Ein neuartiger Ansatz zur Verbesserung der Farbe und der antimikrobiellen Eigenschaften von Kiefern- und Buchenholz mithilfe von Se

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12972 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Kiefernholz (PW) und Buchenholz (BW) sind aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften und niedrigen Bearbeitungskosten die am häufigsten verwendeten Hölzer in Möbeln und anderen Anwendungen. Ihre biologische Abbaubarkeit und ihr unterschiedlicher Feuchtigkeitsgehalt schränken jedoch ihre breitere Verwendung und Haltbarkeit ein. Daher wurde in dieser Studie die Nanotechnologie als neuartiger umweltfreundlicher Ansatz zur Verbesserung der Haltbarkeit, antimikrobiellen Eigenschaften und Farbe von Holz eingesetzt. Selen-Nanopartikel (Se-NPs) wurden in Kugelform in unterschiedlichen Konzentrationen (25 und 50 mM) mit einer umweltfreundlichen Methode im Bereich von 35–80 bzw. 40–155 nm hergestellt. Die Bildung von Se-NPs im Nanomaßstab wurde mittels UV/Vis-Analyse, Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Röntgenbeugung (XRD) bestätigt. Die vorbereiteten Se-NPs wurden dann für verschiedene Zeiträume von 2 Stunden bis 1 Woche in PW und BW imprägniert. Anschließend wurde das behandelte Holz 14 Tage lang in destilliertem Wasser ausgelaugt, um überschüssige Se-NPs von der Holzoberfläche zu entfernen. Die behandelten Holzoberflächen wurden mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht. Darüber hinaus wurde die Eindringtiefe der Se-NPs in das behandelte Holz sowohl auf der tangentialen als auch auf der radialen Seite bestimmt. Die Auswirkungen von Se-NPs auf die Farbeigenschaften, die Dichte, den Feuchtigkeitsgehalt und die antimikrobiellen Aktivitäten des behandelten Holzes wurden bewertet. Mit Se-NPs behandeltes PW zeigte bessere antimikrobielle und farbliche Eigenschaften als behandeltes BW. PW-Proben, die 2 Stunden lang in 50 mM Se-NPs eingetaucht wurden, zeigten die höchsten K/S-Werte, wohingegen die höchsten antimikrobiellen Werte für diejenigen erhalten wurden, die 2 Tage und 1 Woche lang in der gleichen Konzentration eingetaucht wurden.

Holz wird aufgrund seiner herausragenden Eigenschaften seit Jahrhunderten aus vielen Gründen verwendet. Aufgrund seiner hohen Festigkeit, seines geringen Gewichts und seiner relativen Haltbarkeit stellt es einen Primärrohstoff dar. Daher kann es in zahlreichen Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise im Innen- und Außenbereich, wenn es mit effizienten Materialien behandelt wird1,2. Sämtliches Holz stammt von Bäumen, die je nach botanischer Klassifizierung entweder Weichholz oder Hartholz sind, wie zum Beispiel Kiefer (Pinus sylvestris) und Buche (Fagus sylvatica)3,4. Aufgrund seines guten Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht wird PW in Möbeln eingesetzt; und daher wird es typischerweise als ansprechendes Holz angesehen5. BW ist ein robustes Holz, das sich gut bearbeiten lässt und sich ideal zum Dampfbiegen eignet6. Darüber hinaus handelt es sich um ein preisgünstiges Material mit geringen Bearbeitungskosten7. Es gibt jedoch zwei Nachteile, die vor allem seine breitere Verwendung und Haltbarkeit beeinträchtigen, darunter die biologische Abbaubarkeit und Dimensionsinstabilität infolge einer Änderung seines Feuchtigkeitsgehalts8,9,10. Darüber hinaus können die traditionellen Holzbehandlungen, einschließlich Farben, Beizen, Lacke, Polituren und Klebstoffe, bei unsachgemäßer Handhabung die Umwelt und den Menschen schädigen11.

In dieser Hinsicht kann der Einsatz von Nanotechnologie die Haltbarkeit von Holz verbessern und dadurch die Lebensdauer von Holzprodukten wie Möbeln aufgrund der einzigartigen Eigenschaften von NPs im Bereich von 100 nm oder weniger12 verlängern. Die Konzepte der biologischen, physikalischen, materiellen und chemischen Wissenschaften verschmelzen in der Nanotechnologie zur Entwicklung verschiedener Technologien13. Durch die Verwendung verschiedener NPs zum Holzschutz ist es möglich, die Feuchtigkeitsaufnahme zu reduzieren und den UV-Schutz, die mechanischen Eigenschaften und die Feuerbeständigkeit zu verbessern14,15,16,17. NPs bieten eine große Vielfalt antimikrobieller Klassen und bieten eine anhaltende antibakterielle Wirkung bei geringer Toxizität18. Darüber hinaus sind sie in der Lage, Materialien multifunktionale Eigenschaften und Farben zu verleihen, ohne die inhärenten Eigenschaften des Substrats zu beeinträchtigen19,20. Aufgrund der optischen Eigenschaften von NPs wie Oberflächenplasmonenresonanz, Quantenbeschränkungseffekten und NPs-strukturierten Farben ist ein breites Spektrum an Farbabstimmbarkeiten möglich. Durch Veränderung von Größe, Form, Zusammensetzung und Oberflächenfunktion könnten NPs unterschiedliche Farben haben21,22.

Mit Hilfe der Nanotechnologie wurden neuartige Holzverbundstoffe mit verbesserten Eigenschaften entwickelt23. Durch die Zugabe von Nanofüllstoffen wie ZnO-NPs, TiO2-NPs, Nanoclays und SiO2-NPs24,25,26 können Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe mit verbesserten physikalischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften hergestellt werden. Unter Verwendung von SiO2-NPs, Al2O3-NPs und ZnO-NPs27 ist es möglich, Sperrholzverbundstoffe mit verbesserter Biegefestigkeit, Dimensionsstabilität, Bindungsfestigkeit, Biegemodul und Schraubenausziehwiderstandseigenschaften herzustellen. Darüber hinaus wurden der Bruchmodul, der Elastizitätsmodul, die Verbindungsfestigkeit und der Schraubenausziehwiderstand der Spanplattenverbunde durch die Verstärkung mit SiO2-NPs und Al2O3-NPs28 verbessert. Aufgrund ihrer CO2-neutralen Struktur, geringen Toxizität, biologischen Abbaubarkeit, breiten Verfügbarkeit und überlegenen Eigenschaften haben grüne Lignozellulose-Nanomaterialien ein großes Potenzial für die Herstellung von Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen mit verbesserten Eigenschaften24. Umweltfreundliche Verbundplatten auf Holzbasis können unter Verwendung von Klebstoffen mit geringer Formaldehydemission hergestellt werden, die durch die Zugabe von Nanozellulose in geeigneten Mengen verbessert werden23,29 und unter Verwendung von SiO2-NPs, Al2O3-NPs und ZnO-NPs30.

Unter grüner Nanotechnologie versteht man die Synthese von NPs ohne gefährliche Chemikalien, um die Zytotoxizität der hergestellten NPs31,32,33 zu begrenzen. Es wurde entdeckt, dass Biomoleküle und umweltfreundliche Substanzen eine offensichtliche Rolle bei der Produktion von NPs aller Formen und Größen spielen und den Weg für die Entwicklung umweltfreundlicherer und sichererer NP-Synthesetechniken ebnen34,35,36. Selen ist ein nichtmetallisches Element, es handelt sich um ein Spurenelement, das im Ökosystem äußerst wichtig ist37,38. Se-NPs mit einem roten Farbton stellen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften, ihrer geringen Toxizität im Vergleich zu Selenmolekülen und ihrer hervorragenden Bioaktivität ein neuartiges Studienziel dar39,40. Aufgrund ihrer antimikrobiellen Eigenschaften gewinnen Se-NPs in der Lebensmittel- und Medizinindustrie zunehmend an Bedeutung41. Seine praktischen Eigenschaften als Holzbehandlung zur Verbesserung der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Holz und zur Verleihung einer ästhetischen Farbe müssen jedoch noch beschrieben werden.

Ziel dieser Studie war es daher, mithilfe der Nanotechnologie nachhaltige Materialien für die Möbelproduktion herzustellen. In diesem Zusammenhang wurden grün synthetisierte Se-NPs in PW und BW imprägniert, um deren Haltbarkeit, antimikrobielle Eigenschaften und Farbeigenschaften zu verbessern. Se-NPs wurden in unterschiedlichen Konzentrationen und Imprägnierungsdauern verwendet, um die Auswirkungen der Konzentration und Imprägnierungsdauer auf die antimikrobiellen und farblichen Eigenschaften des behandelten Holzes im Vergleich zu denen der Kontrolle zu bewerten.

Zwei verschiedene Holzarten, einwandfreies Splintholz von Kiefer (Pinus sylvestris L.) und Buche (Fagus sylvatica L.), wurden von Moelven (Hedmark, Norwegen) bzw. CEDAR doo (Rijeka, Kroatien) gekauft. Die Sammlung des untersuchten Holzes entsprach den relevanten institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen. Anschließend wurden Holzproben mit Abmessungen von 25 × 25 × 15 mm3 verwendet und in acht PW- und BW-Gruppen für unterschiedliche Imprägnierungsdauern von 2 Stunden, 1 Tag, 2 Tagen und 1 Woche sortiert (jede Gruppe bestand aus 10 Proben). Natriumhydrogenselenit, Polyvinylpyrrolidon (PVP) und Ascorbinsäure wurden von Sigma-Aldrich bezogen und ohne weitere Reinigung verwendet.

Se-NPs wurden über eine Redoxreaktion basierend auf dem von Abou Elmaaty et al.42 beschriebenen Verfahren synthetisiert. Natriumhydrogenselenit wurde als Vorläufer für Se-NPs in verschiedenen Konzentrationen von 50 und 100 mM verwendet. Anschließend wurde dieser Lösung Polyvinylpyrrolidon (PVP) in einer Konzentration von 12 g/100 ml zugesetzt, um die Stabilität der vorbereiteten Se-NPs aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus wurde der vorherigen Mischung Ascorbinsäure in verschiedenen Konzentrationen (100 mM und 200 mM) in einem Molverhältnis von 2:1 und einem Volumenverhältnis von 1:1 (Vitamin C: Natriumhydrogenselenit) zugesetzt. Die Bildung von Se-NPs wurde nach der Änderung der Lösungsfarbe von farblos nach dunkelorange bestätigt43. Für die XRD-Analyse wurde die kolloidale Se-NP-Lösung bei 130 °C vollständig getrocknet und dann zur weiteren Verwendung bei 4 °C gelagert.

PW- und BW-Proben wurden mit kolloidalen Se-NP-Lösungen in Konzentrationen von 25 mM und 50 mM in einem Vakuumexsikkator bei einem Vakuum von 80 kPa imprägniert. Der Imprägnierungsprozess wurde über verschiedene Zeiträume von 2 Stunden, 1 Tag, 2 Tagen und 1 Woche durchgeführt, um den Einfluss der Imprägnierungszeit auf die Farbe und die antimikrobiellen Eigenschaften der getesteten Holzproben zu untersuchen. Mit Se-NPs behandelte Holzproben wurden dann eine Woche lang bei 30 °C in einem Ofen getrocknet. Anschließend wurden die behandelten Proben ausgelaugt. In dieser Hinsicht wurde der Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgehalt durch Konditionieren der behandelten Proben bei 20 °C und 65 % relativer Luftfeuchtigkeit erreicht. Anschließend wurden die Proben 14 Tage lang in destilliertes Wasser (20 °C, pH 5,5) getaucht. Ziel des Auslaugungsprozesses war es, überschüssige Se-NPs zu entfernen, die sich nicht gut auf den Holzoberflächen abgelagert hatten. Das Wasser wurde während des Auslaugungsprozesses viermal gewechselt: nach 2 Stunden, 2 Tagen, 4 Tagen und 8 Tagen der Auslaugung44. Die ausgelaugten Holzproben wurden dann eine Woche lang in einem Ofen bei 30 °C getrocknet, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Schematische Darstellung des Imprägnierungsprozesses von PW und BW mit Se-NPs.

Se-NPs wurden mit einem Transmissionselektronenmikroskop (JEOL, JEM 2100F, Tokio, Japan) bei 200 kV untersucht, um ihre Morphologie und Größe zu charakterisieren. Ein Tropfen Se-NPs-Lösung wurde auf ein mit Kohlenstoff beschichtetes Kupfergitter (400 Mesh) gegeben und das Lösungsmittel dann bei Raumtemperatur an die Luft gelassen, bis es verdampfte.

Die Bildung von Se-NPs wurde aufgrund ihrer Oberflächenplasmonresonanz (SPR) unter Verwendung eines UV-sichtbaren Spektrophotometers (Shimadzu Co., Kyoto, Japan) auch durch UV/Vis-Spektren von kolloidalen Se-NPs-Lösungen qualitativ bestätigt.

Mit einem Röntgendiffraktometer (Bruker D8 ADVANCE, Karlsruhe, Deutschland) wurde die kristalline Natur der synthetisierten und auf den behandelten Holzoberflächen absorbierten Se-NPs bestimmt.

Holzproben wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop (JEOL JSM-6510LB, Tokio, Japan) untersucht, um die Wirkung der Imprägnierung mit Se-NPs auf die Morphologie ihrer Oberflächen im Vergleich zu Blindproben zu untersuchen. Darüber hinaus wurde eine chemische Analyse der auf der Holzoberfläche gefundenen Elemente mithilfe einer energiedispersiven Spektroskopieeinheit (EDX) durchgeführt, die an ein Rasterelektronenmikroskop angeschlossen war.

K/S-Werte und Farbeigenschaften der behandelten PW- und BW-Proben wurden mit einem Spektrophotometer (Minolta CM-3600 d, Tokio, Japan) gemessen und dann mit den unbehandelten Proben als Kontrolle verglichen.

Der Feuchtigkeitsgehalt und die Dichte der getesteten Holzproben wurden gemäß ISO 13061-1:201445 bzw. ISO 13061-2:201446 bestimmt. Die Tiefe des Eindringens von Se-NPs in das behandelte Holz sowohl auf der tangentialen als auch auf der radialen Seite wurde mit einem digitalen Messschieber (Silverline, UK) gemessen.

Die antimikrobiellen Aktivitäten der leeren oder mit Se-NPs behandelten Holzproben gegen G-ve-Bakterien (Escherichia coli), G+ve-Bakterien (Bacillus cereus und Staphylococcus aureus) und Hefe (Candida albicans) wurden auf der Grundlage des AATCC-Tests getestet Als Ausdruck für die antimikrobielle Aktivität wurden die Methode (147-1988) und die Zone der Wachstumshemmung (mm) verwendet47.

Die aus dieser Studie erhaltenen Daten wurden mit dem Costat-Programm Version 6.311 (CoHort-Software, Monterey, USA) statistisch analysiert. Holzproben wurden mittels statistischer Varianzanalyse (ANOVA) verglichen. Zusätzlich wurde die Standardabweichung (SD) der erhaltenen Daten berechnet. Duncans neuer Bereichstest bei P = 0,05 wurde verwendet, um die signifikanten Variationen zwischen allen Mittelwerten zu bestimmen. Jede Probe in dieser Studie wurde dreimal analysiert48,49,50.

Die vorbereiteten Se-NPs wurden mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) charakterisiert, um den Einfluss der Se-NP-Konzentration auf ihre Morphologie und Größe zu untersuchen. TEM-Mikroaufnahmen bestätigten die Bildung gut dispergierter kugelförmiger Se-NPs, wie in Abbildung 2 dargestellt. Darüber hinaus zeigten diese Mikroaufnahmen keine Verformung oder Aggregation in der kolloidalen Lösung der synthetisierten Se-NPs. Die meisten NPs, die bei einer Konzentration von 25 mM hergestellt wurden, lagen im Bereich von 35–80 nm. Andererseits zeigte die Mehrheit der Se-NPs bei einer Konzentration von 50 mM größere Durchmesser im Bereich von 40 bis 155 nm, was zeigt, dass die Größe der Se-NPs mit zunehmender NP-Konzentration zunahm.

TEM-Bilder von Se-NPs bei verschiedenen Konzentrationen von (a,b) 25 mM und (c, d) 50 mM sowie UV/Vis-Spektren von Se-NPs, die bei verschiedenen Konzentrationen und Natriumhydrogenselenit synthetisiert wurden.

Darüber hinaus waren die in einer Konzentration von 25 mM hergestellten Se-NPs kugelförmig und ringförmig. Bei Se-NPs, die in einer Konzentration von 50 mM synthetisiert wurden, wurden dagegen gewöhnliche feste kugelförmige Partikel beobachtet. Die aus der TEM-Analyse erhaltenen mikroskopischen Aufnahmen zeigten, dass die spezifische Oberfläche der Se-NPs mit der Verringerung der NP-Konzentration aufgrund der Abnahme der Se-NP-Durchmesser und ihrer Hohlform zunahm, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Die Bildung von Se-NPs wurde durch die Änderung der Farbe der kolloidalen Se-NPs-Lösung von farblos zu dunkelorange aufgrund des Oberflächenplasmonresonanzphänomens (SPR) als Ergebnis der kombinierten Elektronenschwingungen der erhaltenen Se-NPs bestätigt51. UV-Vis-Spektren im Bereich von 200 bis 700 nm wurden zur Charakterisierung von Se-NPs bei verschiedenen Konzentrationen (25 mM und 50 mM) verwendet. Die Se-NPs zeigten einen maximalen Peak bei etwa 266 nm, was die Bildung von Se-NPs in Kugelform52 bestätigt, wie in Abbildung 2 (e) dargestellt.

Eine SEM-Analyse wurde durchgeführt, um die Ablagerung der synthetisierten Se-NPs auf den behandelten Holzoberflächen sowohl auf der Quer- als auch auf der Tangentialseite im Vergleich zu den Referenzproben von unbehandeltem PW und BW zu bestätigen. REM-Aufnahmen der leeren Holzproben zeigten, dass ihre Oberflächen typischerweise klar waren und Schuppen frei von Se-NPs waren. Eine offensichtliche Veränderung in der Morphologie der Oberfläche von Holzproben nach der Ablagerung von Se-NPs auf ihnen. Die mit Se-NPs behandelten Oberflächen von PW und BW zeigten glänzende und kugelförmige Partikel im Nanomaßstab, was auf das Vorhandensein von Se-NPs auf den Oberflächen des behandelten Holzes hinweist, wie in Abbildung 3 dargestellt. REM-Aufnahmen zeigten, dass Se-NPs gut waren verteilt auf den behandelten, mit Se-NPs imprägnierten Holzoberflächen. Darüber hinaus wurden auf der behandelten PW-Oberfläche mehr Se-NPs abgeschieden als auf der BW-Oberfläche. PW weist breitere Poren und eine höhere Permeabilität als BW auf, wodurch es größere Mengen an Se-NPs absorbieren kann als BW15. Die EDX-Spektren von mit Se-NPs behandelten PW und BW wurden aufgenommen, um die auf ihren Oberflächen gefundenen chemischen Elemente zu analysieren. Die EDX-Spektren von mit Se-NPs imprägnierten PW und BW zeigten Se-NPs entsprechende Peaks bei etwa 1,3, 11,2 und 12,5 Kev, was die erfolgreiche Ablagerung von Se-NPs auf ihren Oberflächen bestätigt53, wie in Abbildung 3 (e, f) dargestellt. .

REM-Bilder von unbehandeltem (a) PW, (b) BW, dem behandelten (c) PW, (d) BW mit 50 mM Se-NPs im Querschnitt, dem behandelten (e) PW, (f) BW mit 50 mM Se -NPs auf der Tangentialseite und (g, h) EDX-Spektren der behandelten PW und BW.

Eine XRD-Analyse wurde durchgeführt, um die erfolgreiche Synthese der vorbereiteten Se-NPs und ihre Ablagerung auf den mit Se-NPs imprägnierten Holzproben auf der Grundlage der XRD-Muster und der Kristallinitätsnatur der Se-NPs zu bestätigen. Wie in Abbildung 4 dargestellt, waren die synthetisierten Se-NPs und die auf den Oberflächen der Holzproben abgelagerten Se-NPs hochkristallin. Darüber hinaus wurden die bei 24,28°, 29,24°, 43,64° und 64,28° beobachteten Kristallebenen von 100, 101, 102 und 210 Se-NPs zugeordnet, wie in der internationalen Datenbank JCPDS 86-224654 beschrieben. Alle mit Se-NPs imprägnierten Holzproben zeigten Se-NPs entsprechende XRD-Muster, was auf das Vorhandensein der Se-NPs auf ihren Oberflächen und die Ablagerung von Se-NPs auf den Oberflächen der behandelten Holzproben hinweist.

Röntgenbeugungsspektren (XRD) von (a) behandeltem und unbehandeltem PW und (b) behandeltem und unbehandeltem BW im Vergleich zum Se-NP-Spektrum.

Die kolorimetrischen Messungen von Holzproben und solchen, die mit Se-NPs imprägniert waren, wurden spektrophotometrisch bestimmt, um die Wirkung der Se-NPs-Imprägnierung auf die Farbeigenschaften der PW- und BW-Oberflächen zu untersuchen. Die mit Se-NPs imprägnierten Holzproben erhielten durch die Behandlung mit Se-NPs eine dunkelorange Farbe. Wie in Abbildung 5 dargestellt, wurden Se-NPs ausreichend und mit guter Homogenität auf den Oberflächen der behandelten Holzproben abgeschieden. Die leeren PW- und BW-Proben waren hingegen klar und frei von NPs. Die Farbintensität nahm mit zunehmender Konzentration an Se-NPs zu. Die PW-Proben absorbierten höhere Mengen an NPs als BW-Proben, was möglicherweise auf die Variation in ihrer Mikrostruktur zurückzuführen ist. BW weist aufgrund der engen Poren in seiner Oberfläche eine geringere Permeabilität als PW auf15, wie aus den REM-Aufnahmen in Abbildung 3 hervorgeht.

Bilder von PW-Oberflächen: (a) leer, (b) behandelt mit 25 mM Se-NPs, (c) behandelt mit 50 mM Se-NPs, BW-Oberflächen: (d) leer, (e) behandelt mit 25 mM Se-NPs , (f) behandelt mit 50 mM Se-NPs, Eindringen von 50 mM Se-NPs in (g) PW und (h) BW behandelt mit 50 mM Se-NPs im radialen Abschnitt und die Wirkung der Se-NPs-Konzentration und Imprägnierungszeit auf K/S-Werte von (i) dem behandelten PW und (j) dem behandelten BW bei 360 nm.

Die Farbstärkedaten (K/S) von PW- und BW-Holz wurden nach der Imprägnierung mit Se-NPs bei 25 und 50 mM über verschiedene Zeiträume von 2 Stunden, 1 Tag, 2 Tagen und 1 Woche gemessen, wie in Abbildung 5 dargestellt. Bei niedriger Konzentration an Se-NPs zeigten die behandelten PW- und BW-Proben niedrige positive K/S-Werte. Mit zunehmender Se-NP-Konzentration stieg der K/S-Wert und die behandelten Proben verliehen den Holzproben einen rötlicheren Farbton. Die mit Se-NPs imprägnierten PW-Proben zeigten höhere K/S-Werte als die behandelten BW-Proben, wie in Abbildung 5 dargestellt. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die BW-Fasern im Allgemeinen kürzer und im Durchmesser kleiner sind als die PW-Fasern. Darüber hinaus sind die Grübchen in den Fasern des BW viel kleiner und weniger zahlreich und daher weniger auffällig als die des PW55,56.

Der höchste K/S-Wert wurde für die PW-Proben bei einer Imprägnierungszeit von 2 Stunden und einer Konzentration von 50 mM Se-NPs aufgezeichnet. Darüber hinaus nahm die Farbe der behandelten PW-Proben mit zunehmender Imprägnierungszeit ab, mit Ausnahme derjenigen, die eine Woche lang mit 25 mM Se-NPs imprägniert wurden und höhere K/S-Werte aufwiesen als diejenigen, die zwei Tage lang mit der gleichen Konzentration imprägniert wurden. Die Abnahme des K/S-Werts kann auf die Aggregation von Se-NPs aufgrund der Verlängerung der Imprägnierungszeit und damit der Erhöhung der Menge an Se-NPs zurückzuführen sein, die die NP-Aggregation fördert. Die höchsten K/S-Werte der behandelten BW-Proben wurden nach 2 Tagen Imprägnierung erhalten. BW hat eine geringere Durchlässigkeit als PW15; Daher absorbiert es weniger Se-NPs auf der Oberfläche, was eine geringe Konzentration an Se-NPs und eine langsame Aggregation im Laufe der Zeit auf der Oberfläche bedeutet, wie in Abbildung 5 dargestellt.

Die Holzdichte gilt als wichtiges Maß und entspricht mehreren mechanischen Eigenschaften von Holz57. Die durchschnittlichen Dichtewerte von unbehandeltem und behandeltem PW waren niedriger als die von BW. Diese Dichteschwankung kann auf die unterschiedlichen Mikrostrukturen von PW und BW zurückzuführen sein. PW weist breitere Poren und eine höhere Permeabilität auf als BW15. Die höchsten behandelten PW-Dichtewerte (0,426 und 0,434 g/cm3) wurden nach Imprägnierungsperioden von 2 Tagen bei denjenigen beobachtet, die mit 25 bzw. 50 mM Se-NPs behandelt wurden, und es gab keine signifikanten Unterschiede im Dichtewert zwischen ihnen und unbehandelten PW, wie in Tabelle 1 aufgeführt. Die durchschnittlichen Dichtewerte der anderen mit Se-NPs behandelten PW waren jedoch niedriger als die der Blindprobe. Die Imprägnierung mit 25 mM Se-NPs für 2 Stunden und 1 Tag und mit 50 mM für 1 Tag führte zu einer signifikanten Abnahme der PW-Dichte im Vergleich zum Blindwert. Diese Verringerung der Dichte kann auf die Ausdehnung des Holzes infolge des Imprägnierungsprozesses und der Wasseraufnahme58 zurückzuführen sein, die zu einer offensichtlichen Abnahme der PW-Dichte führte. Eine Verlängerung der Imprägnierungszeit kann jedoch zur Ablagerung von mehr Se-NPs auf der Oberfläche und zu einem Anstieg der Dichtewerte führen59. Darüber hinaus wurden die höchsten Dichtewerte der behandelten BW für diejenigen erhalten, die nur 2 Stunden lang mit Se-NPs (25 mM und 50 mM) imprägniert wurden. Darüber hinaus kam es aufgrund der Erhöhung der Se-NP-Konzentration bei einer Imprägnierungszeit von 2 Stunden zu einem deutlichen Anstieg der BW-Dichte. Darüber hinaus wurden keine signifikanten Abweichungen zwischen den mittleren Dichtewerten der anderen behandelten BW-Proben und der Blindprobe beobachtet. Insgesamt waren die Dichtewerte von Holzproben, die mit 50 mM Se-NPs behandelt wurden, normalerweise höher als die von Holzproben, die mit 25 mM Se-NPs behandelt wurden. Diese Variation kann auf den Anstieg der Konzentration der abgelagerten Se-NPs zurückzuführen sein, die im Vergleich zum getesteten Holz eine hohe Dichte aufweisen.

Der Feuchtigkeitsgehalt des behandelten und unbehandelten Holzes wurde bestimmt, um die Auswirkung der Se-NP-Konzentration und der Imprägnierungszeit auf den Feuchtigkeitsgehalt des getesteten Holzes zu untersuchen, wie in Tabelle 1 gezeigt. Der Feuchtigkeitsgehalt von unbehandeltem BW war deutlich niedriger aus unbehandeltem PW, das eine höhere Durchlässigkeit und größere Poren als BW15,55 aufweist. Im Fall von PW stieg der Feuchtigkeitsgehalt im Vergleich zur Blindprobe aufgrund des Imprägnierungsprozesses mit Se-NPs deutlich an, mit Ausnahme derjenigen, die 2 Stunden lang mit 50 mM Se-NPs imprägniert wurden, was einen nicht signifikanten Anstieg zeigte Feuchtigkeitsgehalt im Vergleich zur PW-Kontrolle. Im Allgemeinen nahm der Feuchtigkeitsgehalt von PW- und BW-Proben, die mit 50 mM Se-NPs behandelt wurden, im Vergleich zu Proben, die mit 25 mM Se-NPs behandelt wurden, bei derselben Imprägnierungszeit für denselben Holztyp signifikant ab. Dieser Rückgang kann auf die Zunahme der auf der Oberfläche abgelagerten NP-Menge mit zunehmender Se-NP-Konzentration zurückzuführen sein, wodurch die Wasseraufnahme minimiert werden kann. Daher ist die Imprägnierung mit Metall-NPs wie Se-NPs eine relativ physikalische Blockierung, die das Eindringen von Wasser in imprägniertes Holz verringert und die physikalischen und hydrophoben Eigenschaften von mit Se-NPs behandeltem Holz verbessert60.

Es wurde festgestellt, dass die Tiefe des Eindringens von Se-NPs in das behandelte Holz je nach Änderung der Se-NP-Konzentration, der Imprägnierungszeit und der Art des getesteten Holzes variierte. In Bezug auf die Holzart waren die durchschnittlichen Tiefenwerte des Eindringens von Se-NPs in PW sowohl auf der tangentialen als auch auf der radialen Seite bei derselben Imprägnierungszeit deutlich höher als die von BW, wie in Abbildung 5 dargestellt, mit Ausnahme derjenigen, die mit Se-NPs imprägniert waren (25). und 50 mM) für 1 Tag oder mit 25 mM Se-NPs für 1 Woche, wie in Tabelle 1 gezeigt. BW weist aufgrund seiner Mikrostruktur mit engen Poren eine geringere Permeabilität als PW auf, was das Eindringen von Se-NPs in die getesteten BW-Proben minimieren kann15, 56.

Es gab keine signifikanten Schwankungen in der Eindringtiefe auf der tangentialen Seite bei den behandelten PW-Proben mit der Änderung der Se-NP-Konzentrationen zur gleichen Imprägnierungszeit, mit Ausnahme derjenigen, die zwei Tage lang imprägniert wurden. Sie zeigten einen signifikanten Anstieg der Se-NP-Penetration mit der Abnahme der Se-NP-Konzentration auf der tangentialen Seite. Darüber hinaus wurden auf der radialen Seite ähnliche Ergebnisse erzielt, mit Ausnahme derjenigen, die 2 Stunden lang mit 25 mM Se-NPs behandelt wurden und eine signifikante Zunahme der Eindringtiefe mit zunehmender Se-NP-Konzentration zeigten. Diese hohe Penetration kann auf eine hohe Menge an Se-NPs bei hoher Konzentration (50 mM) und die kurze Imprägnierungszeit zurückzuführen sein, die im Vergleich zu langen Imprägnierungszeiten eine NP-Aggregation verhindert. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass relativ kleine Se-NPs im Vergleich zu aggregierten Partikeln, die während des Auslaugungsprozesses leicht entfernt werden können, weit im Holzinneren abgelagert wurden. Es wurden keine signifikanten Schwankungen der Eindringtiefe sowohl auf der radialen als auch auf der tangentialen Seite bei behandeltem BW im gleichen Imprägnierungszeitraum mit der Änderung der Se-NP-Konzentration beobachtet, mit Ausnahme derjenigen, die eine Woche lang imprägniert wurden. Sie zeigten eine signifikante Abnahme der Eindringtiefe mit zunehmender Se-NP-Konzentration, wie in Tabelle 1 aufgeführt.

Die antimikrobiellen Aktivitäten von mit Se-NPs behandelten Holzproben wurden mithilfe der Hemmzonenmethode gemäß der von Munir et al.61 beschriebenen Methode bewertet. Die antimikrobielle Wirkung wurde gegen Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Candida albicans und Bacillus cereus getestet. Mit Se-NPs imprägnierte PW-Proben zeigten höhere antimikrobielle Aktivitäten als behandelte BW-Proben, da PW (Weichholz) im Vergleich zu BW (Hartholz) eine höhere Permeabilität aufweist, wodurch Se-NPs in die Holzschichten eindringen und die Se-Konzentration erhöhen können -NPs-Konzentration darin55,56. Darüber hinaus beeinflusste die Se-NP-Konzentration die antimikrobielle Aktivität der behandelten Holzproben. Im Fall von PW zeigten Holzproben, die mit einer hohen Se-NP-Konzentration (50 mM) behandelt wurden, eine höhere antimikrobielle Aktivität als Proben, die in einer kolloidalen Se-NP-Lösung mit einer Konzentration von 25 mM getränkt waren. Andererseits zeigten BW-Proben, die mit einer geringen Konzentration an Se-NPs behandelt wurden, eine höhere antimikrobielle Aktivität als Proben, die mit einer hohen Konzentration an Se-NPs imprägniert waren. Dies kann auf die engen Poren im Fall von BW zurückzuführen sein, die die Durchlässigkeit von Se-NPs behindern und mit zunehmender Einweichdauer zu einer Anreicherung von Se-NPs auf der Holzoberfläche führen. Daher führt die Aggregation von Se-NPs zu einer Vergrößerung der Größe der Se-NPs und verringert somit ihre antimikrobielle Aktivität. Wie in Abbildung 1 gezeigt, wiesen Se-NPs bei einer niedrigen Konzentration von 25 mM kleine Nanopartikel im Bereich von 30 bis 80 nm auf, was ihre Durchlässigkeit durch die BW-Oberfläche erhöhte und die Möglichkeit einer Aggregation verringerte. Darüber hinaus vergrößerte ihre hohle Form ihre spezifische Fläche und ihre antimikrobiellen Aktivitäten im Vergleich zu denen von Se-NPs, die mit 50 mM hergestellt wurden. Die höchste antimikrobielle Aktivität wurde bei PW-Proben erzielt, die mit 50 mM Se-NPs gegen E. coli behandelt wurden. Darüber hinaus zeigte S. aureus eine höhere Empfindlichkeit gegenüber der Abnahme der Se-NP-Durchmesser. Die antimikrobielle Aktivität von mit Se-NPs behandelten Holzproben gegen S. aureus nahm mit einer Abnahme der Se-NPs-Größe und einer Verlängerung der Einweichzeit sowohl im PW als auch im BW zu. Andererseits war Candida albicans resistenter gegen den Se-NPs-Effekt als die anderen getesteten Mikroben, wie in Tabelle 2 gezeigt.

In dieser Studie ist es uns gelungen, PW- und BW-Oberflächen mit Se-NPs zu imprägnieren, um antimikrobielles Holz mit guten Farbeigenschaften und hoher Haltbarkeit zu erhalten. Die in Konzentrationen von 25 und 50 mM hergestellten Se-NPs wurden mittels instrumenteller Identifizierung charakterisiert und bestätigten die Bildung von Se-Partikeln im Nanomaßstab. Die Durchmesser der Se-NPs nahmen mit zunehmender Konzentration ab, was sich auch auf die NP-Morphologie auswirkte. Bei 25 mM waren Se-NPs kugelförmig und hatten eine hohle Form, wohingegen bei 50 mM synthetisierte Se-NPs nur eine kugelförmige Form aufwiesen. Darüber hinaus wurden die vorbereiteten Se-NPs über verschiedene Zeiträume in unterschiedlichen Konzentrationen auf die PW- und BW-Oberflächen imprägniert, um den Einfluss der Se-NP-Konzentration und der Imprägnierungszeit auf die Farbe und die antimikrobiellen Eigenschaften der Holzproben zu untersuchen. Die mit Se-NPs imprägnierten Holzproben wurden mittels EDX-, SEM- und XRD-Analysen untersucht, die eine erfolgreiche Ablagerung von Se-NPs auf den behandelten Holzoberflächen zeigten. Die Ergebnisse der Farbeigenschaften zeigten, dass die höchsten K/S-Werte nach einer Imprägnierung mit 50 mM Se-NPs für 2 Stunden bzw. 2 Tage Imprägnierungszeit im Fall von PW bzw. BW erzielt wurden. Die besten antimikrobiellen Aktivitäten wurden nach einwöchiger Imprägnierung von PW mit Se-NPs in einer Konzentration von 50 mM und zweitägiger BW-Behandlung mit 25 mM Se-NPs erzielt. PW- und BW-Behandlungen mit Se-NPs waren hilfreich bei der Verbesserung der Farbe und der antimikrobiellen Eigenschaften des getesteten Holzes und stellten so die Anwendbarkeit von Se-NPs als Schutz- und Dekorschicht für Holzoberflächen sicher und verbesserten die Haltbarkeit des Holzes. PW und BW werden als Weich- und Hartholzarten bevorzugt und bei der Herstellung von Möbeln, Gebäuden sowie Innen- und Außenprojekten eingesetzt. In dieser Hinsicht verbessert die Erhöhung der Holzhaltbarkeit durch Se-NP-Behandlung die Anwendbarkeit von PW und BW in diesen Bereichen.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel [und seinen ergänzenden Informationsdateien] enthalten.

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Abteilung für Textildruck, Färberei und Veredelung, Fakultät für Angewandte Kunst, Damietta-Universität, Damietta, 34512, Ägypten

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Abteilung für Innenarchitektur und Möbel, Fakultät für Angewandte Kunst, Damietta-Universität, Damietta, 34512, Ägypten

Abeer Swidan & Nancy Zaghloul

Abteilung für landwirtschaftliche Biotechnologie, Fakultät für Landwirtschaft, Damietta-Universität, Damietta, 34512, Ägypten

Khaled Sayed-Ahmed

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TAE konzipierte die ursprüngliche Idee dieser Studie und beteiligte sich an der Gestaltung, Koordination und Ausarbeitung des Manuskripts. NZ war für die Imprägnierungsexperimente, Farbmessungen und die Probenvorbereitung für die Prüfung der antimikrobiellen Aktivität verantwortlich. KS bereitete die NPs zusätzlich zu ihrer Charakterisierung vor und interpretierte die Ergebnisse der antimikrobiellen und farblichen Eigenschaften. KS und NZ waren für die statistische Analyse verantwortlich. AS überarbeitete die Imprägnierungsmethodik und diskutierte die gewonnenen Daten zu den Farbeigenschaften. Alle Autoren waren an der Erstellung und Ausarbeitung des Manuskripts beteiligt.

Korrespondenz mit Tarek Abou Elmaaty oder Khaled Sayed-Ahmed.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 28. April 2023

Angenommen: 30. Juli 2023

Veröffentlicht: 10. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39748-5

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