS/1;
Aspergillus versicolor
......................................................................................................................... IMI045554;
Aureobasidium pullulans
......................................................................................................................... IMI45533;
Cladosporium cladosporioides
......................................................................................................................... IMI178517;
Penicillium minioluteum
......................................................................................................................... IMI178519;
Phoma violacea
......................................................................................................................... IMI49948ii.

Коробки с составом опечатывали и инкубировали в течение 4 недель, а затем оценивали рост грибков на поверхности.

Результаты испытаний на противогрибковую активость приведены в таблице 3. Биологические испытания на противогрибковую активность проводились на панелях «Masterboard». На образцах, не подвергавшихся воздействию климатической камеры, были видны большие повреждения, и это естественно, поскольку в результате воздействия воды продукты жизнедеятельности грибков смываются водой, к тому же грибки умирают от воздействия ультрафиолета.

В целом оба биоцида (Zinc Omadine ZOE и Omacide IPBC30) показали хорошую противогрибковую защиту даже после 200 ч испытаний в климатической камере — это хороший показатель для пропиточных составов.

Также испытания в климатической камере показали хорошие защитные свойства лака ВД-ПЭ-064. Пленка лака практически не смывалась с образцов, что можно объяснить хорошей глубиной пенетрации водной дисперсии в массу древесины.

Определение противоводорослевой активности

Для определения противоводорослевой активности также использовали 2 образца покрытия лака ВД-ПЭ-064 с биоцидами после климатических испытаний и 2 образца лака ВД-ПЭ-064 с биоцидами без климатических
испытаний, которые также помещали в пластиковые короба на подложку из стерильного вермикулита, заранее насыщенную дистиллированной водой. Параллельно были приготовлены 2 контрольных образца без биоцидов.

Каждая тестируемая деревянная панель «Masterboard» была заражена суспензией с содержанием смешанных водорослей:

Chlorella spр.
......................................................................................................................... CCAP 221;
Oscillatoria tenuis
......................................................................................................................... CCAP 1459/4;
Nostoc muscorum
......................................................................................................................... CCAP 14306;
Stichococcus bacillaris
......................................................................................................................... CCAP 379/1;
Trentepohlia aurea
......................................................................................................................... CCAP 483/1;
Pleurococcus sp.
......................................................................................................................... CCAP 464/1.

Короба были опечатаны, инкубированы и испытывались при слабом освещении в течение 8 недель. Через 24 ч панели обрабатывали 2%-ным раствором минеральных солей. После 8 недель испытаний панели оценивали
на рост водорослей на поверхности (табл. 4).

Контрольные образцы без биоцидов активно подверглись воздействию водорослей — было повреждено более 30% поверхности образцов. В этом испытании также оба биоцида (Zinc Omadine ZOE и Omacide IPBC30) показывают хорошую биологическую защиту.

Разработанные биоцидные составы на основе лака ВД-ПЭ-064 были применены для защиты изделий из клееной древесины на предприятии, где проходили их стендовые испытания под открытым небом.

Выводы

• Водно-дисперсионный полиэфирный лак ВД-ПЭ-064 обладает хорошими биоцидными свойствами, поскольку получен на основе растительного масла, которое само по себе является антисептиком.
• Пропиточные составы на основе водных дисперсий полиэфиров можно наносить на влажные поверхности, а это дает возможность обрабатывать древесину прямо на производстве без предварительной сушки изделий.
• Поскольку традиционные пропиточные составы содержат около 70% органических растворителей, замена их на воду делает такие материалы весьма привлекательными с экономической и экологической точки зрения.
• Водно-дисперсионный полиэфирный лак ВД-ПЭ-064 в сочетании с биоцидами может обеспечить долговременную противогрибковую и противоводорослевую защиту.
• Испытания в климатической камере показали, что данные системы можно применять и в качестве пропиточных составов, и в качестве самостоятельных покрытий.
• Тестирование показало, что надежная внутрипленочная защита от грибков и водорослей обеспечивается биоцидами Zinc Omadine ZOE Dispersion (0,5% от общего веса) и Omacide IPBC30 (0,7% от общего веса) против роста грибков по сравнению с контрольным образцом.

Дринберг A. C., Зотова Н. С., Выжлецова Т. Э. / Лакокрасочные материалы и их применение. 2013 — № 11

Список литературы:

1. ЛКМ на конденсационных смолах // Химэксперт. — 2012. — № 7.— С. 31.
2. Добровинский Л.А., Руцкий И.В. Производство алкидных лаков: настоящее и будущее // ЛКМ и их применение. 2005. — № 5. — С. 3.
3. Васильева М.Н. Российский рынок ЛКМ в 2007–2010 гг. и перспективы его развития в 2011–2012 гг. // Лакокрасочная промышленность. — 2011. — № 8. — С. 11.
4. Абрамов В.Н. Состояние и развитие российского рынка лакокрасочных материалов // Лакокрасочная промышленность. — 2012. — № 1–2. — С. 18
5. Дринберг А.С. Новый тип алкидных олигомеров // Новое слово в науке и практике: Сб. материалов V Международной научно-практической конференции. ЦРНС. — Новосибирск, 2013.
6. Дринберг А.С. Новое связующее для лакокрасочной промышленности // Химическая промышленность. — 2013. — № 1.
7. Рынок древесины. Маркетинговое исследование. IndexBox. — М., 2012.
8. Dr. Sauer F. Консерванты для лакокрасочной промышленности // Лакокрасочная промышленность. — 2011. — № 6.
9. Тарантул В.З. Толковый биотехнологичекий словарь. — М., 2009.
10. Гуревич М.М., Ицко Э.Ф., Середенко М.М. Оптические свойства лакокрасочных покрытий. — СПб.: Профессия, 2010. — 220 с.