CN105733595A - 使用生物可降解聚合物的土壤调理剂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤调理剂，其使用将1～20wt％的K⁺基合成聚合物和80～99wt％的天然聚合物混合的生物可降解聚合物，从而具有优良的生物降解能力和高吸水率以便为农作物/植物供应固定量的水。

Description

使用生物可降解聚合物的土壤调理剂

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年12月31日提交的韩国专利申请号10-2014-0194585的权益，其公开内容通过引用的方式整体并入本文。

背景技术

技术领域

本发明涉及土壤调理剂，其使用通过将合成聚合物和天然聚合物混合而具有高和优良吸水率的生物可降解聚合物；并且更具体而言，本发明涉及土壤调理剂，其使用通过使用K⁺基聚合物作为合成聚合物和琼脂糖作为天然聚合物而具有高和优良吸水率的生物可降解聚合物，以为农作物/植物供应固定量的水。

相关技术的描述

高吸水聚合物具有三维网状结构以在具有离子基团的水溶性聚合电解质中引入交联。与水溶性聚合物不同，高吸水聚合物不溶解于水并且吸收数百倍于自身重量的蒸馏水和数十倍于自身重量的人工尿液。特别是，高吸水聚合物是在外部压力下具有优良保水能力的高功能聚合物。

以前，棉花、纸浆、海绵等通常被用作吸收水的材料。但是，由于这些材料仅仅通过物理毛细管现象吸收其底物(substrate)的孔(openings)中的水，因此它们的吸水率较低。而且，由于这些材料具有差的保持吸收水的能力，因此如果对其施加压力则水非常容易被排出。

但是，高吸水聚合物具有比常规吸水材料细得多的孔。此外，由于高吸水聚合物不仅通过物理毛细管现象吸收水，而且通过形成聚合物的分子与水化学键合来吸收水，因此它具有能够吸收数百倍于自身重量的水的高吸水性。一旦高吸水聚合物是通过吸收水膨胀的水凝胶，它具有高保水性，即使施加压力下也不溢出水。也就是说，由于高吸水聚合物在链间部分交联，因此它以三维网状结构被精密构造。由于每个聚合物链都具有类似羧酸钠(-COO^-Na⁺)的亲水性，因此如果水渗透到网内，羧酸钠基团的钠(Na⁺)会分离而羧基(COO^-)保留在聚合物链中。

由于聚合物链的羧基是阴离子，因此它们彼此电排斥。因此，聚合物链的网扩展以在三维网状系统内同时保留大量的阴离子和阳离子。然后，外部水渗透入聚合物处的渗透压也被施加于具有高浓度离子的聚合物吸水凝胶中。而且，当聚合物离子通过负电荷的排斥被扩展并且当聚合物和水之间的亲和力起作用时，大量的水被保持在网内。如果没有通过分子交联形成的三维网状结构，则聚合物的分子链是棒状(barshape)，以无限扩展为所谓的融化在水中的水溶性聚合物。

一旦高吸水聚合物吸收水，即使环境干燥，吸水凝胶也不容易干燥并且缓慢溢出水。因此，当通过将高吸水聚合物和土壤混合来培养农作物/植物时，吸水凝胶起蓄水的作用，充当农作物/植物的供水源，并且因此农作物/植物吸收的有效水量大大增加。因此，有可能最大程度地减少农作物/植物在严重干旱地区的枯萎损害并且有可能通过吸收和保持肥料成分而降低淋失量。此外，高吸水聚合物被用作所谓的种衣剂以当它干燥时涂布种子表面以提高农作物/植物的萌发并且缩短发芽天数。

但是，在高吸水聚合物是作为化学产品的合成聚合物并且它被用作农业用途的土壤调理剂的情况下，即使它失去吸水能力后，它也不分解并且合成聚合物组分仍然改变土壤。而且，由于目前使用的高分子聚合物主要是钠基，因此存在引起土壤的钠盐累积(盐化)的可能性并且因此需要寻找并开发更稳定的高分子聚合物。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：韩国专利公开申请号：2002-0031677(A)。

发明内容

因此，本发明的目的是解决上述问题并且提供土壤调理剂，其使用通过按预定比例将合成聚合物和天然聚合物混合而具有高吸水率的生物可降解聚合物，以为农作物/植物提供固定量的水。

本发明的另一个目的是提供土壤调理剂，其使用通过使用K⁺基聚合物作为合成聚合物和琼脂糖作为天然聚合物而满足吸水率和生物降解能力的生物可降解聚合物。

根据本发明的实施方案，提供了土壤调理剂，其使用将1～20wt％的K⁺基合成聚合物和80～99wt％的天然聚合物混合得到的生物可降解聚合物。

优选地，所述K⁺基合成聚合物是聚丙烯酸钾，所述天然聚合物是琼脂糖。

附图说明

参照附图通过详细描述其优选的实施方案，本发明的上述和其它特征和优势对本领域普通技术人员来说将是更显而易见的，其中：

图1是示出Na⁺基和K⁺基合成聚合物的吸水率随时间变化的图；

图2是示出淀粉和琼脂糖的吸水率随时间变化的图；

图3是示出生长长度根据土壤调理剂混合到土壤的混合比例的差异图；以及

图4是当混合0.1％的土壤调理剂时，在土壤中发生裂纹的图片。

具体实施方式

参照附图，在下文将更充分地描述本发明，其中示出本发明的优选示例性实施方案使得本领域普通技术人员可以容易地实施本发明。

本发明的使用生物可降解聚合物的土壤调理剂是通过将K⁺基合成聚合物和天然聚合物混合而形成，优选地，K⁺基合成聚合物使用高吸水聚合物聚丙烯酸钾。当使用K⁺合成聚合物时，它从根本上防止根据常规技术的Na⁺基聚合物的钠(Na⁺)被水分离并且积累在土壤中的问题。

K⁺基合成聚合物以总重量的1～20wt％被混合。如果K⁺基合成聚合物以1wt％或更少被混合，则吸水率低。如果K⁺基合成聚合物以20wt％或更多被混合，则高吸水聚合物组合物的生物降解能力降低。而且，聚丙烯酸钾是通过聚丙烯酸和氢氧化钾(KOH)的中和反应而形成。

优选地，天然聚合物是琼脂糖。琼脂糖以总重量的80～99wt％被混合。如果琼脂糖以80wt％或更少被混合，则由于K⁺基合成聚合物的量高导致生物降解能力降低。如果琼脂糖以99wt％或更多被混合，则吸水率低。

基于优选的示例性实施方案，将详细描述根据本发明的使用生物可降解聚合物的土壤调理剂。但是，本发明将不限于这些示例性实施方案。

实施例1土壤调理剂的成分保水和吸水的验证

土壤调理剂需要具有耐受不利条件的环境、多雨和干旱的外部环境的特征。因此，根据本发明的土壤条件的成分观察保水和吸水的变化。分类为市售的优良聚丙烯酸酯的高吸水聚合物的化学结构是Na⁺基结构和K⁺基结构。最常用的高吸水聚合物是Na⁺基。但是，由于Na⁺基聚合物具有在土壤中残留或积累钠盐的风险，因此使用用于根据本发明的土壤调理剂的K⁺基高吸水聚合物和琼脂糖进行实验。

(1)K⁺(钾)基吸水率的验证

对于实施例，将1g聚丙烯酸钾，其是本发明的K⁺(钾)基高吸水合成聚合物，和1000ml蒸馏水加入烧杯中。对于比较例，将1g聚丙烯酸钠，其是本发明的Na⁺(钠)基合成聚合物，和1000ml蒸馏水加入烧杯中。各混合物在室温下放置30分钟使水在饱和条件下被吸收。这之后，将各实施例和比较例的膨胀凝胶加入由无纺布(L×W×H,50×50×10mm)制成的茶叶袋中并且在50℃下在干燥机中完全干燥24小时。这之后，再次将1000ml蒸馏水加入包含干燥茶叶袋的烧杯中，在室温下放置30分钟使水在饱和条件下被吸收。以这种方式，测定每个的重量以验证吸水率。重复进行相同的实验30天，比较根据Na⁺基和K⁺基两类高分子聚合物的干燥和水再吸收的吸水量变化。

利用测定的数据通过[等式1]计算吸水率。结果如图1的曲线图所示。

[等式1]

如图1所示，比较例中Na⁺(钠)的初始吸水率比实施例中K⁺(钾)的初始吸水率高出近两倍，但是与K⁺的吸水率相比，Na⁺的吸水率急剧降低。29天过去后，Na⁺的吸水率几乎接近于0。但是，与Na⁺的初始吸水率相比，根据实施例的K⁺的初始吸水率低；但是即使随时间的过去，K⁺的初始吸水率的降低也低，从而29天过去后仍保持2/3的吸收水。

如上所述，Na⁺基合成聚合物中的吸收水在相对短的时间内会溢出。因此，由于Na⁺基合成聚合物用于农业土壤调理剂时不能够为农作物/植物平稳地提供水，因此其不适于用作土壤调理剂。但是，在K⁺基合成聚合物中，吸收水缓慢溢出。因此，由于K⁺基合成聚合物能够为农作物/植物稳定地提供水，已经验证K⁺基合成聚合物用作土壤调理剂是合适的。

(2)琼脂糖吸水率的验证

对于另一个实施例，将1g琼脂糖，其是本发明的高吸水天然聚合物，和1000ml蒸馏水加入烧杯中。对于另一个比较例，将1g淀粉，其是天然聚合物，和1000ml蒸馏水加入烧杯中。各混合物在室温下放置一定时间后，将各示例的膨胀凝胶加入由无纺布(L×W×H,50×50×10mm)制成的茶叶袋中。茶叶袋在空气中悬挂30分钟以使水从茶叶袋中溢出。然后，测定每个的重量以验证每一定时间(perthecertaintime)的吸水率。

利用测定的数据通过[等式1]计算吸水率。结果如图2的曲线图所示。

如图2所示，对于天然聚合物，已经验证在使用琼脂糖的实施例中的吸水率是使用淀粉的比较例中的吸水率的1.5倍或更高。像这样，琼脂糖作为天然聚合物被用作优良的吸水剂用于土壤调理剂是合适的。

实施例2土壤调理剂成分的生物降解能力的实验

本发明的土壤调理剂是通过按100:0、80:20、50:50、20:80和0:100的比例将聚丙烯酸钾和琼脂糖混合而形成，以增强高吸水聚合物的特性，其中，聚丙烯酸钾是K⁺(钾)基合成聚合物，琼脂糖是天然聚合物，两者都是稳定的和高度吸水性的。

测试在高吸水聚合物的特性测试中最重要的标准土壤的生物降解能力。通过采用以下进行生物降解能力测试，即“在可控堆肥条件下塑料材料的最终需氧生物降解能力和分解的测定(Determinationoftheultimateaerobicbiodegradabilityanddisintegrationofplasticmaterialsundercontrolledcompostingconditions)，第1部分，滴定法分析演变的二氧化碳”，其是在样品的需氧堆肥条件下的生物降解能力测试方法(KSM3100-1)。通过江原国立大学制备的堆肥作为在堆肥条件下使用的标准堆肥进行测试。

为了测定高吸水聚合物的碳含量，使用元素分析仪(FLASHEA-1112)和热导检测器(TCD)通过热解(1800℃)1mg的样品来分析气体的氧化还原反应的结果。标准材料使用BBOT(2,5-双-(5-叔丁基-苯并恶唑-2-基))噻吩样品。对照材料为纤维素，薄层色谱(TLC)级20μm(Sigma-Aldrich)。

通过使用ICP(电感耦合等离子体，PE5300-DV,PerkinElmer,USA)根据废物的官方测试方法(环境部，编号2007-58)和堆肥的质量测试方法和抽样标准(农村发展管理局，编号2005-27)进行标准堆肥的成分分析。

对于基于KSM3100-1的指导通过测定在堆肥条件下产生的二氧化碳的量来测定为有机化合物的塑料的需氧生物降解能力的生物降解能力测试，通过使用江原国立大学合作实验室的生物降解能力测试仪(JSBDT-24)来分析生物降解能力。该方法被设计用来复制城市固体废物中的有机成分的需氧堆肥情况，其是通过测定样品中碳的转化速度和比例来测试生物降解能力。

二氧化碳产生量是通过测定积累45天的二氧化碳的量而获得。使用液氮磨碎按一定比例(按钾：纤维素)混合的高吸水聚合物，以具有小于2×2cm的表面面积。积累的二氧化碳的产生量(ThCO₂)通过[等式2]计算并如表1所示。生物降解能力(D_T)通过[等式3]计算并如表2所示。

[等式2]

ThCO₂＝M_TOT×C_TOT×44/12

其中：M_TOT：当测试开始时加入到堆肥的干燥固体样品的量(g)，C_TOT：包含于总的干燥固体样品中的有机碳的比例(g/g)，以及44/12：二氧化碳的分子量和碳的分子量。

表1基于混合比例(天然聚合物和合成聚合物)周期性测定根据高吸水聚合物的二氧化碳的结果

[等式3]

D_T＝[(CO₂)_T-(CO₂)_B]/ThCO₂×100

(CO₂)_T：在包括样品的堆肥箱中产生的二氧化碳的积累量(g)，

(CO₂)_B：在接种箱(inoculumcontainer)中产生的二氧化碳的积累量的平均值(g)，

ThCO₂：由箱中的样品产生的理论二氧化碳的量(g)。

表2基于混合比例(天然聚合物和合成聚合物)测定根据高吸水聚合物的生物降解能力的结果

如表1和表2所示的分析结果，在第45天测定二氧化碳的产生量(ThCO₂)的最终结果计算如下：在只有琼脂糖的情况下为8.250g；在钾2：琼脂糖8时为6.783g；在钾5：琼脂糖5时为4.767g；在钾8：琼脂糖2时为2.567g，并且在只有钾时为0.917g。测定生物降解能力的结果计算如下：在只有琼脂糖时为83％；在钾2：琼脂糖8时为70％；在钾5：琼脂糖5时为56％；在钾8：琼脂糖2时为50％；并且在只有钾时为约10％。

如实验结果中所验证，当琼脂糖的量增加时生物降解能力高并且钾中几乎不发生分解。因此，在只有琼脂糖时生物降解能力高。但是，在包括用于保水和吸水的钾以用作土壤调理剂的情况下，当琼脂糖的含量为约80～99％时，生物降解能力和吸水率最高。

实施例3土壤调理剂的适当密度对农作物/植物的影响的实验

为了验证本发明的土壤调理剂对农作物/植物的影响，土壤调理剂通过将作为钾基合成聚合物的聚丙烯酸钾和作为天然聚合物的琼脂糖混合而形成。通过使用该土壤调理剂和具有高排水量的砂土进行该实验。

将土壤调理剂分别以0.1％、0.5％和1.0％(w/v)的比例混合到土壤中。胡椒用作农作物。灌溉条件是约每5天一次为农作物提供水并且水量为约0.5L/盆(pot)。最终的生长和发育情况通过测定在20～25℃的条件下30天的生长长度进行检查。结果如图3的曲线图所示。

如图3所示，在土壤调理剂和土壤的混合比例为0.5％和1％时，未显示任何大的差异，并且与对照盆相比示出90～95％的生长效率。这被认为通过高分子聚合物的保水有助于农作物/植物生长。而且，注意到一个重要的点，即当土壤调理剂按1.0％混合时，发生如图4所示的土壤裂纹。就这点而言，0.5％的高分子聚合物被检查为最理想的。当发生裂纹时，农作物/植物的地下部分(根)向上生长并且暴露在外部环境，这对农作物/植物造成损害。

如上所述，由于使用生物可降解聚合物的土壤调理剂包含K⁺基合成聚合物和天然聚合物，因此它具有高吸水率和优良的生物降解能力。通过理解物理特性例如天然聚合物和合成聚合物的含水量的百分比来选择最佳的天然聚合物和合成聚合物。将选择的天然聚合物和合成聚合物按比例混合以理解物理特性如生物降解能力。通过这些过程，进行最佳比例的研究。因此，可以知晓天然聚合物和合成聚合物的最佳的混合比例和生物降解能力。

本发明已经使用优选的示例性实施方案进行了描述。但是，应当理解，本发明的范围不限于公开的实施方案。相反，本发明的范围意图包括在本领域技术人员的能力之内使用当前已知的或未来的技术和等同进行的各种修改和可选的布置。因此，权利要求的范围应当与最宽的解释一致以涵盖所有的这种修改和类似的布置。

Claims (4)

1.一种土壤调理剂，其使用包含以下成分的生物可降解聚合物：

1～20wt％的K⁺基合成聚合物；和

80～99wt％的天然聚合物。

2.根据权利要求1所述的土壤调理剂，其中所述K⁺基合成聚合物为聚丙烯酸钾。

3.根据权利要求1所述的土壤调理剂，其中所述天然聚合物为琼脂糖。

4.根据权利要求1-3任一项所述的土壤调理剂，其中所述土壤调理剂按0.5～1％(w/v)被混合到土壤中。