CN112250498A - 一种水凝胶植物营养组合物及其制备方法 - Google Patents

一种水凝胶植物营养组合物及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水凝胶植物营养组合物及其制备方法，一种水凝胶植物营养组合物由含大量元素营养物质水凝胶、全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶组成。本发明利用3D打印制备的水凝胶植物营养组合物，其中可生物降解高分子形成的网络体系，性质柔软，能保持良好形状，能吸收大量的水，可以容纳高浓度营养物质。水凝胶内部营养物质以更易于作物吸收的形态分散在整个土壤中，还能减少养分损失，大大提高了肥料的利用率，使农作物的收率及质量得到了提高。

Description

一种水凝胶植物营养组合物及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种水凝胶植物营养组合物及其制备方法，特别是涉及到一种利用3D打印技术制备水凝胶植物营养组合物及其制备方法，属于肥料领域。
背景技术
3D打印因具有精度高、可操控性强的制造特性，现在医疗临床和科研领域迅速发展。水凝胶因其三维网络结构能模拟自然组织，在三维生物打印中作为生物纸能满足形态学要求并较好地支持细胞增殖，可用作细胞生长的支架，从而引起了广泛关注。
目前，人工合成水凝胶能进行大规模量产，具有结构和性能可精细调控且重复性好、易于加工、力学性能较强等优点。天然水凝胶具有生物亲和力高、胶凝作用温和及化学修饰灵活、制备成本相对较低等优势，加之其无毒性、能较好地模拟细胞微环境，故能很好地支持细胞生长。因此，作为3D生物打印材料前景广阔，但是天然水凝胶也有共同的不足，主要表现为结构与性能可调范围窄、力学性能较差。
目前市场上正在销售的普通肥料在使用过程中，40～70％的氮，80～90％的磷，50～70％的钾随水土流失，而没有有效的作用于被施肥的农作物上，这远低于世界发达国家水平。在产率不高的情况下，栽种者往往会增加肥料的用量。这样不仅可能会对植物产生副作用，还会造成巨大的经济损失，更会造成严重的环境污染。人们正在努力寻求提高肥料利用率的方法，其中之一是对肥料本身进行改性，开发适合于作物生长需求的新型肥料。研制缓/控释肥料是世界各国普遍采用的有效措施之一。缓释肥料的优点是利用率高，养分损失少，环境友好。
水凝胶植物营养组合物集保水与缓控释于一身的保水缓释肥料的研制将成为未来农业肥料的主要发展趋势。它既能大量的吸收水分、保持水分，还能减少养分损失，大大提高了肥料的利用率，使农作物的收率及质量得到了提高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明目的在于提供了一种水凝胶植物营养组合物及其制备方法，本发明利用3D打印制备的水凝胶植物营养组合物，其中可生物降解高分子形成的网络体系，性质柔软，能保持一定形状，能吸收大量的水，同时可以容纳高浓度营养物质。水凝胶内部营养物质以更易于作物吸收的形态分散在整个土壤中，还能减少养分损失，大大提高了肥料的利用率，使农作物的收率及质量得到了提高。
一种水凝胶植物营养组合物，其特征在于：由含大量元素营养物质水凝胶、全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶组成，含大量元素营养物质水凝胶由以下重量份数的原料制成：氨基化透明质酸5～20份，纤维素3～15份，水溶性阳离子壳聚糖1～10份，水10～40份，含水溶性大量元素营养物质50～90份；全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶由以下重量份数的原料制成：碱性明胶5～10份，海藻酸40～60份，全水溶螯合含中微量营养物质30～50份。
所述的含大量元素营养物质水凝胶：全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶比例为1:0.01-0.5。
所述的含水溶性大量元素营养物质为硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵、硝酸钙、硝酸镁、硫酸镁、硝酸钾、磷酸钾、硫酸钾、尿素、氯化钾中的一种或二种以上的混合物。
所述的全水溶螯合含中微量营养物质为乙酸钙、柠檬酸钙、葡萄糖酸钙、氢氧化钙、乳酸钙、木质素硫酸钙、碘酸钙、五水硫酸铜、七水合硫酸亚铁、七水合硫酸镁、七水合硫酸锌、一水合硫酸锰、EDTA-Zn、EDTA-Cu、EDTA-Fe、EDTA-Mn、钼酸钠中的一种或二种以上的混合物。
一种水凝胶植物营养组合物的制备方法，其特征在于包括以下步骤；
①含大量元素营养物质水凝胶的制备：将氨基化透明质酸加入水中搅拌充分溶解，然后滴入纤维素充分搅拌，温度控制在30～50℃，接着加入水溶性阳离子壳聚糖搅拌混匀，再将所得的混合液超声震荡1～5min，再加入含水溶性大量元素营养物质，搅拌30～50min；最后置于40～45℃水浴中静置5～10min，得到含大量元素营养物质水凝胶；
②全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶的制备：将碱性明胶和海藻酸搅拌混匀后加入水中搅拌充分溶解，温度控制在30～50℃，再将所得的混合液超声震荡1～5min，最后加入全水溶螯合含中微量营养物质，搅拌30～50min；最后置于40～45℃水浴中静置5～10min，得到全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶；
③将第①步制得的含大量元素营养物质水凝胶与第②步制得的全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶按一定比例混合，采用3D打印技术制备水凝胶植物营养组合物。
由于采用了以上技术方案，本发明的水凝胶植物营养组合物具有以下优点：
1.本发明利用3D打印制备的水凝胶植物营养组合物，其各种营养物质可高达95％，同时水凝胶植物营养组合物中可生物降解的高分子网络体系，其性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水，内部的营养物质在土壤中膨胀，以更易于作物吸收的形态分散在整个土壤中，大大提高了元素利用；
2.通过本发明获得的水凝胶植物营养组合物，由于具有高强度、高模量、比表面积大等特点，使得水凝胶植物营养组合物集保水与缓控释于一身的保水缓释肥料的研制将成为未来农业肥料的主要发展趋势。
3.通过本发明制备的水凝胶植物营养组合物既能吸收大量水分、也能保持水分，还能减少养分损失，大大提高了肥料的利用率，使农作物的收率及质量得到了提高。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细描述。本发明各实施例的原料均为直接购买得到。
实施例1
首先含大量元素营养物质水凝胶的制备：将15份氨基化透明质酸加入30份水中搅拌充分溶解，温度控制30℃；然后滴入10份纤维素充分搅拌，最后加入5份水溶性阳离子壳聚糖搅拌混匀，再将所得的混合液超声震荡5min；然后依次加入10份尿素、30份硝酸钾、10份磷酸铵，高速搅拌30min，最后置于40℃水浴中静置5min，制得含大量元素营养物质水凝胶；
然后全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶制备：在30℃条件下，将10份碱性明胶、40份海藻酸，依次加入30份水中机械搅拌混匀，然后所得的混合液超声震荡5min，然后再依次加入水溶螯合含中微量营养物质，水溶螯合含中微量营养物质为16份葡萄糖酸钙、1份EDTA-Zn、1份EDTA-Cu、1份EDTA-Fe、1份EDTA-Mn和10份钼酸钠的混合物；高速机械搅拌30min，然后置于40℃水浴中静置5min，制得全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶；
最后将步制得的含大量元素营养物质水凝胶与制得的全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶按1:0.5比例混合，采用3D打印技术制备水凝胶植物营养组合物。经3D打印制备的水凝胶植物营养组合物，其水凝胶压缩模量为400kpa，拉伸强度为10Mpa,拉伸应变为400％，同时其营养物质能够缓慢释放，释放周期30天。
实施例2
首先含大量元素营养物质水凝胶的制备：将15份氨基化透明质酸加入30份水中搅拌充分溶解，温度控制30℃；然后滴入10份纤维素充分搅拌，最后加入5份水溶性阳离子壳聚糖搅拌混匀，再将所得的混合液超声震荡5min；然后依次加入10份尿素、30份硝酸钾、10份磷酸铵，高速搅拌30min，最后置于40℃水浴中静置5min，制得含大量元素营养物质水凝胶；
然后全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶制备：在30℃条件下，将10份碱性明胶、40份海藻酸，依次加入30份水中机械搅拌混匀，然后所得的混合液超声震荡5min，然后再依次加入水溶螯合含中微量营养物质，水溶螯合含中微量营养物质为16份葡萄糖酸钙、1份EDTA-Zn、1份EDTA-Cu、1份EDTA-Fe、10份EDTA-Mn和1份钼酸钠；高速机械搅拌30min，然后置于40℃水浴中静置5min，制得全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶；
最后将步制得的含大量元素营养物质水凝胶与制得的全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶按1:0.3比例混合，采用3D打印技术制备水凝胶植物营养组合物。经3D打印制备的水凝胶植物营养组合物，其水凝胶压缩模量为300kpa，拉伸强度为10Mpa,拉伸应变为400％，同时其营养物质能够缓慢释放，释放周期36天。
实施例3
首先含大量元素营养物质水凝胶的制备：将15份氨基化透明质酸加入30份水中搅拌充分溶解，温度控制30℃；然后滴入10份纤维素充分搅拌，最后加入5份水溶性阳离子壳聚糖搅拌混匀，再将所得的混合液超声震荡5min；然后依次加入10份尿素、30份硝酸钾、10份磷酸铵，高速搅拌30min，最后置于40℃水浴中静置5min，制得含大量元素营养物质水凝胶；
然后全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶制备：在30℃条件下，将10份碱性明胶、40份海藻酸，依次加入30份水中机械搅拌混匀，然后所得的混合液超声震荡5min，然后再依次加入水溶螯合含中微量营养物质，水溶螯合含中微量营养物质为16份葡萄糖酸钙、1份EDTA-Zn、1份EDTA-Cu、10份EDTA-Fe、1份EDTA-Mn和1份钼酸钠；高速机械搅拌30min，然后置于40℃水浴中静置5min，制得全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶；
最后将步制得的含大量元素营养物质水凝胶与制得的全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶按1:0.1比例混合，采用3D打印技术制备水凝胶植物营养组合物。经3D打印制备的水凝胶植物营养组合物，其水凝胶压缩模量为200kpa，拉伸强度为10Mpa,拉伸应变为400％同时其营养物质能够缓慢释放，释放周期42天。
实施例4
首先含大量元素营养物质水凝胶的制备：将15份氨基化透明质酸加入30份水中搅拌充分溶解，温度控制30℃；然后滴入15份纤维素充分搅拌，最后加入5份水溶性阳离子壳聚糖搅拌混匀，再将所得的混合液超声震荡5min；然后依次加入10份尿素、30份硝酸钾、10份磷酸铵，高速搅拌30min，最后置于40℃水浴中静置5min，制得含大量元素营养物质水凝胶；
然后全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶制备：在30℃条件下，将10份碱性明胶、40份海藻酸，依次加入30份水中机械搅拌混匀，然后所得的混合液超声震荡5min，然后再依次加入水溶螯合含中微量营养物质，水溶螯合含中微量营养物质为16份葡萄糖酸钙、10份EDTA-Zn、1份EDTA-Cu、1份EDTA-Fe、1份EDTA-Mn和1份钼酸钠；高速机械搅拌30min，然后置于40℃水浴中静置5min，制得全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶；
最后将步制得的含大量元素营养物质水凝胶与制得的全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶按1:0.15比例混合，采用3D打印技术制备水凝胶植物营养组合物。经3D打印制备的水凝胶植物营养组合物，其水凝胶压缩模量为451kpa，拉伸强度为10Mpa,拉伸应变为415％，同时其营养物质能够缓慢释放，释放周期60天。
实施例5
首先含大量元素营养物质水凝胶的制备：将5份氨基化透明质酸加入10份水中搅拌充分溶解，温度控制50℃；然后滴入3份纤维素充分搅拌，最后加入1份水溶性阳离子壳聚糖搅拌混匀，再将所得的混合液超声震荡1min；然后依次加入30份尿素、30份硝酸铵、30份硫酸铵，高速搅拌50min，最后置于45℃水浴中静置10min，制得含大量元素营养物质水凝胶；
然后全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶制备：在50℃条件下，将5份碱性明胶、60份海藻酸，依次加入50份水中机械搅拌混匀，然后所得的混合液超声震荡1min，然后再依次加入水溶螯合含中微量营养物质，水溶螯合含中微量营养物质为26份柠檬酸钙、10份七水合硫酸锌、1份五水硫酸铜、10份EDTA-Fe、1份EDTA-Mn和1份钼酸钠；高速机械搅拌50min，然后置于45℃水浴中静置10min，制得全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶；
最后将步制得的含大量元素营养物质水凝胶与制得的全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶按1:0.01比例混合，采用3D打印技术制备水凝胶植物营养组合物。经3D打印制备的水凝胶植物营养组合物，其水凝胶压缩模量为325kpa，拉伸强度为10Mpa,拉伸应变为400％同时其营养物质能够缓慢释放，释放周期50天。
实施例6
首先含大量元素营养物质水凝胶的制备：将20份氨基化透明质酸加入40份水中搅拌充分溶解，温度控制40℃；然后滴入10份纤维素充分搅拌，最后加入10份水溶性阳离子壳聚糖搅拌混匀，再将所得的混合液超声震荡3min；然后依次加入20份尿素、30份硫酸镁、20份氯化钾，高速搅拌40min，最后置于42℃水浴中静置8min，制得含大量元素营养物质水凝胶；
然后全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶制备：在40℃条件下，将8份碱性明胶、50份海藻酸，依次加入35份水中机械搅拌混匀，然后所得的混合液超声震荡3min，然后再依次加入水溶螯合含中微量营养物质，水溶螯合含中微量营养物质为16份乳酸钙、10份EDTA-Zn、5份七水合硫酸镁、5份EDTA-Fe、3份EDTA-Mn和1份钼酸钠；高速机械搅拌30min，然后置于40℃水浴中静置5min，制得全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶；
最后将步制得的含大量元素营养物质水凝胶与制得的全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶按1:0.15比例混合，采用3D打印技术制备水凝胶植物营养组合物。经3D打印制备的水凝胶植物营养组合物，其水凝胶压缩模量为451kpa，拉伸强度为10Mpa,拉伸应变为415％，同时其营养物质能够缓慢释放，释放周期60天。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种水凝胶植物营养组合物，其特征在于：由含大量元素营养物质水凝胶、全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶组成，含大量元素营养物质水凝胶由以下重量份数的原料制成：氨基化透明质酸5～20份，纤维素3～15份，水溶性阳离子壳聚糖1～10份，水10～40份，含水溶性大量元素营养物质50～90份；全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶由以下重量份数的原料制成：碱性明胶5～10份，海藻酸40～60份，全水溶螯合含中微量营养物质30～50份。
2.如权利要求1所述的水凝胶植物营养组合物，其特征在于：所述的含大量元素营养物质水凝胶：全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶比例为1:0.01-0.5。
3.如权利要求1所述的水凝胶植物营养组合物，其特征在于：所述的含水溶性大量元素营养物质为硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵、硝酸钙、硝酸镁、硫酸镁、硝酸钾、磷酸钾、硫酸钾、尿素、氯化钾中的一种或二种以上的混合物。
4.如权利要求1所述的水凝胶植物营养组合物，其特征在于：所述的全水溶螯合含中微量营养物质为乙酸钙、柠檬酸钙、葡萄糖酸钙、氢氧化钙、乳酸钙、木质素硫酸钙、碘酸钙、五水硫酸铜、七水合硫酸亚铁、七水合硫酸镁、七水合硫酸锌、一水合硫酸锰、EDTA-Zn、EDTA-Cu、EDTA-Fe、EDTA-Mn、钼酸钠中的一种或二种以上的混合物。
5.一种如权利要求1-4之一所述的水凝胶植物营养组合物的制备方法，其特征在于包括以下步骤；
①含大量元素营养物质水凝胶的制备：将氨基化透明质酸加入水中搅拌充分溶解，然后滴入纤维素充分搅拌，温度控制在30～50℃，接着加入水溶性阳离子壳聚糖搅拌混匀，再将所得的混合液超声震荡1～5min，再加入含水溶性大量元素营养物质，搅拌30～50min；最后置于40～45℃水浴中静置5～10min，得到含大量元素营养物质水凝胶；
②全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶的制备：将碱性明胶和海藻酸搅拌混匀后加入水中搅拌充分溶解，温度控制在30～50℃，再将所得的混合液超声震荡1～5min，最后加入全水溶螯合含中微量营养物质，搅拌30～50min；最后置于40～45℃水浴中静置5～10min，得到全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶；
③将第①步制得的含大量元素营养物质水凝胶与第②步制得的全水溶螯合含中微量营养物质水凝胶按一定比例混合，采用3D打印技术制备水凝胶植物营养组合物。
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