CN101134803B - 一种脲醛泡沫植物栽培基质及其制备方法 - Google Patents

一种脲醛泡沫植物栽培基质及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种脲醛泡沫植物栽培基质及其制备方法。该方法包括以下步骤：1)将甲醛和尿素混合进行缩聚反应，得到脲醛树脂溶液；2)将丁基萘磺酸钠与磷酸混合，得到起泡液；3)将所述起泡液与所述脲醛树脂溶液在发泡机中发泡，得到液态泡沫；4)将所述液态泡沫固化、干燥，得到泡沫基质；5)脱除所述泡沫基质中的醛基，即得到脲醛泡沫植物栽培基质。本发明所提供的技术方案，方法简便，所需原材料品种少，成本较低。利用该技术方案得到的脲醛泡沫植物栽培基质，具有通透的多泡孔结构，吸水性好，完全能够满足植物正常生长发育的需要。与现有无土栽培装置及脲醛泡沫栽培基质相比，农艺栽培性状等同或高于现有无土栽培装置或基质。

Description

一种脲醛泡沫植物栽培基质及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种植物栽培基质及其制备方法，特别是一种脲醛泡沫植物栽培基质及其制备方法。
背景技术
土壤作为植物栽培的最基本载体已经为众人所知，但随着土地资源的日益紧缺及植物特殊的栽培要求，在某种程度上传统意义的栽培基质已经不能满足现代农业生产的需要。作为替代土壤栽培的无土栽培产品越来越受到人们的重视，相关的研究报道也越来越多，如CN1323514A(公开日为2001年11月28日)和CN1059819(公开日为1992年4月1日)。这些专利中所采用的无土栽培基质多为复合载体，主要利用泡沫塑料、锯末、植物腐体等作为植物生长的载体。
泡沫塑料一般是由特定的树脂经过发泡处理形成泡沫，再干燥定型而成。该类材料质轻、导热系数小、吸水保水性好、制造原料丰富，加工价格相对较低廉，但此类材料一般强度较差，对蒸气不稳定。目前主要用作隔音保温材料，广泛应用于建筑、交通运输、化工、油田、医疗卫生、包装等行业。如专利CN1071177A(公开日为1993年4月21日)、CN85102211A(公开日为1986年9月17日)、CN1260364A(公开日为2000年7月19日)和CN1736936A(公开日为2006年2月22日)中公开的泡沫塑料，均为非农所用。而充分利用泡沫材料的特性，使其成为植物栽培的良好基质一直是人们关注的热点。例如脲醛泡沫，该材料是由尿素和甲醛经过缩聚反应生成脲醛树脂，然后经过发泡处理、干燥定型而成。该材料具有质地轻、吸水保水性好、制造原料丰富、价格低廉、制造工艺简单且可自然分解，栽培过程中省工、省种、省肥、省水、无病虫无杂草等特点，同时材料中富含缓释氮源是植物生长的良好基质。目前美国、欧洲等发达国家和地区已经开始了脲醛泡沫植物栽培基质的相关研究。我国在脲醛树脂合成、混合树脂发泡材料的研制方面也有相关报道，如CN1439253A(公开日为2003年9月3日)。该专利采用脲醛树脂进行发泡，得到了脲醛泡沫植物培养基质。但是，该制造脲醛泡沫植物栽培基质的工艺方法复杂，泡沫基质中物质成分多样，并含有对植物生长有间接毒害作用的化学成分，同时生产成本也相对较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种脲醛泡沫植物栽培基质及其制备方法。
本发明提供的制备脲醛泡沫植物栽培基质的方法，包括以下步骤：
1)将甲醛和尿素混合进行缩聚反应，得到脲醛树脂溶液；
2)将丁基萘磺酸钠与磷酸混合，得到起泡液；
3)将所述起泡液与所述脲醛树脂溶液在发泡机中发泡，得到液态泡沫；
4)将所述液态泡沫置于模型中固化、干燥，得到泡沫基质；
5)脱除所述泡沫基质中的醛基，即得到脲醛泡沫植物栽培基质。
上述技术方案的步骤1)中，进行缩聚反应的两种反应物甲醛与尿素的物质的量之比为1.5-2.4∶1。
由于市售的甲醛均以水溶液的形式存在，其质量百分浓度为36％-38％。因而，根据缩聚反应的需要，在该反应进行之前，还要将市售的甲醛水溶液配制成质量百分浓度为30％的甲醛水溶液。
该缩聚反应的具体步骤为：将尿素分三批加入，逐次加入量分别为加入尿素总质量的75％、20％和5％；
第一批尿素加入后在30-40分钟内使内温升到55℃-65℃，继续加热30-60分钟，使内温升到90℃，在90℃-94℃下保持恒温25-35分钟；
将pH值调节为5.8-6.5后加入第二批尿素，20-30分钟后调节pH值为5.4-5.6，温度保持在90℃-94℃；
待粘度达到20-30厘泊后加入第三批尿素，同时在50-60分钟内使内温降到55℃-60℃，继续冷却至30℃-40℃，调节pH值为6.8-7.2，得到脲醛树脂。向该树脂中加水进行稀释，加入量为树脂体积的40％-50％，即得到脲醛树脂溶液
本发明所述的制备方法中，采用分批加入尿素的方法，可使所述缩聚反应进行得更加充分，并可使最终得到的脲醛树脂成分含量更加合理，无尿素残留。
上述技术方案的步骤2)中，起泡液为丁基萘磺酸钠和磷酸混合而成的水溶液。
上述技术方案的步骤2)是将0.4-1.8质量份数的丁基萘磺酸钠，0.7-1.6质量份数的质量百分浓度为85％的磷酸和22-35质量份数的水混合均匀，即得到起泡液。
上述技术方案的步骤3)中的发泡过程，是先向发泡机中通入流量为10-40升/小时的起泡液，同时通入压力为5-8个大气压的高压空气，流量为3-10m3/min，开启搅拌推进器，当视镜中看到产生大量泡沫时，通入流量为130-180升/小时的脲醛树脂溶液，在强力搅拌作用下，该树脂可与起泡液充分混合，搅拌20-120秒后，从发泡机出口即可得到液态泡沫树脂。
上述技术方案的步骤4)是将液态泡沫树脂置于模具中，在15-28℃的条件下固化1h-2h，固化完毕后还要在20-30℃的条件下干燥0.5h-1.5h，即可得到脲醛树脂泡沫基质。
上述技术方案的步骤5)是将脲醛树脂泡沫基质进行脱醛化处理，以降低其中游离甲醛的含量。同时，为了增强泡沫基质的吸水保水性能，还要对其进行亲水化处理。
其中，脱醛剂为碳酸氢铵；亲水剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、亚甲基双萘磺酸钠(NNO)或脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)，优选为脂肪醇聚氧乙烯醚。将0.1-2.25重量份的脱醛剂和0.002-0.0135重量份的亲水剂稀释于20-45重量份的水中，得到脱醛剂与亲水剂的水溶液，然后将其均匀喷涂于泡沫基质表面，每平方米喷涂50-250ml。
在此步骤之前，可根据实际需要先将该泡沫基质切割加工成适当尺寸后再进行处理。
将该泡沫基质干燥后即可得到具有农艺性状的脲醛泡沫植物栽培基质。
本发明所提供的技术方案，方法简便，所需原材料品种少，成本较低。利用该技术方案得到的脲醛泡沫植物栽培基质，具有通透的多泡孔结构，泡孔直径在0.001-0.1mm之间，容重为8-20kg/m3，吸水性好，24小时饱和吸水量为100-600mg/cm3，30秒吸水量为30-300mg/cm3，总氮量为15-28％，游离甲醛含量＜0.8％，游离氮量＜0.5％，吸水后pH值在4-7.8，完全能够满足植物正常生长发育的需要，且植物的出苗率可达到95％以上。与现有无土栽培装置及脲醛泡沫栽培基质相比，农艺栽培性状等同或高于现有无土栽培装置或基质。
具体实施方式
实施例1、脲醛泡沫植物栽培基质的制备及其效果检测
将市售的浓度为36％-38％的甲醛水溶液配制成浓度为30％的甲醛水溶液。
1)脲醛树脂溶液的制备
称取上述30％甲醛溶液843.6克(体积约为785ml)加入三口瓶中，开动搅拌机充分搅拌，取甲醛溶液试样测定其pH值，用90滴质量百分比为10％的氢氧化钠溶液调节pH值在6.4-6.7之间。
称取第一批尿素210克，为尿素总加入量279.6克的75％，加入到三口瓶中，在20-30℃下加水使其溶解。待第一批尿素完全溶解后，开启水浴加热炉，在30-40分钟内使内温升到55℃。此后继续加热，在30-60分钟内使内温升至90℃，在90-94℃下保持恒温30分钟。测定pH值，用10％的甲酸调节pH值在5.8-6.5之间，其用量根据实际需要确定。
加入第二批尿素56克，为总量的20％。第二批尿素加入25分钟后用10％的甲酸调节pH值在5.4-5.5之间。在此期间对溶液的粘度进行实时监测。
90～150分钟之后，溶液的粘度可达到20-27厘泊。此时加入第三批尿素14克，并通入冷却水降温。在50-60分钟内使内温降到58℃-62℃。此后继续冷却，至40℃时用10％的氢氧化钠溶液调节溶液pH值为6.8-7.2，并向其中加入400-500ml水，即得到脲醛树脂溶液，备用。
2)起泡液的制备
将14.34克丁基萘磺酸钠与11.2ml质量百分浓度为85％的磷酸溶解于290ml水中，即得到起泡液。
3)脲醛树脂的发泡
将所述脲醛树脂溶液打入一高位槽中，同时将所述起泡液打入另一高位槽中。起泡液以10升/小时的流量进入发泡机中，同时鼓入压力为6个大气压的压缩空气，该压缩空气的流量为4m3/min，并开启搅拌推进器。当视镜中看到起泡液中产生大量泡沫时，加入所述脲醛树脂溶液，流量为130升/小时。用高速螺旋桨进行强力搅拌发泡，搅拌100-120秒后，达到30-80的发泡倍数后，从发泡机出口即可得到液态泡沫树脂。
4)液态泡沫树脂的固化、干燥
将所述液态泡沫树脂倒入模具中，在15℃-28℃的条件下固化1.5h；固化完毕后在20℃-30℃的条件下干燥1h，得到脲醛树脂泡沫基质。
5)脲醛树脂泡沫基质的脱醛、亲水化处理
为了降低所述脲醛树脂泡沫基质中游离甲醛的含量，增强泡沫基质的吸水保水性能，还需要对其进行脱醛、亲水化处理。根据实际需要，在此步骤之前先将泡沫基质切割成57.5×27.5×1.6cm的切片。
将碳酸氢铵9克和脂肪醇聚氧乙烯醚0.075克溶解于250ml水中，得到脱醛剂和亲水剂的水溶液，然后将其均匀喷涂于泡沫基质表面，每平方米喷涂150ml。
之后将该泡沫基质在20℃-30℃的条件下干燥1小时，即得到可用于植物栽培的脲醛泡沫基质。
测定干泡沫的容重为19mg/cm3，饱和吸水量为405.5mg/cm3，基质内液体环境pH值为6.5，游离甲醛含量＜0.8％，总氮量27％，游离氮量＜0.5％。
将高羊矛、玉米和小麦种子分别洒到三块本发明提供的脲醛泡沫植物栽培基质上，表面覆盖碎基质0.5cm，浇透水，在16-28℃下进行育种，5-20天内即可出苗。本实验重复三次，所得上述三种植物种子的平均出苗率分别为95％、98％和98％。
上述效果检测数据如表1所示。由表1可以看出，由本发明所提供的技术方案制备得到的脲醛泡沫植物栽培基质，能够满足植物的正常生长发育，出苗率较高。
表1、实施例1的效果检测数据
Figure B2007101206764D00051
实施例2、脲醛泡沫植物栽培基质的制备及其效果检测
将市售的浓度为36％-38％的甲醛水溶液配制成浓度为30％的甲醛水溶液。
1)脲醛树脂溶液的制备
将29.83％的甲醛60.25公斤加入反应釜中，加入10％的氢氧化钠210ml，调PH为6.7，开启搅拌器，同时加入第一批尿素15公斤。待尿素完全溶解后开始加热，40分钟内使内温升到60℃，继续加热，再经过60分钟使内温升至90℃，保持温度在90℃-94℃，恒温30分钟。测定pH值，用10％的氢氧化钠溶液调节pH值在5.8-6.5之间，其用量根据实际需要确定。
加入第二批尿素4公斤，保持温度在90℃-92℃，30分钟后加入甲酸115ml，调节pH值为5.4，保持温度在90℃-94℃。在此期间对溶液的粘度进行实时监测。
90分钟后溶液的粘度达到25厘泊，此时加入第三批尿素1公斤，并开冷却水进行冷却。50分钟后内温降至55℃，继续冷却到温度为32℃，加入230ml10％的氢氧化钠溶液，调节pH值为7.0，并加入35公斤的水，得到脲醛树脂溶液，备用。
2)起泡液的制备
将1.5公斤丁基萘磺酸钠与1升85％的磷酸溶解于18升水中，即得到起泡液。
3)脲醛树脂的发泡
将所述脲醛树脂溶液打入一高位槽中，同时将所述起泡液打入另一高位槽中。起泡液以30升/小时的流量进入发泡机中，同时鼓入压力为8个大气压的压缩空气，该压缩空气的流量为9m3/min，打开搅拌推进器，当视镜中看到产生大量泡沫时，加入脲醛树脂溶液，流量为180升/小时。用高速螺旋桨进行强力搅拌发泡，搅拌20-90秒后，达到40-50的发泡倍数要求时，从发泡机出口即可得到液态泡沫树脂。
4)液态泡沫树脂的固化、干燥
将所述液态泡沫树脂倒入模具中，在15℃-28℃的条件下固化1.5h；固化完毕后在20℃-30℃的条件下干燥1h，得到脲醛树脂泡沫基质。
5)脲醛树脂泡沫基质的脱醛、亲水化处理
根据实际需要，在此步骤之前先将泡沫基质切割成57.5×27.5×1.6cm的切片。将碳酸氢铵1.0公斤和亚甲基双萘磺酸钠(NNO)0.0075公斤，溶解于25升水中，得到脱醛剂和亲水剂的水溶液，然后将其均匀喷涂于泡沫板表面，每平方米喷涂165ml。
之后将该泡沫基质在20℃-30℃的条件下干燥1小时，即得到可用于植物栽培的脲醛泡沫基质。
测定该脲醛泡沫的容重为15.1mg/cm3，饱和吸水量为480.5mg/cm3，基质内液体环境pH值为6.6，游离甲醛含量＜0.3％，总氮量为28.0％，游离氮量＜0.3％。
将高羊矛、玉米和小麦种子分别洒到三块本发明提供的脲醛泡沫植物栽培基质上，表面覆盖碎基质0.5cm，浇透水，在16-28℃下进行育种，在5-18天内即可出苗。本实验重复三次，所得上述三种植物种子的平均出苗率分别为96％、98％和98％。
上述效果检测数据如表2所示。由表2可以看出，由本发明所提供的技术方案制备得到的脲醛泡沫植物栽培基质，能够满足植物的正常生长发育。
表2、实施例2的效果检测数据
Figure B2007101206764D00071
实施例3、脲醛泡沫植物栽培基质的效果检测
将高羊矛、玉米和小麦种子分别洒到三块本发明提供的脲醛泡沫植物栽培基质上。同时，在相同的栽培环境中，将高羊矛、玉米和小麦种子分别洒到传统土壤栽培基质中。种子的表面均覆盖碎基质0.5cm，浇透水，观察上述植物种子在这两种栽培基质中的出苗情况，其出苗率的比较数据结果如表3所示。
表3、使用本发明植物栽培基质和使用传统土壤栽培的植物的出苗率比较
Figure B2007101206764D00072
由表3可以看出，利用本发明所提供的脲醛泡沫植物栽培基质进行植物栽培，植物的出苗率与传统土壤栽培相比更高，可达到95％以上。

Claims (8)

1.一种制备脲醛泡沫植物栽培基质的方法，包括以下步骤：
1)将物质的量之比为1.5-2.4∶1的甲醛和尿素混合进行缩聚反应，得到脲醛树脂溶液，具体步骤为：将尿素分三批加入，逐批加入量分别为加入尿素总质量的75％、20％和5％；
第一批尿素加入后在30-40分钟内使内温升到55℃～65℃，继续加热30-60分钟，使内温升到90℃，在90℃-94℃下保持恒温25-35分钟；
将pH值调节为5.8-6.5后加入第二批尿素，20-30分钟后调节pH值为5.4-5.6，该步骤保持温度在90℃-94℃；
待粘度达到20-30厘泊后加入第三批尿素，同时在50-60分钟内使内温降到55℃-65℃，继续冷却至30℃-40℃，调节pH值为6.8-7.2，即得到脲醛树脂；向该树脂中加水进行稀释，加入量为树脂体积的40％-50％，即得到脲醛树脂溶液；
2)将0.4-1.8质量份数的丁基萘磺酸钠，0.7-1.6质量份数的磷酸和22-35质量份数的水混合均匀，得到起泡液；
3)将所述起泡液与所述脲醛树脂溶液在发泡机中发泡，得到液态泡沫；
4)将所述液态泡沫固化、干燥，得到泡沫基质；
5)脱除所述泡沫基质中的醛基，即得到脲醛泡沫植物栽培基质。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述将起泡剂溶液与脲醛树脂溶液在发泡机中发泡的具体步骤是：先向发泡机中通入流量为10-40升/小时的起泡液，同时通入压力为5-8个大气压的空气，流量为3-10m3/min，待产生气泡后再通入流量为130-180升/小时的脲醛树脂溶液，从发泡机出口处即可得到液态泡沫。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中，所述固化步骤是在15-28℃条件下持续1-2小时，所述干燥步骤是在20-30℃的条件下持续0.5-1.5小时。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤5)中，所述脱醛基步骤中，脱醛剂为碳酸氢铵。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤5)中，在脱除醛基步骤之后，还要在所述泡沫基质表面喷涂亲水剂溶液。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述亲水剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、亚甲基双萘磺酸钠或脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠中的一种或任意几种的组合。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述亲水剂为脂肪醇聚氧乙烯醚。
8.权利要求1-7任一所述制备方法得到的脲醛泡沫植物栽培基质。
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