CN104640436A - 纤维块状体及使用纤维块状体的人工土壤 - Google Patents

纤维块状体及使用纤维块状体的人工土壤 Download PDF

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Abstract

提供一种可作为兼备保水性和强度、进一步具备良好的透气性的人工土壤粒子使用的纤维块状体。纤维块状体(1)具备将纤维(2)集合而形成的芯部(3)和包覆芯部(3)的透水性膜(4)，透水性膜(4)具备多孔质结构，透水性膜(4)包覆芯部(3)的外表面部的40％以上，芯部(3)具有保水性材料且给芯部(3)及透水性膜(4)中的至少任意一方提供离子交换能力，具有1-10mm的粒径，构造为在芯部(3)中保持水分为饱和状态的湿润状态与芯部(3)中未保持水分为饱和状态的可透气状态之间，可调整水分保持量。

Description

纤维块状体及使用纤维块状体的人工土壤
技术领域
本发明涉及将纤维集合而成的纤维块状体及使用该纤维块状体的人工土壤。
背景技术
将纤维集合而成的纤维块状体由于在纤维之间形成空隙，因此是轻质的且该空隙中能够含有水分。因此，纤维块状体能够用作保水性材料。另外，例如，也考虑纤维块状体在纤维之间的空隙中负载催化剂或有用微生物的使用方法。因此，利用纤维之间的空隙的特性，例如，纤维块状体在农业领域被用作人工土壤、在环境领域被用作水处理用载体。
例如，为了建筑物的屋顶、公寓大楼的阳台等室外空间或大厅、起居室等室内空间中的绿化，有时使用人工土壤。特别是，绿化室内空间时，使用人工土壤代替天然土壤的情况变多。这是因为在室内空间的绿化中使用天然土壤的情况下，担心由于天然土壤重量的缘故而难以移动设置栽植、由于微生物在天然土壤中繁殖而使室内变得不卫生的问题。纤维块状体与相同容积的天然土壤相比，重量轻、具有良好的排水性并且卫生，因此可以说是适合人工土壤的原料。
作为使用纤维的现有的人工土壤的例子，专利文献1提出了使椰子纤维成型为球形的园艺用纤维球体。
另外，专利文献2提出了用树脂或浆糊使天然纸浆凝固作为固体物质，以该固体物质粉碎后的碎片物作为天然土壤的替代品。
现有技术文献：
专利文献
专利文献1:实开昭55-56564号公报
专利文献2:特开2004-350655号公报
发明内容
发明要解决的课题
专利文献1的园艺用纤维球体以将从外部供给的水保持在亲水性的椰子纤维中，植物能够利用该水的方式作成。但是，该园艺用纤维球体的椰子纤维由于仅仅成型为简单的球状，因此不具有足够的强度。另外，由于椰子纤维露在外面，因此若外部环境干燥则可能会立即失去水分。
专利文献2的植物栽培装置使用将用树脂或浆糊使天然纸浆凝固的固体物质粉碎后的粉碎物作为天然土壤的替代品。在用树脂或浆糊使纤维凝固时，该粉碎物在含有水的状态下凝固。由此，粉碎物虽保持一定的水分，但由于用树脂或浆糊使纤维凝固，因此在想要从外部追加供给水分的情况下，难以在粉碎物内进一步保持水分。另外，由于在纤维的间隙填充树脂或浆糊，因此粉碎物内的透气性不好，容易形成厌氧的状态。并且，由于植物的根难以侵入到粉碎物内，因此植物不能从粉碎物充分地吸收水分，从而可能会妨碍成长。
本发明鉴于上述问题点而作出，目的是提供一种可兼备保水性和强度、进一步可作为具备有良好的透气性的人工土壤粒子使用的纤维块状体。
解决课题的方法
用于解决上述课题的本发明的纤维块状体的特征结构为：
具备将纤维集合而成的芯部和、
包覆所述芯部的透水性膜。
本结构的纤维块状体由于将纤维集合从而构成芯部，因此在芯部的纤维之间可形成可保持水分的空隙。另外，由于用透水性膜包覆芯部，因此确保纤维块状体的芯部和外部环境的透水性的同时，还确立一定的屏蔽性及刚性。其结果是能够通过透水性膜维持纤维块状体的强度，从而兼顾保水性和强度两者。另外，由于芯部介由透水性膜可从外部环境摄入水分及向外部环境放出水分，因此本结构的纤维块状体在随着人工土壤粒子等的水分的移动的用途上，能够表现优异的适应性。
在本发明的纤维块状体中，
优选地，所述透水性膜具备多孔质结构。
由于本结构的纤维块状体用具备多孔质结构的透水性膜包覆芯部，因此能够提高芯部和外部环境的透水性，进一步外部气体能够通过透水性膜的多孔质结构，所以能够实现良好的透气性。
在本发明的纤维块状体中，
优选地，所述透水性膜包覆所述芯部的外表面部的40％以上。
由于本结构的纤维块状体芯部的外表面部的40％以上用透水性膜包覆，因此可将纤维块状体的强度及耐久性维持在一定水平以上，同时可防止在芯部和外部环境之间的水分的急剧移动，从而实现适当的水分控制。
在本发明的纤维块状体中，
优选地，所述芯部具有保水性材料。
本结构的纤维块状体由于芯部具有保水性材料，因此除了能够具备基于芯部本来具有的纤维之间的空隙的保水性以外，还能够具备基于保水性材料的保水力。其结果是作为纤维块状体整体能够进一步提高保水力，能够作为抗干燥能力强的纤维块状体。
在本发明的纤维块状体中，
优选地，给所述芯部及所述透水性膜中的至少任意一方提供离子交换能力。
本结构的纤维块状体由于给芯部及透水性膜中的至少任意一方提供离子交换能力，因此具有高离子交换容量。由于这种具有离子交换能力的纤维块状体能够吸附从外部环境摄入至芯部的水分中含有的特定的离子，因此可用于各种用途。
在本发明的纤维块状体，
优选地，具有1-10mm的粒径。
由于本结构的纤维块状体具有1-10mm的粒径，因此在纤维块状体间形成适度的间隙，能够实现良好的透气性或排水性。
在本发明的纤维块状体中，
在所述芯部中保持水分为饱和状态下的湿润状态与所述芯部中未保持水分为饱和状态的可透气状态之间，优选以可调整水分保持量的方式而构成。
本结构的纤维块状体由于在芯部中保持水分为饱和状态的湿润状态与芯部中未保持水分为饱和状态的可透气状态之间，以可调整水分保持量的方式而构成，因此例如，在外部环境中存在很多水分的情况下，能够吸收外部环境的水分至芯部，在外部环境中水分少的情况下，能够使芯部中保持的水分放出到外部环境。这样，本结构的纤维块状体能够使水分在芯部和外部环境之间适当地移动，因此适于作为水分的控制性优异的人工土壤粒子的用途。
在本发明的纤维块状体中，
优选地，所述纤维是长度为0.2-0.5mm的短纤维。
本结构的纤维块状体通过使用长度为0.2-0.5mm的短纤维作为纤维，将纤维集合从而形成芯部，则能够使在纤维之间形成的空隙的尺寸一致。其结果是形成纤维块状体的特性(吸水性、透水性、透气性等)稳定的纤维块状体。
用于解决上述课题的本发明的人工土壤的特征结构为：
使用上述任何一个纤维块状体作为人工土壤粒子。
本结构的人工土壤由于作为人工土壤粒子使用的纤维块状体兼备保水性和强度、透气性也良好，因此能够适用作天然土壤的替代品。
附图说明
图1是模式地示出本发明的纤维块状体的说明图。
图2是例示本发明的实施方案的纤维块状体的照片。
图3是模式地示出在使用本发明的纤维块状体作为人工土壤粒子的人工土壤中种植植物的状态的说明图。
图4是例示使用本发明的纤维块状体的人工土壤的水分保持曲线的图表。
图5是拍摄本发明的纤维块状体的表面的显微镜照片。
发明的实施方式
以下，基于图1-图5说明关于本发明的纤维块状体及使用该纤维块状体作为人工土壤粒子的人工土壤的实施方案。但是，本发明并非意在限于以下说明的实施方案或附图中记载的结构。
＜纤维块状体＞
图1是模式地示出本发明的纤维块状体1的说明图。(A)是纤维块状体1的外观图、(B)是纤维块状体1的剖面图。图2是例示本发明的实施方案的纤维块状体1的照片。(A)是纤维块状体1集合的状态的照片、(B)是一个纤维块状体1的放大照片。纤维块状体1具备将纤维2集合而构成的芯部3和包覆芯部3的透水性膜4。如图1所示，芯部3是在纤维2复杂地集合的状态下造粒而得，芯部3形成球状。用透水性膜4包覆芯部3，由此构成纤维块状体1。本实施方案中，如图2所示，纤维块状体1构成接近球状的立体形状，但例如，也可构成扁平的橄榄球形状、具有突起的金平糖形状、多面体形状、具有一定以上厚度的板状、不定形状等。
芯部3的形成所使用的纤维2的形态为长纤维或短纤维。短纤维中也包括纤维长度极小的粉末状纤维。通过将长纤维或短纤维造粒，形成纤维2集合的芯部3。造粒时，根据需要，也可使用树脂或浆糊等粘合剂。在芯部3内部的集合的纤维2之间形成空隙5。纤维块状体1能够将水分保持在空隙5中。因此，空隙5的状态(例如，空隙5的大小、数量、形状等)与纤维块状体1能够保持的水分量，即保水性有关。通过改变在将芯部3造粒时纤维2的使用量(密度)、纤维2的种类、粗细、长度等，可调整空隙5的状态。此外，就纤维2的尺寸而言，粗细优选为5-100μm左右，长度优选为0.5-10mm左右。另外，作为纤维2也可使用预先切割的短纤维，在这种情况下，短纤维的长度优选为0.2-0.5mm左右。
为了将水分充分保持在芯部3中，优选地，就纤维块状体1而言，作为纤维2使用亲水性的纤维。由此，能够进一步提高纤维块状体1的保水性。纤维2的种类可以是天然纤维或合成纤维中的任意一种并根据纤维块状体1的使用目的适宜地选择。作为优选的亲水性的纤维，例如，天然纤维可列举棉、羊毛、人造丝、纤维素等，合成纤维可列举维尼纶、聚氨酯、尼龙、乙酸酯等。这些纤维中，更优选棉及维尼纶。作为纤维2，也可使用混织天然纤维和合成纤维而得的纤维。
芯部3的外表面部由透水性膜4包覆。透水性膜4为具有水可通过的微细孔的膜。或者，可采用水分可从一侧渗透并移动到另一侧的渗透性膜。透水性膜4确保纤维块状体1的芯部3和外部环境的透水性并且确立一定的屏蔽性及刚性。这里，“外部环境”意思是指纤维块状体1的外侧的环境。在外部环境中可存在水分。通过芯部3的外表面部的40％以上、优选60％以上由透水性膜4包覆，可将纤维块状体1的强度及耐久性维持在一定以上，同时防止在芯部3与外部环境间的水分的急剧的移动，可实现适当的水分控制。另外，通过改变透水性膜4的膜厚或材质也可调整纤维块状体1的保水性。由于透水性膜4可从外部环境摄入水分及向外部环境放出水分，因此具备透水性膜4的纤维块状体1在随着人工土壤粒子等的水分的移动的用途上，可表现优异的适应性。
为了强化构成芯部3的纤维2的缠绕部分(纤维2彼此接触的部分)，透水性膜4也可形成从芯部3的外表面部稍微向内侧渗透的状态的程度的厚度。由此，可进一步提高纤维块状体1的强度及耐久性。透水性膜4的膜厚设定为1-500μm，优选设定为10-200μm，更优选设定为20-100μm。
此外，为了确保芯部3和外部环境的充分的透气性，透水性膜4具备多孔质结构。例如，如图1(A)所示，在透水性膜4上形成了连通芯部3和外部环境的连通孔6。由于连通孔6具有比透水性膜4本来具有的微细孔更大的尺寸，因此水分当然也可通过连通孔6，结果是芯部3和外部环境的透水性也提高。此外，本实施方案中，将透水性膜4作成多孔质结构并在透水性膜4上直接形成连通孔6，但也可在透水性膜4上混合天然矿物或合成高分子发泡材料等多孔质填料，从而介由多孔质填料形成连通孔6。透水性膜4上形成的连通孔6的直径设定为1-2000μm，优选设定为10-900μm，更优选设定为300-900μm。
透水性膜4的材质优选水不溶性的难以氧化的材质，例如，可列举树脂材料。作为这种树脂材料，例如，可列举聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃类树脂，聚氯乙烯、聚偏氯乙烯等氯乙烯类树脂，聚对苯二甲酸乙二酯等聚酯类树脂，聚苯乙烯等苯乙烯类树脂。其中，优选聚乙烯。另外，也可使用聚乙二醇、丙烯酰胺等高分子凝胶化剂、海藻酸盐或卡拉胶等天然多糖类系凝胶化剂、天然橡胶或硅橡胶等橡胶类涂覆剂等代替树脂材料。
设计纤维块状体1时，也可进一步提高芯部3的保水性。例如，以芯部3具有保水性材料的方式构成。在这种情况下，纤维块状体1除了具备基于芯部3本来具有的纤维2间的空隙5的保水性以外，还具备基于保水性材料的保水力。作为将保水性材料导入到芯部3的方法，例如，在将纤维2造粒从而形成芯部3时添加保水性材料。另外，用保水性材料涂覆纤维2的表面的方法也有效。优选地，通过这些方法导入到芯部3的保水性材料在芯部3的空隙5中露出。在这种情况下，由于纤维块状体1大大地提高空隙5的保水力，因此可适用作例如沙漠等干燥的环境中添加的土壤改良材料。
保水性材料可使用具有吸水性的高分子保水材料。例如，可列举聚丙烯酸盐类聚合物、聚磺酸盐类聚合物、聚丙烯酰胺类聚合物、聚乙烯醇类聚合物、聚环氧烷类聚合物等合成高分子类保水性材料、聚天冬氨酸盐类聚合物、聚谷氨酸盐类聚合物、聚海藻酸盐类聚合物、纤维素类聚合物、淀粉等天然高分子类保水性材料。也可组合两种以上这些保水性材料使用。另外，作为保水性材料，也可使用陶瓷等多孔质材。
＜纤维块状体的制造方法＞
作为纤维块状体1的制造方法，例如，用梳棉装置等将棉或维尼纶等纤维2对齐，切割成3-10mm左右的长度，通过旋转造粒、流动层造粒、搅拌造粒、压缩造粒、挤出造粒等方法将切割的纤维2造粒成粒状，从而形成芯部3。造粒时，若在纤维2中混合树脂或浆糊等粘合剂，则能够高效率地形成芯部3。粘合剂可使用有机粘合剂或无机粘合剂中的任意一种。有机粘合剂例如可列举聚烯烃类粘合剂、聚乙烯醇类粘合剂、聚氨基甲酸酯类粘合剂、聚乙酸乙烯酯类粘合剂等合成树脂类粘合剂、淀粉、卡拉胶、黄原胶、结冷胶、海藻酸等多糖类、动物胶等动物型蛋白质等天然产物类粘合剂。无机粘合剂例如可列举水玻璃等硅酸类粘合剂、磷酸铝等磷酸盐类粘合剂、硼酸铝等硼酸盐类粘合剂、水泥等水硬性粘合剂。也可组合两种以上有机粘合剂及无机粘合剂使用。此外，作为纤维2使用容易缠绕的纤维(例如，弯曲的纤维)的情况下，由于即使仅进行造粒步骤纤维2也容易互相缠绕，因此在该情况下，即使不特别地使用粘合剂也可形成芯部3。
接着，将造粒的芯部3移至容器中，加一半左右芯部3体积(占有容积)的水，使水浸入到芯部3的空隙5。此外，在浸入了水的芯部3中添加1/3-1/2芯部3体积的聚乙烯乳液。也可预先在聚乙烯乳液中混合颜料、香料、杀菌剂、抗菌剂、除臭剂、杀虫剂等添加物。并且，为了使聚乙烯乳液均匀地附着在芯部3的外表面部，边使芯部3的外表面部滚动边使聚乙烯乳液从芯部3的外表面部浸渍。此时，由于水浸入到芯部3的中心部，因此聚乙烯乳液在芯部3的外表面部附近停留。然后，使附着了聚乙烯乳液的芯部3在烘箱中在60-80℃下干燥，接着，在100℃下使聚乙烯熔融，使聚乙烯与芯部3的外表面部附近的纤维2熔接从而形成透水性膜4。由此，用聚乙烯的透水性膜4包覆芯部3的外表面部，从而完成具有强度及耐久性的纤维块状体1。就透水性膜4而言，在聚乙烯熔融时聚乙烯乳液中含有的溶剂蒸发，从而形成多孔质结构。多孔质结构作为连通芯部3和外部环境的连通孔6而起作用。根据需要，可将得到的纤维块状体1进行干燥及分级、调整粒径。
将芯部3造粒时，在作为纤维2使用短纤维的情况下，用搅拌混合造粒装置边搅拌短纤维边投入少量的聚乙烯乳液进行造粒。由此，形成芯部3的短纤维彼此一部分被固定化，从而能够形成牢固的芯部3。此外，也可先在短纤维中加水进行造粒，然后添加聚乙烯乳液从而作成芯部3。
＜使用纤维块状体的人工土壤＞
图3为模式地示出在使用本发明的纤维块状体1作为人工土壤粒子的人工土壤10中种植植物的状态的说明图。如图3所示，就纤维块状体1而言，在多个纤维块状体1集合的团粒结构的状态下，在纤维块状体1间形成一定的间隙11。由于空气及水能够通过该间隙11，因此能够保持植物所必需的水分并排出多余的水分。在人工土壤10为湿润状态的情况下，从间隙11排出多余的水分，在人工土壤10为干燥状态的情况下，通过间隙11的毛细管现象，能够吸取在周围存在的水分。这样，人工土壤10通过在相邻的纤维块状体1间形成的间隙11，能够确保植物所必需的水分并排出多余的水分，实现优异的透气性及排水性。另外，由于间隙11提供用于植物的根20成长的空间，因此植物的根20容易伸展，进而能够促进植物的成长。
人工土壤10中使用的纤维块状体1的粒径可根据栽培对象植物来适宜地选择，优选为1-10mm，更优选为2-8mm，进一步优选为2-5mm。若纤维块状体1的粒径为上述的范围，则能够在纤维块状体1间形成适当的空隙，从而实现良好的透气性或排水性。在纤维块状体1的粒径不足1mm的情况下，间隙11的尺寸变小，基于间隙11的毛细管力而使水分过剩保留。其结果是，排水性下降引起难以从植物的根20吸收氧气，可能会发生根腐烂。另外，若纤维块状体1的粒径不足1mm，则由于生成的粒子与纤维本身相比性状几乎没变，因此可能难以作为纤维块状体1起作用。另一方面，纤维块状体1的粒径超过10mm的纤维块状体的制作困难，即使假设能得到粒径超过10mm的粒子，也可能会有间隙11的尺寸变大、排水性太过剩引起植物难以吸收充足的水分、人工土壤10变稀疏并且植物横倒的风险。纤维块状体1的粒径可以通过过筛来调整。纤维块状体1的粒径可通过以下的测定方法求出。首先，将测定对象纤维块状体标度(scale)并用相机或显微镜观察，使用图像处理软件(二维图像解析处理软件“WinROOF”，三谷商事有限公司制)获取其图像。从图像中选择100个纤维块状体并描绘纤维块状体的轮廓。由描绘的图形的周长算出当量圆的直径。将由各个纤维块状体求出的当量圆的直径(100个)的平均值作为平均尺寸(单位：像素)。并且，比较平均尺寸和图像中的标度，转换成单位长度(μm级至mm级)，算出纤维块状体的粒径。另外，通过使用该图像处理的测定法也能求出构成纤维块状体1的纤维2的尺寸、透水性膜4的膜厚、在透水性膜4上形成的连通孔6的直径。
由于用透水性膜4包覆芯部3，所以纤维块状体1实现优异的保水性及透气性。在芯部3中保持水分为饱和状态的湿润状态与芯部3中未保持水分为饱和状态的可透气状态之间，纤维块状体1可调整水分保持量。湿润状态是不能保持其以上水分的状态，例如，意思是指后述的pF值接近0的状态。可透气状态是可保持水分的状态，例如，意思是指pF值比0大的2-7左右的状态。例如，如图3所示，植物的根20在相邻的纤维块状体1的间隙11中伸长，并吸取人工土壤10的间隙11中存在的水分。就纤维块状体1而言，由于可摄入水分及放出水分，若外部环境为干燥状态，则能够介由透水性膜4从纤维块状体1的芯部3给植物的根20供给水分。即，至少一部分水从纤维块状体1放出到外部环境，空气通过连通孔6侵入到通过水的放出而形成的纤维块状体1的空隙5。此时，如图3所示，从植物的根20分支的毛细根21能够从纤维块状体1的连通孔6容易地侵入到芯部3。在水残留在纤维块状体1的内部的情况下，水由于被保持在芯部3的空隙5中，因此不容易从纤维块状体1放出到外部环境，但侵入到纤维块状体1的内部的植物的毛细根21可到达至芯部3的空隙5，也可积极地吸取该保持的残留的水。这样，就使用了纤维块状体1的人工土壤10而言，植物能够有效地利用在人工土壤10中保持的水分，因此即使长期不加水，也能够防止植物的枯萎或培育不良。
本发明的纤维块状体1由于作为人工土壤10具有优异的保水性，也可适用于至今为止主要水耕栽培的叶菜类蔬菜的培育。这里，人工土壤10的保水性可以以pF值作为指标表示。pF值是以水柱的高度表示的土壤水分的吸引压力的常用对数值，是表示介由土壤的毛细管力吸引土壤中的水分的强度的程度的值。pF值为2.0时相当于100cm水柱的压力(压力水头)。另外，pF值为表示土壤的湿度情况的指标，若土壤充分地含有水分则pF值低、植物的根20成为容易吸收水分的状态。另一方面，若土壤干燥则pF值高、植物的根20为了吸收水分而需要大的力。土壤中的间隙中不存在空气、全部充水的状态为pF值为0，100℃的热干状态的土壤、只存在与土壤化合的水的状态为pF值为7。
在一般的土壤的情况下，可栽培植物的pF值为1.5-2.7的范围，为了充分地培育植物，将pF值设定在1.7-2.7的范围，优选地设定在1.7-2.3的范围。pF值在1.7-2.7的范围时，若是体积含水率比10mL/100mL(即，体积含水率10％)小的土壤，则浇水的量和定时变难，常常成为加湿状态、又马上成为干燥状态，因发生根腐烂、水不足从而植物容易枯死。由于芯部3中能够保持多的水，因此本发明的纤维块状体1能够经过长期也不干燥，从而能充分地培育植物。另外，即使是pF值为1.5以下的状况，由于纤维块状体1之间存在充足的空隙、能确保透气性，因此难以发生像一般土壤类的浇水过度引起的根腐烂。即使不考虑浇水的量和定时而进行充足地浇水，土中环境也大致恒定。由此，不仅可栽培根菜类也可栽培叶菜类蔬菜，扩大作为人工土壤10的用途。
图4为例示使用本发明的纤维块状体1的人工土壤的水分保持曲线的图表。是示出在使用纤维块状体1作为人工土壤粒子的情况下的压力水头(cmH2O)和体积含水率(％)的关系的图表。该图表中，关于〔a〕粒径为比较小的0.75-2mm的纤维块状体(○)、〔b〕粒径为比较大的4mm以上的纤维块状体(□)及〔c〕粒径的分布广的0.75-10mm的纤维块状体(△)的3个种类，示出使用各纤维块状体作为人工土壤粒子的情况的水分保持曲线。例如，由〔b〕的图表可见：在压力水头为50cmH2O以下的pF值低的区域，体积含水率的变动幅度为从约5％到超过30％广阔地扩大。若在对人工土壤灌水时利用这个广阔的区域，则能够在“湿润状态”与“可透气状态”之间宽幅度地调整纤维块状体1的芯部3中的水分保持量。另外，〔a〕-〔c〕的图表的比较提示通过改变纤维块状体1的粒径，即使是相同的压力水头也能调整体积含水率。例如，相当于压力水头100cmH2O的pF值2.0时，若在0.75-4mm的范围内改变纤维块状体的粒径，则作为体积含水率可在约0-9％的范围，可在“湿润状态”与“可透气状态”之间调整纤维块状体1的芯部3中的水分保持量(即，保水性)。
在使用纤维块状体1代替天然土壤作为人工土壤10的情况下，优选在纤维块状体1中具备保持作为植物的养分的硝酸态氮(NO3 -)、K+、Ca2+、Mg2+等的能力。在不充分具备保持这些养分的能力的情况下，例如，即使给人工土壤10供给化学肥料等，养分也通过灌水等流出，从而植物不能有效地利用养分，可能会培育不良。
天然土壤由于具有吸收阳离子的性质，因此具备保持K+、Ca2+、Mg2+及铵态氮(NH4 +)的能力，即具备保肥性。虽然植物不能有效地利用铵态氮作为氮源，但由于天然土壤中常存在硝化细菌，因此该硝化细菌将铵态氮转换成植物所必须的硝酸态氮并供给植物。因此，在使用纤维块状体1代替天然土壤作为人工土壤10的情况下，需要给纤维块状体1提供离子交换能力并具备保肥性。
这里，因为植物所必须的养分是硝酸态氮(NO3 -)、K+、Ca2+、Mg2+，所以纤维块状体1为了保持这些养分，需要具有两种离子的吸附能力。因此，形成纤维块状体1时，添加阳离子交换填料及阴离子交换填料并使包括从外部环境摄入的水分中含有的硝酸态氮(NO3 -)、K+、Ca2+、Mg2+的离子能够吸附在纤维块状体1内。此外，虽然NO3 -是江河或地下水的污染物质，但若在纤维块状体1中添加阴离子交换填料，则即使多给予硝酸态氮养分，也由于能够将NO3 -保持在纤维块状体1内，因此可抑制NO3 -向水环境的流出。
为了给纤维块状体1提供离子交换能力，优选地，给芯部3的空隙5及透水性膜4中的至少任意一方添加阳离子交换填料及阴离子交换填料。在给芯部3提供离子交换能力的情况下，只要在将纤维2造粒时混合阳离子交换填料及阴离子交换填料并造粒即可，在给透水性膜4提供离子交换能力的情况下，只要在包覆的合成树脂或凝胶化剂上混合阳离子交换填料及阴离子交换填料并包覆在芯部3的外表面部即可。另外，可将阳离子交换填料及阴离子交换填料添加到芯部3及透水性膜4二者中，也可将阳离子交换填料及阴离子交换填料分别添加到芯部3及透水性膜4中。
阳离子交换填料，例如可列举蒙脱石(montmorillonite)、膨润土、贝得石、锂蒙脱石、皂石、富镁蒙脱石等绿土(smectite)类矿物、云母类矿物、蛭石、沸石、腐殖质、阳离子交换树脂等。上述阳离子交换树脂例如可列举弱酸性阳离子交换树脂、强酸性阳离子交换树脂。其中，作为本实施方案中使用的阳离子交换填料，优选沸石或膨润土。也可组合两种以上阳离子交换填料使用。
阳离子交换填料的阳离子交换容量一般设定为5-50meq/100g左右。若阳离子交换容量比5meq/100g小，则在纤维块状体1的内部不能充分地吸收养分，未吸收的养分可能会通过灌水等流失。另一方面，即使阳离子交换容量比50meq/100g大，也不能更大地提高保肥力，不经济。
阴离子交换填料例如可列举具有双氢氧化物作为水滑石、水镁铝石、鳞镁铁矿、水镁铁石(sjogrenite，シェーグレン石)、铜绿等的主要骨架的天然层状双氢氧化物、合成水滑石及水滑石类物质、水铝英石、伊毛缟石、高岭土等粘土矿物、阴离子交换树脂等。上述阴离子交换树脂例如可列举弱碱性阴离子交换树脂、强碱性阴离子交换树脂等。其中，作为本实施方案中使用的阴离子交换填料，优选水滑石。也可组合两种以上阴离子交换填料使用。
阴离子交换填料的阴离子交换容量一般设定为5-50meq/100g左右。若阴离子交换容量比5meq/100g小，则在纤维块状体1的内部不能充分地吸收养分，未吸收的养分可能会通过灌水等流失。另一方面，即使阴离子交换容量比50meq/100g大，也不能更大地提高保肥力，不经济。
另外，可在纤维块状体1的透水性膜4中将硝化细菌、VA菌根菌等对植物的培育有用的微生物固定化，将该纤维块状体1用于人工土壤10。由此，能够促进植物的成长。在纤维块状体1固定化硝化细菌的情况下，也可不给予硝酸态氮而仅给予铵态氮作为养分。由此，由于不必使用高价的硝酸态氮作为肥料，因此能够降低植物的栽培成本。
使用纤维块状体1作为人工土壤粒子的人工土壤10，尽管完全没有用天然土壤，也能够发挥作为土壤的基本性能(保水性、排水性、透气性、保肥性)。因此，由于不必担心被病害虫或微生物等污染，因此能够在家庭内或封闭型的植物工厂等室内安全地使用。另外，在封闭型的植物工厂中，由于进行水耕栽培的多，目前为止栽培根菜类或株高高的植物困难，但由于人工土壤10能够支持成长的植物的根20，因此根菜类或株高高的植物的栽培也变容易。
另外，因为本实施方案的纤维块状体1具备阳离子交换填料及阴离子交换填料，所以能够除去在水环境中存在的磷酸离子、铵离子等阳离子或硝酸离子等阴离子，从而改善水环境。因此，纤维块状体1也可适用于排水处理等水处理。
实施例
本发明的纤维块状体特别适合用作人工土壤粒子。在此，就设计的人工土壤粒子的纤维块状体的实施例进行说明。作为实施例，制作9种纤维块状体(实施例1-9)。这9种纤维块状体中，关于实施例1-3的纤维块状体，评价人工土壤粒子所要求的特性。评价项目为用后述的“试验、评价方法”说明的11项目。以下说明实施例1-3的纤维块状体的制作步骤。另外，作为比较对象，与实施例1-3同样地评价非人工土壤的土壤(比较例1-3)的特性。比较例1及2是市售的半人工土壤，比较例3是市售的天然土壤。
〔实施例1〕
作为构成纤维块状体的纤维，使用作为天然纤维的棉。用梳棉装置将棉对齐，切割成3-10mm左右的长度，放入到旋转的2片板之间并旋转，从而形成球状的芯部。向球状的芯部加一半左右体积的水，使水浸入到纤维中。接着，加聚乙烯乳液(セポルジョン(注册商标)G315、住友精化有限公司制、浓度40重量％)以使成为体积的1/2，并边旋转芯部边使乳液浸渍以使乳液均匀地附着在外表面部。将浸渍乳液的芯部在烘箱中在60℃下干燥后，通过在100℃下使乳液中的聚乙烯熔融并使与纤维熔接，制作用多孔质聚乙烯的透水性膜包覆芯部的外表面部的纤维块状体。制成的纤维块状体的粒径在1-10mm的范围内。
〔实施例2〕
作为构成纤维块状体的纤维，使用合成纤维维尼纶短纤维(可乐丽(クラレ)有限公司制)。维尼纶短纤维的长度为0.5mm，纤维直径为25μm，表观容积为1000cc。用搅拌混合造粒装置(G-Labo有限公司制)搅拌维尼纶短纤维，边旋转边添加将实施例1中使用的聚乙烯乳液稀释约10倍的聚乙烯乳液进行造粒，形成了在内部浸渍聚乙烯乳液的粒子状的芯部。接着，添加与实施例1中使用的聚乙烯乳液相同的聚乙烯乳液以使成为体积的1/2，并边旋转边使乳液浸渍以使乳液均匀地附着在外表面部。将浸渍乳液的芯部在烘箱中在60℃下干燥后，通过在100℃下使乳液中的聚乙烯熔融并与纤维熔接，将形成芯部的维尼纶短纤维彼此固定化，进一步，制作用多孔质聚乙烯的透水性膜包覆芯部的外表面部的纤维块状体。制成的纤维块状体的粒径在1-10mm的范围内。
这里，图5中示出拍摄本实施例的纤维块状体的表面的显微镜照片。(A)是拍摄纤维块状体的表面的一部分的照片、(B)是(A)的放大照片。由(A)可见，纤维块状体的芯部的表面整体由聚乙烯的透水性膜覆盖，由椭圆包围的拍摄到比周围稍微暗的区域形成向芯部的连通孔。另外，由(B)可见，在形成芯部的维尼纶短纤维的表面上微细的聚乙烯粒子凝集并形成透水性膜。没有完全堵塞聚乙烯粒子的间隙，由此，在透水性膜的表面整体上形成水分可通过的微细孔。若在透水性膜的表面附着水分，则该水分直接被吸收到内部。即使在将透水性膜的膜厚增大的情况下也是同样的。据此，推断在透水性膜的表面上存在无数的微细孔。
〔实施例3〕
使用表观容积为1000cc的纤维素短纤维(长度0.2-0.3mm、瑞登梅尔(レッテンマイヤー)公司制“アーボセル(注册商标)”)作为纤维，通过与实施例2同样的步骤，制作用多孔质聚乙烯的透水性膜包覆芯部的外表面部的纤维块状体。制成的纤维块状体的粒径在1-5mm的范围内。
＜试验·评价方法＞
(1)保水性：在层析管中填充试验对象土壤，注入水以使水浸没全部土壤，静置1小时后、自层析管的下部除去水，测定3分钟不从层析管落水时的保水量，换算成相对于100cc试验对象土壤的保水量作为保水性。此外，在层析管中填充140cc试验对象土壤，从上部加水并测定规定时间后的重量，通过减去预先测定的试验对象土壤的重量测定保水量。
(2)分散水保水量：在层析管中填充试验对象土壤，以3分钟-5分钟间隔自层析管上部注入分散水110ml(10ml×5次+20ml×3次)，测定3分钟不从层析管落水时的保水量，换算成相对于100cc试验对象土壤的保水量作为分散水保水量。保水量的测定与上述(1)同样地进行。
(3)吸水速度：将相对保水性的分散水保水量的比例作为吸水速度(％)。
(4)透气性：在层析管中填充试验对象土壤，在试验对象土壤饱和含水时，从层析管下部向上部以1L/分、0.06MPa使空气流动、测定出口的流量作为透气性。
(5)轻量性：将试验对象土壤干燥后，求得每100cc的干燥重量作为轻量性。
(6)粒子强度：给试验对象土壤粒子加重量为2.5kg的载荷，用目视土壤粒子是否变形或破坏来评价。土壤粒子的外观没有变化的情况下记为“无”。
(7)停水生长性：在下部开孔的150cc的容器中放入试验对象土壤，将饱和含水后发芽10天后的小萝卜(radish)移植，观察不灌水直至小萝卜枯萎为止的天数(生存期间)。
(8)移植操作性：在将植物移植或撒种时，通过试验对象土壤评价手或地板的污染情况。
(9)分散水时排水状态：观察在对试验对象土壤分散水时排水是否着色或固体成分是否流出。
(10)随时间变化：用目视评价植物的栽培中使用的试验对象土壤的粒子形状的随时间变化。
(11)外观(印象)：在透明的容器中放入试验对象土壤，用目视就颜色或形状评价外观的印象。
表1中总结实施例1-3的纤维块状体(人工土壤)及比较例1-3的市售土壤的评价结果。
[表1]
如表1所示，实施例1-3的人工土壤与比较例1及比较例2的半人工土壤相比较，在保水性及分散水保水性中显示更高的值。特别是，实施例3的人工土壤，保水性及分散水保水性的测定值非常高、极其优异。关于作为人工土壤的优点的吸水速度，实施例1-3的人工土壤具有比比较例1的半人工土壤更优异的结果，实施例1及2的人工土壤相对于比较例2的半人工土壤具有大致同等的结果。关于作为人工土壤的优点的透气性，实施例1-3的人工土壤具有与比较例1及比较例2同等的结果。另外，实施例1-3的人工土壤与比较例3的天然土壤相比较，在吸水速度及透气性中显示更高的值，作为天然土壤的优点的保水性及分散水保水性，也显示同等的或其以上的结果。此外，因为实施例1-3的人工土壤在停水生长性中也具有比比较例1更优异的结果，并相对于比较例2及比较例3具有大致同等的结果，所以表示植物所必须的水的保持能力高。由这些结果，表示实施例1-3的人工土壤兼备作为天然土壤的优点的保水性和作为半人工土壤的优点的透气性，能够适用作天然土壤的替代品。
关于粒子强度，因为实施例1-3的人工土壤强度强、随时间变化也少，所以考虑也适于再利用。另外，因为实施例1-3的人工土壤与比较例1-3的土壤相比较是轻量的，特别是实施例3的人工土壤极其的轻量，所以能够适用于建筑物的屋顶或公寓大楼的阳台等。此外，因为实施例1-3的人工土壤的移植操作性良好并且在分散水时的排水几乎无污染、外观为白色有清洁感、也能够用颜料着色，所以可适用作布局美观性高的室内用人工土壤。
＜具有保肥性的纤维块状体＞
如果在本发明的纤维块状体中能够提供保肥性，则给原本保水性高的纤维块状体添加保肥性，从而能够制作土壤的平衡优异的人工土壤粒子。因此，作为实施例4-9，制作在纤维中添加离子交换性填料并造粒的纤维块状体(人工土壤粒子)，将各纤维块状体的保肥性作为阳离子交换容量(CEC)来评价。在评价阳离子交换容量(CEC)时，用富士平工业有限公司制的广泛使用的提取、过滤装置“CEC-10 Ver.2”制作人工土壤粒子的提取液，将所述提取液作为阳离子交换容量测定用样品。将阳离子交换容量测定用样品提供给富士平工业有限公司制的土壤、作物体综合分析装置“SFP-3”，测定人工土壤粒子的阳离子交换容量(CEC)。以下说明实施例4-9的纤维块状体的制作步骤及阳离子交换容量(CEC)的测定结果。
〔实施例4〕
将表观容积为1000cc的维尼纶短纤维(长度0.5mm、纤维直径25μm、可乐丽有限公司制)作为纤维使用。用搅拌混合造粒装置(有限公司G-Labo制)搅拌维尼纶短纤维，边旋转边添加将实施例1中使用的聚乙烯乳液稀释约10倍的聚乙烯乳液和作为离子交换填料的沸石(エコウエル有限公司制“琉球ライト”)100cc进行造粒，形成了在内部浸渍聚乙烯乳液并负载沸石的粒子状的芯部。接着，添加与实施例1中使用的聚乙烯乳液相同的聚乙烯乳液以使成为体积的1/2，并边旋转边使乳液浸渍以使乳液均匀地附着在外表面部。将浸渍乳液的芯部在烘箱中在60℃下干燥后，通过在100℃下使乳液中的聚乙烯熔融并与纤维熔接，将形成芯部的维尼纶短纤维彼此固定化，进一步制作用多孔质聚乙烯的透水性膜包覆芯部的外表面部的纤维块状体。制成的纤维块状体的粒径在1-10mm的范围内。该纤维块状体的阳离子交换容量(CEC)为4.1meq/100g。
〔实施例5〕
将表观容积为1000cc的维尼纶短纤维(长度0.5mm、纤维直径25μm、可乐丽有限公司制)作为纤维使用。用搅拌混合造粒装置(G-Labo有限公司制)搅拌维尼纶短纤维，边旋转边添加将实施例1中使用的聚乙烯乳液稀释约10倍的聚乙烯乳液进行造粒，形成了在内部浸渍聚乙烯乳液的粒子状的芯部。接着，交替地添加作为离子交换填料的沸石(エコウエル有限公司制“琉球ライト”)30cc和与实施例1中使用的聚乙烯乳液相同的聚乙烯乳液以使成为体积的1/2，并为了使沸石和乳液均匀地附着在外表面部，边旋转边使乳液浸渍。将浸渍乳液的芯部在烘箱中在60℃下干燥后，通过在100℃下使乳液中的聚乙烯熔融并与纤维熔接，将形成芯部的维尼纶短纤维彼此固定化，进一步，制作用多孔质聚乙烯的透水性膜包覆芯部的外表面部的纤维块状体。制成的纤维块状体的粒径在1-10mm的范围内。该纤维块状体的阳离子交换容量(CEC)为2.5meq/100g。
此外，用水银压入法测定该纤维块状体中的间隙的尺寸分布后，确认具有在0.1μm-50μm的范围中的宽的尺寸分布。
〔实施例6〕
将表观容积为1000cc的维尼纶短纤维(长度0.5mm、纤维直径25μm、可乐丽有限公司制)作为纤维使用。用搅拌混合造粒装置(G-Labo有限公司制)搅拌维尼纶短纤维，边旋转边添加将实施例1中使用的聚乙烯乳液稀释约10倍的聚乙烯乳液和作为离子交换填料的沸石(エコウエル有限公司制“琉球ライト”)100cc进行造粒，形成了在内部浸渍聚乙烯乳液并负载沸石的粒子状的芯部。接着，交替地添加作为离子交换填料的沸石(エコウエル有限公司制“琉球ライト”)30cc和与实施例1中使用的聚乙烯乳液相同的聚乙烯乳液以使成为体积的1/2，为了使沸石和乳液均匀地附着在外表面部，边旋转边使乳液浸渍。将浸渍乳液的芯部在烘箱中在60℃下干燥后，通过在100℃下使乳液中的聚乙烯熔融并与纤维熔接，将形成芯部的维尼纶短纤维彼此固定化，进一步，制作用多孔质聚乙烯的透水性膜包覆芯部的外表面部的纤维块状体。制成的纤维块状体的粒径在1-10mm的范围内。该纤维块状体的阳离子交换容量(CEC)为4.5meq/100g。
〔实施例7〕
将表观容积为1000cc的纤维素短纤维(长度0.2-0.3mm、瑞登梅尔公司制“アーボセル(注册商标)”)作为纤维使用。用搅拌混合造粒装置(G-Labo有限公司制)搅拌纤维素短纤维，边旋转边添加将实施例1中使用的聚乙烯乳液稀释约10倍的聚乙烯乳液和作为离子交换填料的沸石(エコウエル有限公司制“琉球ライト”)100cc进行造粒，形成了在内部浸渍聚乙烯乳液并负载沸石的粒子状的芯部。接着，添加与实施例1中使用的聚乙烯乳液相同的聚乙烯乳液以使成为体积的1/2，并为了使乳液均匀地附着在外表面部，边旋转边使乳液浸渍。将浸渍乳液的芯部在烘箱中在60℃下干燥后，通过在100℃下使乳液中的聚乙烯熔融并与纤维熔接，将形成芯部的纤维素短纤维彼此固定化，进一步，制作用多孔质聚乙烯的透水性膜包覆芯部的外表面部的纤维块状体。制成的纤维块状体的粒径在1-5mm的范围内。该纤维块状体的阳离子交换容量(CEC)为4.6meq/100g。
〔实施例8〕
将表观容积为1000cc的纤维素短纤维(长度0.2-0.3mm、瑞登梅尔公司制“アーボセル(注册商标)”)作为纤维使用。用搅拌混合造粒装置(G-Labo有限公司制)搅拌纤维素短纤维，边旋转边添加将实施例1中使用的聚乙烯乳液稀释约10倍的聚乙烯乳液进行造粒，形成了在内部浸渍聚乙烯乳液的粒子状的芯部。接着，交替地添加作为离子交换填料的沸石(エコウエル有限公司制“琉球ライト”)30cc和与实施例1中使用的聚乙烯乳液相同的聚乙烯乳液以使成为体积的1/2，为了使沸石和乳液均匀地附着在外表面部，边旋转边使乳液浸渍。将浸渍乳液的芯部在烘箱中在60℃下干燥后，通过在100℃下使乳液中的聚乙烯熔融并与纤维熔接，将形成芯部的纤维素短纤维彼此固定化，进一步，制作用多孔质聚乙烯的透水性膜包覆芯部的外表面部的纤维块状体。制成的纤维块状体的粒径在1-5mm的范围内。该纤维块状体的阳离子交换容量(CEC)为4.8meq/100g。
〔实施例9〕
将表观容积为1000cc的纤维素短纤维(长度0.2-0.3mm、瑞登梅尔公司制“アーボセル(注册商标)”)作为纤维使用。用搅拌混合造粒装置(G-Labo有限公司制)搅拌纤维素短纤维，边旋转边添加将实施例1中使用的聚乙烯乳液稀释约10倍的聚乙烯乳液和作为离子交换填料的沸石(エコウエル有限公司制“琉球ライト”)100cc进行造粒，形成了在内部浸渍聚乙烯乳液并负载沸石的粒子状的芯部。接着，交替地添加作为离子交换填料的沸石(エコウエル有限公司制“琉球ライト”)30cc和与实施例1中使用的聚乙烯乳液相同的聚乙烯乳液以使成为体积的1/2，并为了使沸石和乳液均匀地附着在外表面部，边旋转边使乳液浸渍。将浸渍乳液的芯部在烘箱中在60℃下干燥后，通过在100℃下使乳液中的聚乙烯熔融并与纤维熔接，将形成芯部的纤维素短纤维彼此固定化，进一步，制作用多孔质聚乙烯的透水性膜包覆芯部的外表面部的纤维块状体。制成的纤维块状体的粒径在1-5mm的范围内。该纤维块状体的阳离子交换容量(CEC)为5.0meq/100g。
如上所述，确认添加了离子交换性填料的实施例4-9的人工土壤粒子具有一定以上的阳离子交换容量(CEC)。因此，即使是将纤维块状体作为基础的人工土壤粒子也可提供保肥性，在这种情况下，可提供保水性及保肥性两者优异的付加价值高的人工土壤。
＜其它实施方案＞
上述实施方案中，作为使用本发明的纤维块状体1的例子虽示出了人工土壤10，但也可将纤维块状体1用于水处理。由于纤维块状体1具备将纤维2集合而形成的芯部3和包覆芯部3的外表面部的透水性膜4，因此在粪便处理、养殖鱼的水处理等中使用的情况下，厌氧型的微生物可在芯部3的中心附近繁殖并且好氧型的微生物可高效率地在透水性膜4繁殖。由此，利用在透水性膜4繁殖的硝化细菌将铵态氮转换为硝酸态氮，利用在芯部3的中心附近繁殖的脱氮细菌将硝酸态氮转换成氮气，最终能够将氮气排出到体系外。在这种情况下，优选地，在透水性膜4中添加阴离子交换填料。由于微生物的细胞膜带负电，因此介由阴离子交换填料，微生物能够吸附在透水性膜4中并高效率地繁殖，从而提高氮的处理能力。
产业上的可利用性
本发明的纤维块状体及使用该纤维块状体的人工土壤可在家庭菜园、植物工厂、室内绿化、水处理、粪便处理等方面中使用。
附图标记说明
1  纤维块状体
2  纤维
3  芯部
4  透水性膜
5  空隙
6  连通孔(多孔质结构)
10 人工土壤

Claims (9)

1.纤维块状体，其具备：
将纤维集合而成的芯部和、
包覆所述芯部的透水性膜。
2.权利要求1所述的纤维块状体，其中所述透水性膜具备多孔质结构。
3.权利要求1或2所述的纤维块状体，其中所述透水性膜包覆所述芯部的外表面部的40％以上。
4.权利要求1-3任意一项所述的纤维块状体，其中所述芯部具有保水性材料。
5.权利要求1-4任意一项所述的纤维块状体，其中给所述芯部及所述透水性膜中至少任何一方提供离子交换能力。
6.权利要求1-5任意一项所述的纤维块状体，其具有1-10mm的粒径。
7.权利要求1-6任意一项所述的纤维块状体，其被构造为在所述芯部中保持水分为饱和状态的湿润状态和所述芯部中未保持水分为饱和状态的可透气状态间，可调整水分保持量。
8.权利要求1-7任意一项所述的纤维块状体，其中所述纤维是长度为0.2-0.5mm的短纤维。
9.人工土壤，其使用权利要求1-8任意一项所述的纤维块状体作为人工土壤粒子。
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