CN105101780A - 人工土壤粒子、及人工土壤粒子的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明着眼于至今为止不太研究的人工土壤粒子的结构与特性的关系，并确立具有各种可能性的新型的人工土壤粒子、及其制造技术。一种由具有细孔(2)的多个填料(1)通过结合材料(5)结合而成的人工土壤粒子(10)，其具有通过填料(1)与结合材料(5)的竞争而形成的自组织化结构。自组织化结构有：多个填料(1)进行三维结合而成的三维网状结构、多个填料(1)在特定方向排列而成的层状结构。

Description

人工土壤粒子、及人工土壤粒子的制造方法

技术领域

本发明涉及由具有细孔的多个填料通过结合材料结合而成的人工土壤粒子、及人工土壤粒子的制造方法。

背景技术

近年来，在控制生长条件的环境下栽培蔬菜等植物的植物工厂不断增加。以前的植物工厂以莴苣等叶菜类蔬菜的水耕栽培为中心，但最近，对于不适于水耕栽培的根菜类，也有尝试在植物工厂栽培的动向。为了在植物工厂栽培根菜类，需要开发作为土壤的基本性能优异、品质高、并且容易处理的人工土壤。

此处，土壤的基本性能或品质会受到构成该土壤的土壤粒子的结构的很大影响。这对于人工土壤也同样，例如，保水性或保肥性等特性根据构成人工土壤的人工土壤粒子的多孔质结构的形态而变化。即，在人工土壤粒子的结构与其特性之间存在密切的关系。因此，如果可以自由地控制人工土壤粒子的结构，则可以开发出具有各种特性的人工土壤。

然而，在至今为止所开发出来的人工土壤中，几乎未对人工土壤粒子的结构控制进行研究，对于人工土壤粒子的结构与特性的关系，也未充分明确。至今为止所开发的以前的人工土壤例如有：如专利文献1所示的用包含水溶性高分子的结合材料将粉状沸石结合从而将其团粒化的团粒结构沸石，该团粒结构沸石是通过利用干燥时的热使附着在沸石表面的水分气化而使粒子多孔质化而成。专利文献1的人工土壤由于粒子结构依赖水分的气化速度而确定，因此不容易精密地控制人工土壤粒子的结构。

现有技术文献：

专利文献

专利文献1:日本国特开2000-336356号公报

发明内容

发明要解决的课题

在开发人工土壤时，在达成与天然土壤相同的植物培养能力的同时，例如，需要可以对栽培对象植物恰当地供给水分和养分的控制功能。即，对于人工土壤需要平衡良好地发挥出作为土壤的基本性能。因此，在今后开发人工土壤时，期待弄清人工土壤粒子的结构与特性的关系，接着根据此种见解，进行人工土壤粒子的结构控制。

本发明鉴于所述问题点而作成，目的是着眼于至今为止不太研究的人工土壤粒子的结构与特性的关系，确定具有各种可能性的新型的人工土壤粒子、及其制造技术。

解决课题的方法

用以解决上述课题的本发明的人工土壤粒子的特征结构在于：

人工土壤粒子，其由具有细孔的多个填料通过结合材料结合而成，并且

具有通过所述填料与所述结合材料的竞争而形成的自组织化结构。

在人工土壤粒子的形成过程中，作为人工土壤粒子的主要原料的填料，根据熵增大的定律，通常随着时间的经过而向无秩序的状态变化，结果，就本结构的人工土壤粒子而言，在使用结合材料将填料粒子化的过程中，由于填料与结合材料竞争，因此形成具有一定秩序的自组织化结构。该自组织化结构是某种特异性结构，并会对人工土壤粒子的特性造成影响。并且，人工土壤粒子的自组织化结构可以通过将填料粒子化时的条件进行控制。

因此，本结构的人工土壤粒子可以用作与以前的人工土壤的概念不同的新型的人工土壤，并期待作为具有各种可能性的附加值高的人工土壤。

在本发明的人工土壤粒子中，

优选所述自组织化结构为多个填料进行三维结合而成的三维网状结构。

根据本结构的人工土壤粒子，作为自组织化结构形成的三维网状结构，由于其三维骨架具有高的强度，因此可以有助于使人工土壤粒子的结构变得稳定。另外，由于在三维网状结构的三维骨架之间形成的间隙可以负载各种物质，因此可以实现最大限度地发挥出负载物质的特性的人工土壤。

在本发明的人工土壤粒子中，

优选所述自组织化结构为多个填料在特定方向排列而成的层状结构。

根据本结构的人工土壤粒子，作为自组织化结构形成的层状结构，由于在特定方向具有各向异性，因此可以实现能够对特定条件发挥出显著的特性的人工土壤。

在本发明的人工土壤粒子中，

优选在所述填料之间形成连通孔。

根据本结构的人工土壤粒子，由于可以使在填料之间形成的连通孔具有与填料的细孔不同的功能，因此可以实现多功能的人工土壤。

在本发明的人工土壤粒子中，

优选所述细孔具有亚纳米级至亚微米级的尺寸，所述连通孔具有亚微米级至亚毫米级的尺寸。

根据本结构的人工土壤粒子，由于填料的细孔的尺寸为亚纳米级至亚微米级，因此在该细孔中可以有效地吸收用以提高植物的品质所必需的养分。另外，由于连通孔的尺寸为亚微米级至亚毫米级，因此在该连通孔中可以有效地吸收植物的生长中所不可缺少的水分。如此，由于细孔与连通孔以不同的尺寸构成，因此可以实现作为土壤的基本性能的平衡优异的多功能的人工土壤。

在本发明的人工土壤粒子中，

优选所述细孔具有离子交换能力。

根据本结构的人工土壤粒子，可以利用离子交换能力在细孔中负载肥料成分，并且可以实现能够长期发挥出保肥力的人工土壤。

在本发明的人工土壤粒子中，

优选具有0.2mm-10mm的平均粒径。

根据本结构的人工土壤粒子，通过将平均粒径设为0.2mm-10mm，可以实现特别适合于根菜类的栽培且容易处理的人工土壤。

用以解决上述课题的本发明的人工土壤粒子的制造方法的特征构成在于：

一种人工土壤粒子的制造方法，其是由具有细孔的多个填料通过结合材料结合而成的人工土壤粒子的制造方法，并且

其包括通过所述填料与所述结合材料的竞争而使所述填料自组织化的形成步骤。

根据本构成的人工土壤粒子的制造方法，产生与上述人工土壤粒子同样优异的作用效果。即，在本构成的人工土壤粒子的制造方法中，在使用结合材料将填料粒子化的过程中，由于填料与结合材料竞争，因此形成具有一定秩序的自组织化结构。该自组织化结构为某种特异性结构，并会对人工土壤粒子的特性造成影响。并且，人工土壤粒子的自组织化结构可以通过将填料粒子化时的条件进行控制。

因此，通过本构成的人工土壤粒子的制造方法而制造的人工土壤粒子，可以用作与以前的人工土壤的概念不同的新型的人工土壤，并期待作为具有各种可能性的附加值高的人工土壤。

附图说明

图1是概念性地表示本发明的人工土壤粒子的说明图。

图2是例示通过填料与作为粘合剂的海藻酸盐的竞争而形成人工土壤粒子的自组织化结构的示意图。

图3是概念性表示人工土壤粒子的细孔与连通孔的位置关系的模型图。

图4是人工土壤团粒体的示意图。

具体实施方式

以下，根据图1-图4对本发明的人工土壤粒子、及人工土壤粒子的制造方法相关的实施方案进行说明。另外，关于人工土壤粒子的制造方法，在人工土壤粒子的说明中提及。但本发明并非旨在限定于以下所说明的实施方案或附图所记载的结构。

＜人工土壤粒子的构成＞

图1是概念性地表示本发明的人工土壤粒子10的说明图。图1(a)是例示使用作为多孔质天然矿物沸石1a的人工土壤粒子10作为填料1的图。图1(b)是例示使用作为层状天然矿物水滑石1b的人工土壤粒子10作为填料1的图。另外，图1中所示的符号x、y及z分别表示后述的细孔2、连通孔3及人工土壤粒子10的尺寸，附图上的x、y及z的大小并不反映实际的尺寸关系。

人工土壤粒子10由多个填料1通过粘合剂(结合材料)结合而成。图1中，为了容易理解填料1的结构而省略粘合剂的图示。人工土壤粒子10中的多个填料1并非必须彼此接触，只要在一个粒子内藉由粘合剂维持一定范围内的相对位置关系即可。构成人工土壤粒子10的填料1从表面至内部具有多个细孔2。细孔2包括各种形态。例如，在填料1为图1(a)所示的沸石1a时，该沸石1a的结晶结构中所存在的空隙2a为细孔2，在填料1为图1(b)所示的水滑石1b时，该水滑石1b的层结构中所存在的层间隔2b为细孔2。即，本发明中的“细孔”意指在填料1的结构中存在的空隙部、层间隔部、空间部等，其不限定于“孔状”形态。

填料1的细孔2的尺寸(图1所示的空隙2a或层间隔2b的尺寸x的平均值)为亚纳米级至亚微米级。例如，在填料1为图1(a)所示的沸石1a时，该沸石1a的结晶结构中所存在的空隙2a的尺寸(直径)为0.3nm-1.3nm左右。在填料1为图1(b)所示的水滑石1b时，该水滑石1b的层结构中所存在的层间隔2b的尺寸(距离)为0.3nm-3.0nm左右。此外，也可以使用后述的有机多孔质材料作为填料1，此时的细孔2的尺寸x为0.1μm-0.8μm左右。填料1的细孔2的尺寸可根据测定对象的状态，使用气体吸附法、水银压入法、小角度X射线衍射法、图像处理法等或将该些方法组合，利用最适的方法进行测定。

为了使人工土壤粒子10具有充分的保肥力，填料1优选使用细孔2具有离子交换能力的材料。具有离子交换能力的材料可以使用：具有阳离子交换能力的材料、具有阴离子交换能力的材料、或两者的混合物。另外，也可以另外准备不具有离子交换能力的多孔质材料(例如高分子发泡体、玻璃发泡体等)，并通过压入或浸渍等在该多孔质材料的细孔中导入上述具有离子交换能力的材料，将其用作填料1。具有阳离子交换能力的材料可以列举：阳离子交换性矿物、腐殖质、及阳离子交换树脂。具有阴离子交换能力的材料可以列举：阴离子交换性矿物及阴离子交换树脂。

阳离子交换性矿物可以列举：例如，蒙脱石(montmorillonite)、膨润土、贝得石、水辉石、皂石、硅镁石(stevensite)等蒙皂石(smectite)类矿物；云母类矿物；蛭石；沸石等。阳离子交换树脂可以列举：例如，弱酸性阳离子交换树脂、强酸性阳离子交换树脂。其中，优选沸石或膨润土。阳离子交换性矿物及阳离子交换树脂也可以将两种以上加以组合而使用。阳离子交换性矿物及阳离子交换树脂的阳离子交换容量设定为10meq/100g-700meq/100g，优选设定为20meq/100g-700meq/100g，更优选设定为30meq/100g-700meq/100g。在阳离子交换容量小于10meq/100g时，有无法充分地吸收养分，并且所吸收的养分也会因灌水等而在早期流失的风险。另一方面，即使以阳离子交换容量超过700meq/100g的方式使保肥力过大，效果也不会大幅提高，从而不经济。

阴离子交换性矿物可以列举：例如，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。阴离子交换树脂可以列举：例如，弱碱性阴离子交换树脂、强碱性阴离子交换树脂。其中，优选水滑石。阴离子交换性矿物及阴离子交换树脂也可以将两种以上组合而使用。阴离子交换性矿物及阴离子交换树脂的阴离子交换容量设定为5meq/100g-500meq/100g，优选设定为20meq/100g-500meq/100g，更优选设定为30meq/100g-500meq/100g。在阴离子交换容量小于5meq/100g时，有无法充分地吸收养分，并且所吸收的养分也会因灌水等而在早期流失的风险。另一方面，即使以阴离子交换容量超过500meq/100g的方式使保肥力过大，效果也不会大幅提高，从而不经济。

＜填料的粒状化法＞

人工土壤粒子10通过使多个填料1集合并进行粒状化而形成。在将填料1进行粒状化时，例如，使用高分子凝胶化剂作为粘合剂。高分子凝胶化剂通过凝胶化反应而将填料1彼此结合。高分子凝胶化剂的凝胶化反应例如可以列举：海藻酸盐与多价金属离子的凝胶化反应、羧甲基纤维素(CMC)的凝胶化反应、卡拉胶等多糖类的双螺旋结构化反应而引起的凝胶化反应。其中，海藻酸盐与多价金属离子的凝胶化反应适合作为形成后述的作为本发明特征的“自组织化结构”的方法。作为海藻酸盐之一的海藻酸钠是海藻酸的羧基与Na离子键合的形态的中性盐。海藻酸不溶于水，但海藻酸钠为水溶性的。如果将海藻酸钠水溶液添加至多价金属离子(例如Ca离子)的水溶液中，则在海藻酸钠的分子间发生离子交联从而进行凝胶化。凝胶化反应例如可以通过以下步骤进行。首先，使海藻酸盐溶解于水中，调制海藻酸盐水溶液，在海藻酸盐水溶液中添加填料1，将其充分搅拌，从而形成在海藻酸盐水溶液中分散有填料1的混合液。接着，将混合液滴加至多价金属离子水溶液中，使混合液中所含的海藻酸盐凝胶化成粒状。

此处，如果着眼于海藻酸盐与多价金属离子的凝胶化反应，则在凝胶化反应的进行中，在海藻酸盐的分子间的离子交联、和海藻酸盐水溶液中的填料1的分散力之间产生相互作用，两者一边竞争一边进行组织化。然后，根据熵增大的定律，通常填料1随着时间的经过而向无秩序的状态(即随机的状态)变化，结果就本实施方案的人工土壤粒子10而言，由于填料1与作为结合材料的海藻酸盐一边竞争一边形成粒子，因此在粒子中形成具有一定秩序的自组织化结构。该自组织化结构是某种特异性结构，并会对最后形成的人工土壤粒子10的特性造成影响。

图2是例示通过填料1与作为粘合剂5的海藻酸盐的竞争而在人工土壤粒子10中形成的自组织化结构的示意图。在虚线圈中将人工土壤粒子10的一部分放大并示出。图2(a)是通过自己组织化而形成多个填料1藉由粘合剂5进行三维结合后的三维网状结构的图。三维网状结构由于因填料1的结合形成的三维骨架具有高的强度，因此可以使人工土壤粒子10的结构变得稳定。另外，由于在三维网状结构的三维骨架之间形成的间隙3(相当于图1的连通孔3)中可以负载各种物质，因此可以实现最大限度地发挥出负载物质的特性的人工土壤。图2(b)是通过自组织化而形成多个填料1藉由由粘合剂5而在特定方向排列的层状结构的图。层状结构由于在特定方向具有各向异性，因此可以实现能够对特定的条件发挥出显著的特性的人工土壤。另外，在层状结构之间形成的间隙3(相当于图1的连通孔3)中也可以负载各种物质。

在凝胶化反应中可以用作粘合剂5的海藻酸盐可以列举：例如，海藻酸钠、海藻酸钾、海藻酸铵。这些海藻酸盐也可以将两种以上加以组合而使用。海藻酸盐水溶液的浓度设为0.1重量％-5重量％，优选设为0.2重量％-5重量％，更优选设为0.2重量％-3重量％。在海藻酸盐水溶液的浓度小于0.1重量％时，难以发生凝胶化反应，如果超过5重量％，则由于海藻酸盐水溶液的粘度会变得过大，因此难以进行添加了填料1的混合液的搅拌，或难以将混合液滴加至多价金属离子水溶液中。

滴加海藻酸盐水溶液的多价金属离子水溶液只要为能够与海藻酸盐反应从而引起凝胶化的2价以上的金属离子水溶液即可。这种多价金属离子水溶液的例子可以列举：氯化钙、氯化钡、氯化锶、氯化镍、氯化铝、氯化铁、氯化钴等多价金属的氯化物水溶液；硝酸钙、硝酸钡、硝酸铝、硝酸铁、硝酸铜、硝酸钴等多价金属的硝酸盐水溶液；乳酸钙、乳酸钡、乳酸铝、乳酸锌等多价金属的乳酸盐水溶液；硫酸铝、硫酸锌、硫酸钴等多价金属的硫酸盐水溶液。这些多价金属离子水溶液也可以将两种以上组合而使用。多价金属离子水溶液的浓度设为1重量％-20重量％，优选设为2重量％-15重量％，更优选设为3重量％-10重量％。在多价金属离子水溶液的浓度小于1重量％时，难以引起凝胶化反应，如果超过20重量％，则由于金属盐的溶解会花费时间，并且会使用过剩的材料，因此不经济。

＜自组织化结构的控制＞

认为通过填料1与作为粘合剂5的海藻酸盐的竞争而出现的人工土壤粒子10的自组织化结构可以通过将填料1粒子化(凝胶化)时的条件进行控制。作为用以控制人工土壤粒子10的自组织化结构的条件，例如考虑以下的条件。

在形成图2(a)所示的三维网状结构时，在将分散有填料1的海藻酸钠水溶液滴加至氯化钙水溶液中时，以在海藻酸钠的分子间的离子交联(凝胶化)速度相对于海藻酸盐水溶液中的填料1的分散力不极度变大的方式，调整海藻酸钠水溶液及氯化钙水溶液的浓度、以及填料1的添加量。此时，通过填料1与作为粘合剂5的海藻酸钠的竞争，在填料1彼此接触的状态下时机恰当地引起海藻酸钠的凝胶化反应，从而形成骨架强度优异的三维网状结构。

在形成图2(b)所示的层状结构时，在将分散有填料1的海藻酸钠水溶液滴加至氯化钙水溶液中时，使氯化钙水溶液产生物理梯度或化学梯度。例如，使氯化钙水溶液沿着一定方向流动，并在该状态下，在氯化钙水溶液中滴加分散有填料1的海藻酸钠水溶液。此时，由于填料1与海藻酸钠一边受到剪切力一边竞争，并进行凝胶化，因此形成填料1在流动方向发生取向的层状结构。另外，在氯化钙水溶液中，在设置浓度梯度或温度梯度的状态下滴加分散有填料1的海藻酸钠水溶液。此时，由于作为粘合剂5的海藻酸钠的凝胶化反应沿着浓度梯度或温度梯度进行，因此形成填料1沿着浓度梯度或温度梯度取向的层状结构。

＜人工土壤粒子的多孔结构＞

具有自组织化结构的人工土壤粒子10是在具有细孔2的填料1之间形成连通孔3的多孔质粒子。人工土壤粒子10的粒径(图1所示的人工土壤粒子10的尺寸z的平均值)为0.2mm-10mm，优选为0.5mm-5mm，更优选为1mm-5mm。在人工土壤粒子10的粒径小于0.2mm时，人工土壤粒子10间的间隙变小从而排水性降低，因此有所栽培的植物难以从根部吸收氧气的风险。另一方面，如果人工土壤粒子10的粒径超过10mm，则人工土壤粒子10间的间隙变大从而排水性变得过大，因此有植物难以吸收水分、或人工土壤粒子10变得稀疏从而植物横倒的风险。人工土壤粒子10的粒径的调整例如可以通过利用筛子的分级来进行。连通孔3的尺寸(图1所示的相邻的填料1间的距离y的平均值)可以根据填料1或粘合剂的种类、组成、造粒条件而变化，但为亚微米级至亚毫米级。例如，在填料1为图1(a)所示的沸石1a、或图2(b)所示的水滑石1b，并使用高分子凝胶化剂时，连通孔3的尺寸为0.1μm-20μm。连通孔3的尺寸可以根据测定对象的状态，使用气体吸附法、水银压入法、小角度X射线衍射法、图像处理法等，或将该些方法组合，通过最适的方法进行测定。人工土壤粒子10的粒径例如可以使用光学显微镜观察及图像处理法进行测定。在本实施方案中，通过以下的测定法，测定连通孔3的尺寸及人工土壤粒子10的粒径。首先，将测定对象人工土壤粒子标度(scale)并用显微镜观察，使用图像处理软件(二维图像解析处理软件“WinROOF”、三谷商事股份有限公司制造)取得其显微镜图像。从图像中选择100个人工土壤粒子，描绘连通孔或人工土壤粒子的轮廓。根据所描绘的图形的周长算出等效圆的直径。将根据各连通孔或人工土壤粒子求出的等效圆的直径(100个)的平均值作为平均尺寸(单位：像素)。然后，将平均尺寸与显微镜图像中的标度进行比较，并转换为单位长度(微米级至毫米级)，算出连通孔的尺寸或人工土壤粒子的粒径。

就在人工土壤粒子10中存在的细孔2及连通孔3而言，连通孔3从外部吸收水分及养分，同时细孔2分散配置于连通孔3的周围，从而能够从连通孔3接收养分。

图3是概念性地表示人工土壤粒子10的细孔2与连通孔3的位置关系的模型图。另外，图3是将图1及图2所示的人工土壤粒子10的内部结构模型化的图，并非原样反映实际的人工土壤粒子10的内部结构。在本发明的人工土壤粒子10中，细孔2分散配置于连通孔3的周围是指细孔2与连通孔3连接，而且与连通孔3连接的细孔2实质上存在于连通孔3的整个周围。例如由图3(a)可见，尺寸x的多个细孔2与尺寸y的连通孔3连接，而且表现为多个细孔2沿着连通孔3的整个长度存在的状态。就该细孔2与连通孔3的特定的位置关系而言，只要是细孔2及连通孔3的大致半数以上有这种特定的位置关系即可。另外，在图3(a)中，为了纸面的方便，二维地示出细孔2与连通孔3的特定的位置关系，但在实际的人工土壤粒子10中，通过三维的扩展而形成上述特定的位置关系。用以使细孔2与连通孔3的特定的位置关系出现的条件目前仍未十分明确，但该特定的位置关系也被认为是在人工土壤粒子10中形成的自组织化结构的一种。为了形成该自组织化结构，例如，选择结晶性高的材料作为填料1，或选择具有特异性结晶结构的材料作为填料1，或以特定组合使用多种材料来作为填料1，或控制填料1所具有的结晶结构或层结构，或对填料1进行给予排列方向性的处理，或在将填料1粒状化时添加特定的添加剂，或使填料1的造粒法(粒状化条件)最适化。认为由此可以使自组织化组织更强地出现。

＜人工土壤粒子的保水性及保肥性的机制＞

就本发明的人工土壤粒子10而言，由于细孔2与连通孔3以不同的尺寸构成，因此可以实现作为土壤的基本性能(保水性及保肥性)的平衡优异的多功能的人工土壤。此处，参照图3详细地说明人工土壤粒子10具有的保水性及保肥性的机制。图3中，按照(a)、(b)、(c)的顺序分阶段地表示在人工土壤粒子10中从外部吸收水分W、及养分K、N、P的情形。此处，养分K表示钾成分、养分N表示氮成分、养分P表示磷成分。

在人工土壤粒子10中还未从外部吸收水分W、及养分K、N、P的状态下，如图3(a)所示，人工土壤粒子10的连通孔3及与该连通孔3连接的细孔2形成空隙。若人工土壤粒子10与包含养分K、N、P的水分W接触，则如图3(b)所示，首先在连通孔3中吸收水分W、及养分K、N、P先。若连通孔3充分地变为湿润状态，则如图3(c)所示，连通孔3中吸收的水分W、及养分K、N、P中，养分K、N、P从连通孔3移动至细孔2。在本发明的人工土壤粒子10中，主要通过在细孔2中吸收养分K、N、P，并且在连通孔3中保持水分W，从而主要由细孔2承担保肥性，由连通孔3承担保水性。如此，通过用细孔2和连通孔3分担不同的功能，可以获得保水性与保肥性的平衡优异的功能性人工土壤粒子10。另外，因为使用这种人工土壤粒子10的人工土壤能够对栽培对象植物适当地供给水分W或养分K、N、P，所以在维护上不费时间，从而容易处理。

＜人工土壤粒子的物性＞

优选地，人工土壤粒子10的细孔2及连通孔3以连通孔3的总容积大于细孔2的总容积的方式构成。这是为了充分地确保连通孔3的保水性，并且使养分从连通孔3向细孔2的移动顺利地进行。另外，如果连通孔3的总容积大于细孔2的总容积，则人工土壤粒子10变得轻质，因此堆积密度变小，作为人工土壤的处理也变得容易。为了使连通孔3的总容积大于细孔2的总容积，有效的是采用图2(a)所示的三维网状结构。由于具有三维网状结构的人工土壤粒子10堆积密度低且轻质，而且在结构上也稳定，因此可以适当地用作确保根菜类的栽培所必需的强度的人工土壤。另外，由于内部具有的多个空隙，因此成为保水性、保肥性、排水性、通气性等作为土壤的基本性能良好的土壤，可以作成附加值高的人工土壤。

人工土壤粒子10的强度可以利用通过施加反复压缩载荷引起的容积变化率进行评价。本发明的人工土壤粒子10设计为施加反复压缩载荷25KPa后的容积变化率为20％以下。优选的容积变化率为15％以下。如果容积变化率超过20％，则在花盆等中填充人工土壤并将秧苗移植时，人工土壤粒子10变得容易粉碎，有失去人工土壤粒子10的结构(填料1的细孔2分散配置于多个填料1间的连通孔3的周围，而且填料1为结合成三维网状的结构)的风险。其结果是会破坏保水性与保肥性的平衡。另外，如果失去人工土壤粒子10的结构，则容易引起人工土壤的压实，因此可能对根菜类的栽培造成不良影响。

本发明的人工土壤粒子10适于根菜类的栽培，但由于具有作为人工土壤的优异的保水性，因此也可以适用于至今为止主要进行水耕栽培的叶菜类蔬菜的培养。此处，人工土壤的保水性可以利用通水保水量进行评价。通水保水量作为每100mL人工土壤粒子的保水量(％)求出。就本发明的人工土壤粒子10而言，填料1的细孔2分散配置于多个填料1间的连通孔3的周围，而且由于填料1具有结合成三维网状的独特的结构，因此可以将通水保水量设定为20％-70％。如果通水保水量低于20％，则难以保持植物成长中的充足的水分，如果通水保水量超过70％，则人工土壤的通气性恶化，从而可能对植物的培养造成不良影响。关于通气性，可以用干燥状态的人工土壤的气相率表示。可以将使用了本发明的人工土壤粒子10的人工土壤的气相率设定为20％-80％。优选的气相率为40％-80％，更优选的气相率为50％-80％。在气相率小于20％时，向植物的根的供给的空气量不足，如果气相率超过80％，则有无法充分地确保保水性的风险。

在设计人工土壤粒子10时，也可以进一步提高连通孔3的保水性。作为提高连通孔3的保水性的一个方法，可以列举在人工土壤粒子10的连通孔3中导入保水性材料的方法。保水性材料例如可以通过在整个连通孔3中填充保水性材料、或利用保水性材料的膜覆盖连通孔3的表面而导入。此时，只要在连通孔3的至少一部分中存在保水性材料即可。保水性材料的导入例如可通过将具有保水性的高分子材料溶解于溶剂中而调制高分子溶液、并使该高分子溶液浸渍到人工土壤粒子10中而进行。

可以用作保水性材料的高分子材料例如可以列举：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；聚天冬酰胺酸盐类聚合物、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。这些保水性材料也可以将两种以上加以组合而使用。

就使作为保水性材料的上述高分子材料溶解的溶剂而言，根据所使用的高分子材料来选择溶解性高的溶剂，即，适当地选择高分子材料与溶剂的溶解度参数(SP值)接近的组合。例如，选择高分子材料的SP值与溶剂的SP值的差为5以下的这种组合(例：SP值约为10的硝化纤维素与SP值约为14.5的甲醇的组合)。这种溶剂的例子可以列举：甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、乙酸乙酯、丙酮、甲基乙基酮、甲基异丁基酮。这些溶剂也可以将两种以上加以组合而使用。

作为提高连通孔3的保水性的其他方法，可以列举在调制人工土壤粒子10时，作为原料的填料1的一部分或全部使用保水性填料的方法。此时，由于所生成的人工土壤粒子10本身具有保水性，因此不需要用以提高保水性的特别的后处理。在保水性填料中可以使用亲水性填料或多孔质粒状物，亲水性填料的例子可以列举：沸石、蒙皂石类矿物、云母类矿物、滑石、二氧化硅、双氢氧化物等，多孔质粒状物的例子可以列举：发泡玻璃、多孔质金属、多孔质陶瓷、高分子多孔体、亲水性纤维等。

＜人工土壤团粒体＞

本发明的人工土壤粒子10也可以进一步进行团粒化从而以人工土壤团粒体的形态用作人工土壤。图4是人工土壤团粒体100的示意图。此处，例示将使用了图1(a)所示的沸石1a的人工土壤粒子10团粒化而成的人工土壤团粒体100。

人工土壤团粒体100具有多个人工土壤粒子10相连的团簇结构。团簇结构通过利用二次粘合剂将多个人工土壤粒子10粘接而得。团粒化中所用的二次粘合剂可以使用与在人工土壤粒子10的形成中所用的粘合剂(一次粘合剂)相同的粘合剂，但也可以为不同种类的粘合剂。人工土壤团粒体100的尺寸(图4所示的人工土壤团粒体100的尺寸w的平均值)为0.4mm-20mm，优选为0.5mm-18mm，更优选为1mm-15mm。在人工土壤团粒体100的尺寸小于0.4mm时，有构成人工土壤团粒体100的人工土壤粒子10间的间隙变小从而排水性降低，从而栽培的植物难以从根吸收氧气的风险。另一方面，如果人工土壤粒子10的尺寸超过20mm，则有因排水性过度地变得过剩从而植物难以吸收水分、或人工土壤团粒体100变得稀疏而使植物横倒的风险。人工土壤团粒体100的尺寸例如使用光学显微镜观察及图像处理法进行测定。在本实施方案中，与连通孔3的尺寸及人工土壤粒子10的粒径同样地，通过使用前述图像处理的测定法测定人工土壤团粒体100的尺寸。

就将本发明的人工土壤粒子10进行团粒化而得的人工土壤团粒体100而言，保水性与保肥性的平衡优异，可以对栽培对象植物适当地供给水分或养分。因此，本发明的人工土壤团粒体100用作在维护时不费时间，并且容易处理的人工土壤。

实施例

以下，对关于本发明的具有自组织化结构的人工土壤粒子的实施例进行说明。作为实施例，利用海藻酸钠水溶液与氯化钙水溶液的凝胶化反应，调制具有通过填料与海藻酸钠的竞争而形成的自组织化结构的人工土壤粒子。另外，将实施例的人工土壤粒子进行团粒化而调制人工土壤团粒体。关于人工土壤粒子、及人工土壤团粒体的特性，通过以下的(1)-(7)所示的方法进行评价。

(1)粒径

用筛子预先将人工土壤粒子或人工土壤团粒体分级为特定的粒径，对分级后的人工土壤粒子或人工土壤团粒体，利用在上述实施方案中说明的使用图像处理的测定法测定粒径，将其用作样品。

(2)孔径

利用气体吸附法测定构成人工土壤粒子的填料的细孔的孔径。对于在多个填料之间形成的连通孔的孔径，利用在上述实施方案中说明的使用图像处理的测定法进行测定。

(3)阳离子交换容量

使用富士平工业股份有限公司制造的通用提取、过滤装置“CEC-10Ver.2”制作人工土壤粒子的提取液，将其作为阳离子交换容量测定用样品。接着，使用富士平工业股份有限公司制造的土壤·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)。

(4)阴离子交换容量

在2g人工土壤粒子中添加20mL的0.05M硝酸钙溶液，进行1小时搅拌。在室温下将溶液进行1分钟离心分离(10,000rpm)，将上清液作为测定用样品。对测定用样品，使用紫外可见分光光度计测定波长410nm的吸光度，求出硝酸钙浓度。根据所求出的硝酸钙浓度与空白的硝酸钙浓度的差，算出单位重量硝酸态氮的吸附量，以比重进行换算，将其作为单位容积的阴离子交换容量(AEC)。

(5)强度

通过因施加反复压缩载荷引起的容积变化率来评价人工土壤粒子的强度。容积变化率按照以下方法求出。在土壤评价用样品圆筒(内径：约5cm，高度：约5cm，容积：100mL)中填充100mL人工土壤作为样品，将直径稍小于样品圆筒的圆筒状砝码(重量：5kg)缓慢地载置于样品上。在这种状态下放置60秒钟，取出砝码。将上述操作反复进行10次(反复压缩载荷25KPa)。在反复压缩载荷施加完成后，将样品原样放置60秒钟，使用量筒等测定样品的容积V，并根据下式[1]求出容积变化率ΔV。

ΔV(％)＝(100-V)/100×100…[1]

(6)保水量

在敞开的色谱管中填充100mL人工土壤粒子，从上部缓慢地注入200mL水，将此时的人工土壤的保水量作为通水保水量。

(7)气相率

将由人工土壤粒子形成的人工土壤在自来水中浸渍24小时，做成饱和含水状态的样品，将该样品进一步静置1小时。使样品的重量水流下后，尽可能维持形状，并采集样品至100mL样品用圆筒中，放置于大起理化工业股份有限公司制造的数字式实容积测定装置“DIK-1150”中测定气相率。

[人工土壤粒子]

在100重量份的0.5重量％海藻酸钠水溶液中添加10重量份エコウエル股份有限公司制造的人工沸石“琉球ライト600”、及10重量份和光纯药工业股份有限公司制造的试剂水滑石并混合。以1滴/秒的速度将混合液滴加至5％氯化钙水溶液中。在所滴加的液滴凝胶化为粒子状后，回收粒子状凝胶并进行水洗，在设定为55℃的干燥机中干燥24小时。将结束干燥的粒子状凝胶进行筛选分级，获得2mm以上、4mm以下的人工土壤粒子。所得的人工土壤粒子具有三维网状结构。该人工土壤粒子的阳离子交换容量为14meq/100cc，阴离子交换容量为15meq/100cc。而且，使用了该人工土壤粒子的人工土壤的强度(容积变化率)为13％，保水量(通水保水量)为26％，气相率为33％。

[人工土壤团粒体]

将100重量份具有三维网状结构的人工土壤粒子和5重量份作为二次粘合剂的コニシ股份有限公司制造的乙酸乙烯酯树脂类粘接剂“ボンド(注册商标)木工用”混合，将混合物导入至造粒机中进行团粒化，获得人工土壤团粒体。所得的人工土壤团粒体的粒径为3mm-18mm，且具有多个人工土壤粒子相连的团簇结构。

产业上的可利用性

本发明的人工土壤粒子及人工土壤粒子的制造方法可以用于在植物工厂等中使用的人工土壤，作为其他用途，也可以用于施设园艺用土壤、绿化用土壤、成型土壤、土壤改良剂、室内用土壤等。

附图标记说明

1：填料

2：细孔

3：连通孔(间隙)

5：粘合剂(结合材料)

10：人工土壤粒子

100：人工土壤团粒体

Claims (8)

1.一种人工土壤粒子，其是由具有细孔的多个填料通过结合材料结合而成的人工土壤粒子，并且

其具有通过所述填料与所述结合材料的竞争而形成的自组织化结构。

2.根据权利要求1所述的人工土壤粒子，其中，所述自组织化结构是多个填料进行三维结合而成的三维网状结构。

3.根据权利要求1所述的人工土壤粒子，其中，所述自组织化结构是多个填料在特定的方向排列而成的层状结构。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的人工土壤粒子，其中，在所述填料之间形成连通孔。

5.根据权利要求4所述的人工土壤粒子，其中，所述细孔具有亚纳米级至亚微米级的尺寸，所述连通孔具有亚微米级至亚毫米级的尺寸。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的人工土壤粒子，其中，所述细孔具有离子交换能力。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的人工土壤粒子，其具有0.2mm-10mm的平均粒径。

8.一种人工土壤粒子的制造方法，其是由具有细孔的多个填料通过结合材料结合而成的人工土壤粒子的制造方法，并且

其包括通过所述填料与所述结合材料的竞争而使所述填料自组织化的形成步骤。