Региональные особенности супрамолекулярного усиления эффективности антисептиков при комплексной переработки древесины

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕГИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СУПРАМОЛЕКУЛЯРНОГО УСИЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ АНТИСЕПТИКОВ ПРИ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ

Халиков Рауф Музагитович

В мировом производстве материалов древесина является одним из важнейших источников сырья (около половины объема ресурсного обеспечения) [1]. Поэтому актуальной проблемой в области химической технологии композиционных материалов на базе возобновляемых биополимеров остается разработка экологичных методов инновационной переработки древесины. Использование антисептической защиты древесины от биоповреждений позволяет в несколько раз увеличить сроки эксплуатации конструкционных изделий.

Цель данной работы обобщение результатов инноваций при разработки полифункциональных антисептиков для защиты древесных пиломатериалов от биодеструкции.

Для деревянных конструкций существенным является биологическое разрушение, которое вызывается в основном дереворазрушающими грибами. Около 60 видов грибов, повреждающие древесину (ксилотрофы), принадлежат к трем классам: аскомицеты, дейтеромицеты и базидиомицеты. Дереворазрушающие грибы выделяют энзимы, расщепляющие биополимеры древесины, тем самым резко снижают механико-технологические характеристики материала [2].

Одним из эффективных направлений предохранения древесины и деревянных конструкций от преждевременного биоразрушения, т.е. обеспечение долговечности является антисептическая обработка [3]. Антисептики инактивируют ферменты ксилотрофов и лишают их способности метаболизировать целлюлозу древесины в биоорганические молекулы, которые усваиваются деструктирующими грибами. В результате мицелии дереворазрушающего гриба под влиянием антисептика прекращают дальнейшее развитие.

Технологии антисептической обработки древесных материалов сопряжены с региональными особенностями деревообработки [4]. В лесопромышленном комплексе формируются взаимосвязанные части: лесозаготовка, деревообработка и целлюлозно-бумажная промышленность. Лесозаготовительная отрасль -- база лесопромышленного комплекса имеет ареальное расположение (рис. 1):

Рисунок 1. География лесопромышленного комплекса на Земле

Российская Федерация обладает крупнейшими запасами лесозаготовительного сырья и может удовлетворять растущие потребности в древесине. Северная Америка (США и Канада), выступавшая крупнейшим регионом-производителем деловой древесины, пиломатериалов, целлюлозы, бумаги и картона, к 2006 г. уступила лидерство Азии (Китай, Япония, Индия). Западная Европа -- вторая по значимости зона лесопромышленного комплекса на Земле является технологическим лидером отрасли; а Латинская Америка (Бразилия) -- регион с ценными лесными ресурсами, но освоен этот потенциал мало.

Изменения в характере сырьевой базы и технологии переработки древесины, произошедшие в последние десятилетия, делают лесопромышленные производства менее зависимыми в своем размещении от лесов естественного происхождения. Возможности лесных плантаций [5] для производства товарной древесины -- создание прорывных технологий лесопосадок промышленного назначения -- позволяют снизить антропогенную нагрузку на естественные леса.

Технологии антисептирования древесных пиломатериалов более тщательно проработаны в странах с развитой экономикой. Пентахлорфенол и его аналоги во второй половине ХХ века были наиболее используемыми антисептическими средствами защиты деревянных конструкций. В начале ХХI века наиболее динамично развиваются производство древесно-стружечных плит, пиломатериалов, бумаги и картона. Для обеспечения биостойкости древесностружечных и древесноволокнистых плит в процессе технологического производства добавляется совместно с вяжущими антисептики ?1 % массы. Предупреждение скапливания стойких остатков упаковочных материалов [6] и конструирование полимерных биоразлагаемых упаковок на базе модифицированных целлюлоз с минимальной нагрузкой на биогеоценозы [7] требуют разработки инновационных биоцидов.

Производство готовых пиломатериалов из древесины сопряжено с внедрением эффективных, экологически безопасных антисептических препаратов: «Нортекс^®», Prosept, Neomid, ТМ «СЕНЕЖ», Woodmaster и др. Для выполнения ужесточающихся экологических требований [8] к антисептикам необходимо решение множества разноплановых и противоречивых задач:

1. разработка синергетического эффекта при создании рецептур современных антисептиков из нескольких ингредиентов;

2. конструирование биоактивных молекул фунгицидов с апробированными свойствами, не представляющих опасности для человека и биосферы;

3. разработка способов модификаций макромолекул целлюлозы на поверхности древесины с образованием аналогов биоцидов, которые достаточно эффективно противостоят биологическому разложению микроорганизмами, грибами, насекомыми-вредителями и др.

Микроструктура древесных материалов представлена армирующими макромолекулами целлюлозы и матричной трехмерной «сетки» лигнина. Супрамолекулярная микроструктура древесины обнаруживает пористую структуру и хорошую адсорбционную способность. С точки зрения эксплуатационной надежности антисептической обработки наиболее важно обеспечить прочную химическую адсорбцию биоцидных ингредиентов в поверхностной зоне древесины. Прочное удержание компонентов антисептика на древесине обеспечивается положительным зарядом биоцида, которые взаимодействуют с отрицательно заряженными макромолекулами целлюлозы и лигнина.

Фиксация антисептика в биополимерной матрице древесины важна для предотвращения его вымывания атмосферными осадками. Невымываемые антисептики -- это компаунды двух и более химических веществ, которые после введения в древесину, в результате реакций между собой и древесной целлюлозой образуют труднорастворимые соединения. Например, соли кремнефтористоводородной кислоты обладают способностью поражать плесневые и ксилотрофные грибы. Продукты синтеза ?-аминокапроновой кислоты имеют карбоксильную группу -С(О)ОН, что обеспечивает их химическую фиксацию на поверхности трахеидных клеток древесины.

За последнее десятилетие появились работы, посвященные синтезу биоактивных производных целлюлозы путем химического присоединения фунгицидных интермедиатов [9] к макромолекулам целлюлозы (рис.2). Молекулы антисептиков, которые иммобилизированы (прикреплены) на поверхности древесины, через поры клеточной стенки гриба действуют в качестве биоцидов.

Рис. 2. Взаимодействие иммобилизированных на макромолекулах целлюлозы антисептиков с дереворазрушающими грибами

Способность связываться с биологическими мембранами грибов преимущественно определяется наличием в модифицированных антисептиках положительно заряженных групп, в частности, четвертичных аммонийных групп и наличием на поверхности биомембраны ксилотрофов отрицательного заряда фосфолипидов. Прикрепленный к целлюлозе фунгицид вызывает нарушение метаболизма в мицелии, в результате чего дереворазрушающие грибы отмирают.

Одновременно с высокой биоцидностью (по отношению к грибам и насекомым) антисептики должны обладать следующими качествами:

· сохранять токсичность длительное время после введения в древесину;

· не оказывать вредного влияния на здоровье людей, соприкасающихся с обработанными лесоматериалами;

· не ухудшать физико-механических свойств древесины и т.д.;

· обладать антипиреновыми свойствами, т.е. повышать огнестойкость.

Среди биоцидных иммобилизированных антисептиков на основе производных гуанидина наиболее эффективны хлоргексидин, полиалкиленгуанидин и полигексаметиленгуанидин. Сравнительная оценка ряда антисептических соединений (производные хлорированных бисфенилов, триазина, станилтиосиланов и др.) показала, что по комплексным критериям эффективности, токсичности, доступности сырья, технологичности и экологической безопасности производства, физико-химическим свойствам полиалкиленгуанидины [10] являются наиболее перспективными биоцидами.

Подавление жизнедеятельности ксилотрофных грибов можно также достигнуть за счет целенаправленного регулирования рН-среды, рационального введения в рецептуру антисептиков таких ингредиентов, которые обеспечивают снижение активности целлюлотических. Формирование супрамолекулярных наноассоциатов макромолекул зеина и микрофибрилл целлюлозы [11] является технологичным подходом разработки гидрофобизирующих методов защиты древесных материалов от биоповреждений.

Предотвращение возникновения, замедление или противодействие процессу гниения материалов на основе древесины приводит к значительному увеличению долговечности и снижению эксплуатационных затрат. В большинстве случаев комбинированные антисептики хорошо защищают древесину и от повреждения насекомыми и обладают, таким образом, биоактивностью инсектофунгицидов [12, 13].

Авторами работы [14] предложено антисептическое средство, включающие олигомеры деструкции отходов полиэтилентерефталата, для обработки поверхностных слоев древесины и глубинной пропитки. Установлено, что комплексы фунгицидных биоцидов с древесным материалом обладают повышенной гидролитической устойчивостью.

В заключение можно сделать вывод о том, что биоразрушения деревянных конструкций можно предотвратить антисептированием, технологии использования биоцидов имеют региональные особенности. Инновационным подходом является усиление антисептического воздействия многофункциональных препаратов, которые сочетают в себе свойства экологичных антипиренов, гидрофобизаторов с учетом супрамолекулярной комплементарности к макромолекулам лигнина и целлюлозы.

антисептический древесный антипирен экологичный

Список литературы

1. Волков Г.М., Зуев В.М. Материаловедение. - М.: Академия, 2012. - 448 с.

2. Строганов В.Ф., Бойчук В.А., Сагадеев Е.В. Биоповреждение древесных материалов и конструкций // Известия КГАСУ. 2014. №2 (28). С.185-193.

3. Варфоломеев Ю.А. Обеспечение долговечности изделий из древесины. - М.: Ассоль, 1992. - 286 с.

4. Хохлов А.В. География мирового лесопромышленного комплекса. - Тула: Гриф и К, 2007. - 300 с.

5. Шутов И. В., Маслаков Е.Л., Маркова И.А. Лесосырьевые плантации: возможности и перспективы // Лесная промышленность. 1995. № 1. С.29-34.

6. Гатин И.М., Иванова О.В., Халиков Р.М. Нетривиальные подходы снижения накопления отходов упаковочных полимерных материалов // NovaInfo.Ru. 2017. № 62-1. С.1-6.

7. Ivanova O.V., Khalikov R.M., Ivanov L.A. Biodegradable packaging polymers: construction, usage // Issues of science and education: theoretical and practical aspects. - Praha: Vydavatel «Osvнcenн», 2017. Р.112-115.

8. Халиков Р.М., Иванова О.В. Технологические схемы решения экологических проблем регионального производства материалов // NAUKA-RASTUDENT.RU. 2014. № 3(03). С.10.

9. Siedenbiedel F., Tiller J.C. Antimicrobial polymers in solution and on surfaces: Overview and functional principles // Polymers. 2012. V.4. N.1. Р.46-71.

10. Иванова Е.Б., Юрченко Д.Л. Перспективы использования полиалкиленгуанидинов в дезинфектологии // Прикладная аналитическая химия. 2011. Т.2. №4. С.50-55.

11. Егоров В.А., Латыпова З.Б., Халиков Р.М. Формирование супрамолекулярных наноассоциатов макромолекул зеина и микрофибрилл целлюлозы в процессе проклеивания бумаги // Сб. материалов Международ. конф. «Кирпичниковские чтения». - Казань: КНИТУ, 2012. С.124-127.

12. Жуков Е.В., Онегин В.И. Технология защитно-декоративных покрытий древесных материалов. - М.: Экология, 1993. - 304 с.

13. Roy D., Knapp J.S., Guthrie J.T. et al. Antibacterial cellulose fiber via raft surface graft polymerization // Biomacromolecules. 2008. V.9. N.1. P.91-99.

14. Алалыкин А.А., Кислицына О.В., Веснин Р.Л. и др. Новое средство для обработки древесины антисептического действия, включающие олигомерные продукты химической деструкции полиэтилентерефталата // Химия растительного сырья. 2014. №4. С.243-249.

Размещено на Allbest.ru