壳聚糖及衍生物对杨木单板的固色抗菌效果和作用机制研究

发布时间：2020-04-04 20:38

【摘要】：以杨木、桉木为主的国产速生工业用材普遍存在材性和装饰性差、易滋生有害细菌和霉变等缺点。调色和抗菌处理是提高速生材装饰性和防护功能的主要方法,目前对于同时实现木材调色和抗菌改性的研究较少。本文选用杨木单板为材料,以壳聚糖及其衍生物作为固色剂和抗菌剂,通过壳聚糖预处理和后处理方式,分析不同处理条件对抗菌染色单板染色和抗菌效果的影响,揭示壳聚糖及其衍生物与酸性染料或活性染料在单板抗菌染色处理过程中的作用机制;采用壳聚糖和染料对木粉进行分别处理,并通过对其化学变化、微观结构、上染率、色牢度等进行检测与分析,解析壳聚糖对酸性染料的固色机理;采用银离子与壳聚糖进行反应制备载银壳聚糖,并将其与染料一起对单板进行抗菌染色改性处理,分析不同工艺对抗菌染色单板的染色和抗菌效果的影响,解析其作用机制;采用季铵盐壳聚糖与活性染料进行反应,制备水溶性抗菌染料,解析其反应原理,并采用该抗菌染料对单板进行染色处理,制备高抗菌性和染色性的抗菌染色单板,分析该水溶性抗菌染料的染色和抗菌效果,研发出实现物质相容和功效协同的改性工艺。通过上述研究,本论文的主要结论如下:1.壳聚糖后处理工艺可以实现染色单板的固色和抗菌效果,制备出耐光色牢度色差值为6.6、耐水洗色牢度色差值为7.1、对大肠杆菌24小时灭杀率为96.9%和抗菌活性为3.4、对金黄色葡萄球菌24小时灭杀率为96.7%和抗菌活性为3.5的抗菌染色单板。与直接染色单板相比,采用壳聚糖不同的处理工艺对染色单板进行改性,都可以有效提高单板的色牢度和抗菌效果,降低润湿性,但影响的程度不同:壳聚糖后处理工艺的固色效果和抗菌性优于壳聚糖预处理工艺,壳聚糖后处理的色度值接近于直接染色单板,壳聚糖预处理的润湿性优于壳聚糖后处理工艺。2.壳聚糖在木材染色过程中的固色机理为:在酸性条件下,木材和酸性染料都为负电荷且未发生化学交联而呈现低色牢度,但带正电荷的壳聚糖可以与木材间通过静电吸附而使其呈现正电荷,吸附负电荷的酸性染料,并使得壳聚糖中的氨基与酸性染料的磺酸根生成不溶于水的磺酸盐,形成“木材-壳聚糖-染料”的稳定结构,使得染色壳聚糖木材拥有更高的色牢度和固色效果。3.壳聚糖的氨基与银离子可以通过配位键形成具有优异抗菌效果的载银壳聚糖。将载银壳聚糖采用后处理工艺与染料对杨木单板进行抗菌染色处理,可以制备出耐水洗色牢度色差值为15、耐光色牢度色差值为54、对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌24小时灭杀率为大于99%的抗菌染色单板,其抗菌性能和耐水洗色牢度显著提高,但由于银离子易受光照氧化变暗使得耐光色牢度低于直接染色单板和壳聚糖处理抗菌染色单板。4.季铵盐壳聚糖与活性黄x-rg染料通过-N+与磺酸根反应生成溶于碱性条件下的季铵盐壳聚糖染料,季铵盐壳聚糖染料通过游离的氨基和-N+发挥出较强的抗菌效果和固色效果;采用季铵盐壳聚糖染料染色制备的抗菌染色单板性能为:耐水洗色牢度为8.4、耐光色牢度为10、接触角为89°,对大肠杆菌的24小时灭杀率为99.5%和抗菌活性为4.2、对金黄色葡萄球菌的24小时灭杀率为99.7%和抗菌活性为4.6,其抗菌性能与固色性能略低于季铵盐壳聚糖后处理染色单板,但润湿性优于季铵盐壳聚糖后处理染色单板。5.对四种壳聚糖及衍生物制备的抗菌染色单板的染色效果、抗菌效果、表面润湿性和工艺操作性进行综合评价,季铵盐壳聚糖染料最适合于单板的抗菌染色处理,能够实现改性过程的抗菌与染色协同作用。6.壳聚糖及衍生物适于作为木材抗菌染色用染料及抗菌剂,不仅起到固色作用,而且,其分子中存在的大量-NH3+可与壳聚糖染料中未反应的伯胺基团进行转换,增加了壳聚糖染料的抗菌活性,通过带正电荷的壳聚糖和带负电荷的细胞膜的相互作用,破坏了大肠杆菌和金黄葡萄球菌的细胞,提高了染料的抗菌性能。壳聚糖及衍生物的加入,较单一染料具有更好的抗菌性能,可实现一剂多效。
【图文】：

技术路线图,壳聚糖,染料,季铵盐

逦逦逡逑（２）壳聚糖在单板染色过程中的渗透和固色机理。采用壳聚糖和酸性橙ＩＩ染料逡逑对木粉、纤维素、半纤维素和木质素进行分别处理，并对其ＦＴＩＲ、ＳＥＭ、上染率、逡逑色牢度等性能进行检测与分析，解析壳聚糖对酸性染料的渗透和固色机理。逡逑（３）载银壳聚糖的制备及其对染色单板的抗菌固色作用。为了提高抗菌染色单逡逑板的抗菌效果，采用银离子与壳聚糖进行反应制备载银壳聚糖，并将其与染料一起对逡逑单板进行抗菌染色改性处理，分析银离子、壳聚糖、染料与木材之间的存在状态以及逡逑结合机理。通过分析不同工艺对抗菌染色单板的染色和抗菌效果的影响，并解析其作逡逑用机制。逡逑（４）水溶性季铵盐壳聚糖的制备及其染色单板的性能。采用季铵盐壳聚糖与活逡逑性染料进行反应制备水溶性季铵盐壳聚糖抗菌染料，解析其反应原理和抗菌固色机逡逑制；利用水溶性染料对单板进行染色处理，制备和评价其抗菌染色效果。逡逑１．８论文技术路线逡逑＂提高＠色效果逡逑

分子结构图,酸性橙,壳聚糖,染料

图２－１壳聚糖（ａ）和酸性橙ＩＩ染料（ｂ）的分子结构逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｃｈｉｔｏｓａｎ邋（ａ）邋ａｎｄ邋ａｃｉｄ邋ｏｒａｎｇｅｌｌ邋（ｂ）逡逑２．２实验主要仪器设备逡逑高速粉碎机，，Ｙｑｆ－１００，北京宇勤；逡逑超声仪，Ｂｒａｎｓｏｎ邋Ｂ－２２０，美国；逡逑离心机，Ｔｈｅｒｍｏ邋Ｓｏｒｖａｌｌ，美国；逡逑Ｚｅｔａ电位仪，Ｎａｎｏ邋ＺＳ９０，英国；逡逑扫描电子显微镜，日本Ｈｉｔａｃｈｉ公司；逡逑傅里叶红外光谱仪，Ｎｉｃｏｌｅｔ邋６７００邋ＦＴ－ＩＲ，邋Ｔｈｅｒｍｏ邋Ｎｉｃｏｌｅｔ，美国；逡逑分光光度测色仪，ＤＦ１１０，美国Ｄａｔａｃｏｌｏｒ公司；逡逑曰晒牢度仪，ＹＧ６１１，中国常州第二纺织仪器厂；逡逑表面润湿性测试仪，ｄａｔａｐＨｙｓｉｃｓ邋ＯＣＡ２０；逡逑
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S781

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