CN108347887A - 用于植物栽培的自支撑式塞子和其他结构 - Google Patents

Abstract

在本发明中，提出了一种制造用于种子萌发和植物生长的自支撑结构的方法及其制造方法。自支撑结构是通过将生长介质与仅为或主要为纤维材料的粘合剂混合而获得的。在优选的实施方案中，纤维状实施方案是可生物降解的。本发明公开了一种方法，其中将生长介质和粘合剂混合，然后成形为自支撑结构的所需尺寸。

Description

用于植物栽培的自支撑式塞子和其他结构

本发明涉及一种用于种子萌发和植物生长的塞子或其他结构，以及一种用于制造该塞子或其他结构的方法。

已知用于种子萌发和植物生长的培养基，特别是在温室栽培中。种子萌发和幼苗发育通常在由生长介质和可能的粘合剂组成的塞子中进行，并且塞子可以由容器支撑。“生长介质”指的是可以使种子萌发并且植物生长的物质，它可以包括但不限于泥炭藓，堆肥，土壤，泥炭，蛭石，碎木，椰子纤维，叶片，组织，肥料和两种或更多种组分的混合物。首先将种子播种在塞子中，随着根的发育和植物生长的进行，将植物/幼苗移植到更大的生长容器中。在移栽过程中，萌发塞被机械地转移到较大的容器中。在移栽过程中，生长介质可能会从塞子中分解，导致植物/幼苗的移栽适应期。减少或最好是消除移栽适应期对于减少作物生长时间是有益的。

在移植过程中减少或消除土壤从根部脱落的方法之一，就是制造含有生长介质和一种或多种粘结材料的塞子。由于疏松结构被认为对吸水和根部繁殖非常重要，因此该塞子必须包含类似于生长介质本身的疏松结构。

自支撑结构对于较大的生长容器也是有益的，含有幼苗的塞子可以移植到其中或直接进行萌发。这种较大的生长容器可以是自支撑的并且包含有生长介质。

美国专利No.3805531，美国专利No.4175355，美国专利No.5209014公开了通过将异氰酸酯或氨基甲酸酯预聚物和固化剂加入到生长介质中制备的粘合塞，其所述生长介质通过聚合形成粘合结构。后来如US20040049980中所公开的那样，美国专利No.4,495,310，美国专利No.5,791,085发现使用具有更亲水的聚氨酯基粘合剂塞子是有优势的。在植物栽培使用的塞子中，使用可固化的氨基甲酸乙酯作为粘合剂材料有两个缺点。第一个缺点是在聚合之前存在游离的异氰酸酯基团，这对制造塞子过程中涉及的人员构成安全危害。第二个缺点是聚氨酯的缓慢生物降解性，与由可生物降解的粘合剂形成的塞子相比，环境安全性较差。

US2003140556，WO2004071176和美国专利No.7866090描述了热塑性可生物降解粘合剂用于制造用于植物栽培的粘性塞的用途。热塑性材料与生长介质混合,并且为了使热塑材料至少部分被液化而将其加热，然后进行冷却以固化热塑性粘合剂并将少部分粘合剂粘合到生长介质中。WO2004071176描述了将粘合剂和生长介质的混合物加热至100℃的温度，而在US2003140556中是将粘合剂加热至约60℃，最好是45℃，美国专利No.7866090表明将热塑性颗粒加热至70-90℃以获得粘合剂与生长介质的粘合。使用加热来液化粘合剂使得制造塞子的生产步骤复杂化并且导致塞子中生长介质部分或完全灭菌。在塞子的制造步骤期间通过部分或完全灭菌来改变生长介质的细菌组成可能对作为植物栽培培养基的塞子是不利的。

当使用聚氨酯和可生物降解的粘合剂时，在与生长介质混合前他们是以液体或固体颗粒的形式加入。为了使粘合剂将生长介质结合成粘性结构，粘合剂和生长介质应该形成大的互连网络结构。液态的粘结剂或者加热得到的部分液化的粘合剂会与具有疏松结构的生长介质一起流动。生长介质的疏松结构使其具有大的表面积，这意味着粘结剂可能有大量的结合反应点。大量的结合反应点具有可能消耗大量的粘合剂的缺点。

US2003140556也描述了使用混合的粘合剂水分散体与生长介质，其中乙烯乙酸乙烯酯就很合适。水溶液与一定比例的生长介质混合形成浆液。所述浆液在混合后转移到模具中，然后使所述浆液干燥，优选在45℃下干燥。所述浆料中乙烯乙酸乙烯酯的量与生长介质的量相近，这意味着需要使用大量的粘合剂，这从成本角度来看是不利的。此外，乙烯乙酸乙烯酯具有较差的生物降解性，并且在有限的生物降解过程期间，危害性和消耗臭氧层的化合物会被释放出来，这从生态保护的角度来看是不希望的。在US2003140556中提到的另一个实施方案中，将纤维材料与粘合剂混合，以制造纤维材料位于产品外部的产品，以使所述产品具有增强的耐磨性。

在WO2013174386中公开了一种用于植物生产的生物可降解粘性容器。聚乳酸与柔性脂族聚酯共挤出，使得柔性脂族聚酯覆盖聚乳酸以实现可熔接的粘合剂。粘合剂制成片状，并通过将片材的两侧放在一起并将所述侧边熔接在一起，即通过对片材施加热量而转变成连续的容器。在形成容器后，可以填充生长介质，使得由聚乳酸包覆聚脂族酯制成的片形成自支撑结构的外部。

在US20090019765，US20110232188和US20140259909公开中，聚乳酸被报道是用于植物栽培的人造生长介质中的主要有用成分。在人造生长介质中，聚乳酸组成了植物生长所需的全部或大部分生长基。

本发明涉及一种用于种子萌发和植物生长的自支撑塞子，其由通过至少一种化学类型的纤维材料结合在一起的生长介质组成，其中纤维材料用于将培养基中各种组分结合在一起。纤维材料可以通过机械力和粘结力的方式将生长介质的组分结合在一起。机械力限定结构的形状，粘结力将纤维和结构内的生长介质结合在一起。纤维材料均匀地分布在生长介质内，意味着在整个塞子中纤维材料与生长介质整体的重量比，与任意一小块体积中两者的比例相同。自支撑塞子用于减少或消除植物栽培中的移栽适应期，并且与现有技术相比，通过使用纤维粘合剂，塞子中的粘合剂消耗减少，塞子的整体结构尽可能地接近天然生长介质，这有利于种子萌发和植物生长。

本发明还涉及由与自支撑塞子相同的材料构成的更大的生长容器。较大的生长容器可以是罐状，并且其壁和底部由与塞子相同生长介质和粘合剂的混合物组成，而罐的空腔可以填充有任何种类的生长介质。

构成粘合剂的纤维材料优选为生物可降解型，例如但不限于聚乙二醇，聚-ε-己内酯，聚乳酸，改性聚乳酸，聚羟基链烷酸酯，大麻，亚麻，椰子纤维，天然纤维如棉花和丝绸，包覆有一种或多种类型聚合物的天然纤维如淀粉和淀粉基纤维，纤维素，基于纤维素的纤维如莱赛尔纤维和粘胶纤维，由碳水化合物单体，二聚体或低聚物如蔗糖组成的纤维，和由不可生物降解和可生物降解组分或完全生物降解的组分所形成混合物的共聚纤维。通过使用可生物降解的粘合剂，获得具有环保的自支撑塞子或结构。

不可生物降解的纤维的实例是聚酰胺，一些聚酯如聚对苯二甲酸乙二醇酯，和不可生物降解物质的共聚物。这种纤维可以为可生物降解的粘合剂提供更具成本效益的替代方案。

此外，所述粘合剂可以完全或部分地由纤维材料组成，这种纤维材料部分或完全由一种或多种组分组成，或表面涂敷一种或多种组分，需要添加固化剂才能获得作为粘合剂的性能，固化剂可粘合纤维材料或粘合纤维材料和生长介质，并且固化剂可含有一个或多个以下反应性化学基团：胺，亚胺，羧酸，硫醇和环氧乙烷。通过使用固化剂，可以获得生长介质和结合剂的成分之间的强结合作用。

“纤维”和“纤维材料”是指材料的几何形状中一个维度明显长于另一维度或换言之具有高纵横比的材料。对于具有圆柱形的材料，这意味着物体的长度明显长于直径，对于矩形物体，其中一个或两个维度的长度明显大于其他维度的长度。通过使用纤维材料作为塞子的粘合剂，可以获得类似于纯生长介质的疏松结构的塞子。

通过使用本发明，在常温下制造可生物降解的自承结构是可行的。本发明中呈现的自支撑材料也可以制成块或垫的形状，或者是可以将生长介质添加到里面的自支撑结构，因为这样的结构是自支撑的并且是添加了低量粘结剂制备成的。

正如以下描述所揭示的，本发明的特别有利的实施例和特征由从属权利要求给出。进一步的实施例可以通过组合下面描述的各种实施例的特征来导出，并且各种权利要求的特征可以以任何适当的方式组合。

有利地，粘合剂占生长介质的比例，最大为30重量％，更优选最多为15重量％，最优选最多为10重量％。通过这种方法，可以生产自支撑结构而不使用过量的粘合剂。

根据本发明的各种优选实施方案，粘合剂包含有至少50重量％的聚乳酸或改性聚乳酸，更优选至少70重量％，最优选至少80重量％，因为聚乳酸和改性聚乳酸能有效地将生长介质的成分结合在一起。

在本发明的优选实施方案中，粘合剂中含有的纤维的纤度低于40旦，更优选低于25旦，因为这减少了获得自支撑结构所需的纤维材料的量。

对于本发明的各种实施方案，染色纤维或染色和非染色纤维的混合物被用作粘合剂。纤维的优选染色是模仿生长介质的颜色。优选用于染色粘合剂纤维的染料是可生物降解的。

对于可选的实施方案，粘合剂中含有大于50重量％的纤维材料和小于50重量％的其他粘合剂，所述粘合剂在环境温度下可以是液体，浆液或固体。添加非纤维粘合剂可以帮助形成粘合结构。非纤维粘合剂可由与粘合剂的纤维部分相同的化学组分组成，以及与粘合剂的纤维部分在化学上不同的其他组分，其中实例是聚氨酯，聚乙烯基乙烯和聚乙烯醇。

通过将生长介质与纤维材料混合获得自支撑结构。在混合纤维和生长介质后，物质形成为所需的形状。该形状可以是坚实的结构，例如塞子，块或垫以及具有一个或多个敞开的侧面的结构，例如罐子。

在本发明的优选实施例中，自支撑结构是通过在常温下将生长介质和纤维混合在所述结构中制造的。混合后，将由生长介质和纤维材料组成的混合物制备成所需的尺寸。

本发明的另一方面，将生长介质和纤维材料混合并成形为期望的尺寸以形成自支撑结构。所述结构被加热到40-150℃，优选50-110℃的温度以对结构进行灭菌。

在本发明的另一个实施方案中，将生长介质和粘合剂混合并加热到50-150℃，优选50-110℃的温度，以获得生长介质和材料的无菌混合物。然后将该无菌混合物成型为所需的尺寸。对于某些生产而言，在成型之前对混合生长介质和粘合剂进行灭菌比成型自支撑结构的灭菌更具成本效益。

在本发明的另一方面，将生长介质和纤维材料混合并制成需要的尺寸。然后通过使用例如伽马辐射在常温下对该结构进行灭菌。通过辐射进行灭菌在经济上可以比热处理好，特别是如果生长介质或结合剂含有水或具有高热容量。

根据本发明的一个实施方式，自支撑材料通过将生长介质和粘合剂添加到具有至少一个敞开侧面的容器中来制造。将生长介质和粘合剂在捏合过程中手工混合，然后成型为所需的尺寸以制备自支撑塞。

在如图1所示的本发明的另一个实施例中，通过使生长介质1和粘合剂2盛在容器3中，容器3具有完全封闭或具有一个或多个开口4或一个或多个敞开的侧面5或者他们的组合。在容器中放置一个或多个搅拌装置6。搅拌装置可以有各种几何形状，并且优选由具有低表面张力的材料如聚四氟乙烯或硅树脂制成或涂覆。用于产生搅拌器或搅拌器上的涂层的材料的表面张力优选低于40dyn/cm，更优选低于35dyn/cm，以防止搅拌器与生长介质和粘合剂之间的粘附。通过在容器内旋转搅拌器直到生长介质和粘合剂之间形成粘合结构。之后将生长介质和粘合剂制成所需尺寸以形成自支撑结构。

在一个替代实施方案中，生长介质和结合剂存在于容器中。如本领域技术人员已知的，优选将水添加到容器中以润湿生长介质和粘合剂，生长介质和粘合剂则通过喷射气流或其它能引入容器的方法混合。当生长介质和粘合剂已经充分混合时，将所述混合材料干燥并形成所需尺寸。在另一个实施例中，所述混合材料形成为所需的形状，接着进行干燥。干燥通过加热，减压，离心或其组合进行。干燥步骤优选通过离心进行。

在本发明的另一个实施方案中，生长介质和结合剂以干燥或中等湿度状态放置于容器中，这样生长介质和结合剂可能处于刚放置的状态。如本领域技术人员已知的，通过喷嘴或其他装置将压缩空气施加到容器中，使容器内的生长介质和粘合剂运动。通过运动，生长介质和粘合剂混合在一起。混合后，将混合材料成形为所需的尺寸。

Claims (15)

1.一种用于种子萌发和植物生长的自支撑结构，其包含由多种单独的成分构成的生长介质，其中每种单独的成分通过粘合剂与一种或其他成分结合，并且其中粘合剂是一种纤维材料。

2.根据权利要求1所述的结构，其中粘合剂与生长介质的比例最大为30重量％。

3.权利要求1的结构，其中所述结合剂是生物可降解的或部分可生物降解的，例如但不限于聚乙二醇，聚-ε-己内酯，聚乳酸，改性聚乳酸，聚羟基链烷酸酯，大麻，亚麻，椰子纤维天然纤维如棉花和丝绸，包覆有一种或多种类型的聚合物的天然纤维，淀粉和淀粉基纤维，纤维素和基于纤维素的纤维如莱赛尔和粘胶纤维，由碳水化合物单体，二聚体或低聚物如蔗糖组成的纤维，和由不可生物降解和可生物降解组分或完全生物降解的组分所形成混合物的共聚纤维.

4.权利要求1的结构，其中粘合剂是染色了的纤维。

5.权利要求1的结构，其中粘合剂是多种纤维的混合物，选自纤维如聚乙二醇，聚-ε-己内酯，聚乳酸，改性聚乳酸，聚羟基链烷酸酯，大麻，亚麻，椰子纤维天然纤维如棉花和丝绸，包覆有一种或多种类型的聚合物的天然纤维，淀粉和淀粉基纤维，纤维素和基于纤维素的纤维如莱赛尔和粘胶纤维，由碳水化合物单体，二聚体或低聚物如蔗糖组成的纤维，和由不可生物降解和可生物降解组分或完全生物降解的组分所形成混合物的共聚纤维，聚酰胺，聚氨酯，一些聚酯如聚对苯二甲酸乙二醇酯，以及不可生物降解组分的共聚物。

6.根据权利要求1和5的结构，其中粘合剂包含至少50重量％聚乳酸或改性聚乳酸组成，更优选至少70重量％，最优选至少80重量％。

7.根据权利要求1和5所述的结构，其中所述粘合剂完全或部分地由纤维材料组成，这种纤维材料部分或完全由一种或多种组分组成，或表面涂敷一种或多种组分，需要添加固化剂才能获得作为粘合剂的性能，固化剂可粘合纤维材料或粘合纤维材料和生长介质，并且固化剂可含有一个或多个以下反应性化学基团：胺，亚胺，羧酸，硫醇和环氧乙烷。

8.根据权利要求1的结构，其中粘合剂中的纤维纤度低于40旦，更优选低于25旦，因为这可以减少获得自支撑结构所需的纤维材料的量。

9.根据权利要求1的结构，其中所述粘合剂含有大于50重量％的纤维材料和小于50重量％的另一种粘合剂组成；所述另一种粘合剂在常温下可以是液体，浆体或固体，其含有与纤维部分相同的化学成分，以及与纤维部分化学上不同的成分，例如聚氨酯，聚乙烯基乙烯和聚乙烯醇。

10.一种制备如权利要求1所述塞子的方法，包括将纤维粘合剂和生长介质混合，随后将其成型为塞，垫，块，罐或类似结构的形状。

11.一种根据权利要求10制备塞子的方法，其中纤维粘合剂和生长介质通过手工混合，然后成型为塞子，垫子，块，罐或类似结构的形状。

12.一种根据权利要求10所述的方法，其中生长介质和粘合剂在0-50℃温度下混合，优选10-30℃。

13.一种根据权利要求9所述的方法，其中将所述生长介质和所述粘合剂加入到容器中，并通过一个或多个搅拌器搅拌混合，搅拌器由表面张力优选低于40dyn/cm，更优选低于35dyn/cm，的材料制成或涂覆于表面。

14.一种根据权利要求9所述的方法，其中，通过施加喷射气流，将所述生长介质和所述粘合剂在潮湿条件下混合，随后对混合的生长介质和粘合剂进行干燥和成型，或者成型之后再干燥。

15.一种根据权利要求10所述的方法，其中，所述生长介质和粘合剂在干燥或中等湿度条件提供，并且通过在所述腔室中施加空气对流使其在腔室中混合。