CN114402948B - 立体绿化用自成型可降解植物培养基及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立体绿化用自成型可降解植物培养基，属于植物栽培技术领域。所述立体绿化用自成型可降解植物培养基由以下组分的配方制备而成的：植物培养基基料50‑90份、半互穿网络聚合物水溶液100‑400份、多价金属离子水溶液10‑30份。所述植物培养基基料包含蛭石粉3‑10份、珍珠岩4‑8份、东北黑炭土7‑15份、植物纤维30‑70份；所述半互穿网络聚合物水溶液包含海藻酸钠5‑25份、亲水聚合物5‑20份、水100‑450份；所述多价金属离子水溶液包含多价金属离子盐2‑7份、水8‑28份。本发明同时公开了上述自成型可降解植物培养基的制备方法。本发明植物培养基具有可生物降解的、自成型、高强度和高韧性的优点。

Description

立体绿化用自成型可降解植物培养基及其制备方法

技术领域

本发明涉及植物栽培材料技术领域，具体涉及一种立体绿化用自成型可降解植物培养基及其制备方法。

背景技术

立体绿化是利用地面以上的立体空间种植绿植，例如对屋顶屋面、天桥、阳台等进行绿化种植，不占用额外的土地资源，可有效改善城市生态环境、丰富城市景观。联合国环境署的研究表明，如果一个城市的屋顶绿化率达到70％以上，城市上空的二氧化碳含量将下降 80％，热岛效应会趋于消失(马月萍,白淑媛.屋顶绿化设计与建造. 北京:机械工业出版社,2009.)。绿化植被还可起到隔音降噪的作用，为人们营造更良好更静谧舒适的环境。李以通等人的研究表明，建筑立体绿化对于夏热冬暖地区的建筑隔热降温优势明显(李以通,成雄蕾,陈晨.夏热冬暖地区建筑立体绿化节能效果的实验研究，2021, 37(4):28-32.)。近年来立体绿化蓬勃发展，立体绿化的需求日益增长，立体绿化的技术也在不断提高。

目前的立体绿化技术多是采用塑料盒、布袋等容器盛装植物培养基，并将其垂直悬挂在墙壁、桥墩等建筑物立面上。国内专利 CN112602559提出以菇土、椰糠、珍珠岩和园土的混合物作为轻质基料，高吸水性树脂作为超保水剂，与缓释复合肥混合后获得松散的轻质培养基料，然后将其盛装与花盆中栽培绿植。此类技术所使用的植物培养基较为松散，对植物根系固定能力小，容易受到外界碰撞或者震动而散落，不适合植物移植；并且存在施工复杂的问题，在屋顶绿化和立体绿化应用过程中难度较高。

专利CN112450036提出将异氰酸酯加入到聚乙烯醇中形成改性的聚乙烯醇溶胶，然后加入泥炭土-木粉混合基质，充分反应、成型后获得整体性栽培基质。该基质具有轻质、柔软、有韧性、高持水率、不需使用容器盛装等优势，可在立体绿化、屋顶绿化、墙面绿化等场所推广使用。然而该专利所使用的异氰酸酯，包括甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯等，具有高生物毒性，会带来严重的环境污染问题。专利CN110178687提出以多元醇预聚体与异氰酸酯反应生成交联植物培养基质的交联剂，并构筑整体性栽培基质。这一技术亦存在异氰酸酯的高毒性、高污染的问题。专利CN110679434提出采用酚醛树脂、吐温80、乙二醇、正戊烷、对甲苯磺酸等为原料制备胶黏剂，用于交联植物培养基质，构筑整体培养基。该技术使用的正戊烷为挥发性有机溶剂(VOC)，会带来环境污染的问题；并且所采用的酚醛树脂中含有大量的甲醛单元，会持续向环境中释放甲醛，为环境治理带来负面影响。以上技术采用化学胶黏的方法交联植物培养基，构筑整体型植物培养基，展现出了良好的应用效果，但是所采用的化学品会进一步带来环境污染问题。

专利CN109644824则提出采用物理方法实现植物培养基的交联。其提出将短纤维、植物纤维颗粒、泥炭土、田园土混合搅拌、加湿、压紧后通过反复针刺使培养土与纤维牢牢缠结，构成有韧性、土壤不易分散的整体培养基。该技术所采用的短纤维包括乙纶、丙纶、涤纶、腈纶、锦纶、维纶、氯纶和粘胶纤维。该类短纤维与植物培养基之间没有化学键联作用，仅通过针刺来实现二者的复杂缠绕较为困难，不易形成具有较高强度和韧性的整体材料。另外，所采用的纤维材料难以生物降解，将带来附加的环境问题。专利CN107568025和CN107556110提出采用椰糠纤维和聚对苯二甲酸-乙二醇酯(PET)纤维构成两个架桥结构，椰糠纤维形成第一级的网状结构骨架，PET纤维构成第二级的网络骨架，由此交联固定住培养基质(包含土壤、吸水性树脂、珍珠岩和蛭石)，构成整体性植物培养基。该技术所采用的PET纤维和椰糠纤维与培养基质之间没有化学键联作用，仅依靠物理缠绕难以形成牢固、强韧的整体结构。并且，所采用的的PET纤维不可生物降解，将带来环境污染问题。

综上分析可知，制作整体性植物培养基是立体绿化发展的趋势，具有易于施工、维护方便、适于推广等特点。但是目前制备整体性植物培养基的技术方案都存在或多或少的问题，如使用的化学材料难降解、高毒性、环境污染严重的问题，物理交联方法强度低、韧性差的问题。本发明提出采用环保材料和生物质材料制备用于立体绿化的、可生物降解的、自成型、高强度和高韧性的整体性培养基。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供了一种立体绿化用自成型可降解植物培养基及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

立体绿化用自成型可降解植物培养基，包括以下配方：植物培养基基料、半互穿网络聚合物水溶液、多价金属离子水溶液，所述植物培养基基料、半互穿网络聚合物水溶液、多价金属离子水溶液的质量比为：50-90：100-400：10-30。

优选的，所述植物培养基基料由以下组份配制而成：蛭石粉3-10 份、珍珠岩4-8份、东北黑炭土7-15份、植物纤维30-70份，所述半互穿网络聚合物水溶液由以下组份配制而成：海藻酸钠5-25份、亲水聚合物5-20份、水100-450份，所述多价金属离子水溶液由以下组分配制而成：多价金属离子盐2-7份、水8-28份。

优选的，所述蛭石粉的粒度为60-80目，所述珍珠岩的颗粒直径为3-5毫米。

优选的，所述植物纤维为蔗渣纤维、棉花秸秆纤维粉末、水苔纤维粉末、水稻秸秆纤维、绿藻纤维、椰糠纤维、杨柳树纤维中的一种或多种。

优选的，所述植物纤维的长度为1-10毫米，长径比为4-20。

优选的，所述亲水聚合物为羧甲基纤维素、羧甲基壳聚糖、聚乙二醇、聚天冬氨酸、聚乙烯基吡咯烷酮、透明质酸中的一种或多种。

优选的，所述多价金属离子盐为氯化钙、氯化钡、硝酸铁、硝酸铝、氯化钡中的一种或多种。

立体绿化用自成型可降解植物培养基的制备方法，包括以下步骤：

S1、将3-10份蛭石粉、4-8份珍珠岩、7-15份东北黑炭土和30-70 份的植物纤维进行混合搅拌，搅拌时间0.5-5小时，获得混合均匀的植物培养基基料；

S2、取5-25份海藻酸钠，5-20份亲水聚合物，加入到100-450 份水中，在25-60℃条件下搅拌2-8小时，通过搅拌促使海藻酸钠与亲水聚合物溶解形成半互穿网络聚合物水溶液；

S3、取2-7份多价金属离子盐加入到8-28份水中，并在25-60℃条件下搅拌30分钟，促使多价金属离子盐全部溶解，获得多价金属离子水溶液；

S4、将S1制备的植物培养基基料加入到S2制备的半互穿网络聚合物水溶液中，在25-60℃条件下搅拌1-5小时，然后加入S3配制好的多价金属离子水溶液，并继续搅拌2-24小时，促使多价金属离子与海藻酸钠的钠离子进行充分的离子交换，以及多价金属离子与植物纤维表面酚羟基的鳌合，搅拌后形成混合物；

S5、将上述步骤S4制备的混合物加入到多孔金属托盘中，沥干至没与水份从金属托盘中流出为止，挤压成型，得到立体绿化用自成型可降解植物培养基。

优选的，步骤S1中，所述蛭石粉的粒度为60-80目，所述珍珠岩的颗粒直径为3-5毫米。

优选的，步骤S1中，所述植物纤维为蔗渣纤维、棉花秸秆纤维粉末、水苔纤维粉末、水稻秸秆纤维、绿藻纤维、椰糠纤维、杨柳树纤维中的一种或多种；所述植物纤维的长度为1-10毫米，长径比为 4-20。

优选的，步骤S2中，所述亲水聚合物为羧甲基纤维素、羧甲基壳聚糖、聚乙二醇、聚天冬氨酸、聚乙烯基吡咯烷酮、透明质酸中的一种或多种。

优选的，步骤S3中，所述多价金属离子盐为氯化钙、氯化钡、硝酸铁、硝酸铝、氯化钡中的一种或多种。

优选的，步骤S5中，所述将上述步骤S4制备的混合物加入到多孔金属托盘中，沥干水分；其中，所述金属托盘底部为多孔筛，利于沥干水分，宽度为30厘米，长度为600厘米，高度为5厘米。

本发明基于互穿网络聚合物水凝胶的原理提出利用互穿网络聚合物将传统的生物基质交联在一起形成整体性植物培养基。

水凝胶是一种具有交联网络结构的亲水性聚合物，具有吸收和保留大量水而不溶于水的优良性质。互穿网络聚合物水凝胶是交联聚合物的“合金”，通常由两种或两种以上交联聚合物相互贯穿而形成交联网络聚合物。与普通水凝胶相比，互穿网络聚合物水凝胶具有更强的拉伸应力、刚度和韧性(董孟娇.化学交联与金属离子络合互穿凝胶网络的制备及其性能研究,南京:东南大学,2016.)。海藻酸钠是一种天然的亲水性高分子材料，常用于制备互穿网络水凝胶。如， Zhou等首先在海藻酸钠水溶液中制备海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶，然后将水凝胶浸渍在多价金属离子水溶液中，通过多价金属离子与海藻酸钠的钠离子进行离子交换，每个多价金属离子可链接两个或多个高分子链段，从而形成链接点，获得互穿网络水凝胶(Yang CH,Wang MX,Haider H,Yang JH,Sun JY,Chen YM,Zhou JX,SuoZG.Strengthening Alginate/Polyacrylamide Hydrogels Using Various MultivalentCations.ACS Appl.Mater.Interfaces 2013,5,10418-10422.)。

植物纤维表面一般含有大量的酚羟基，其具有一定的酸性，可参与到与上述多价金属离子螯合作用中。利用这一原理，本发明提出采用海藻酸钠、亲水聚合物形成的互穿网络，并且植物纤维也通过与多价金属离子的螯合作用参与其中，形成有强度、有韧性的高水性材料。海藻酸钠、亲水聚合物和植物纤维形成的互穿网络高吸水材料的结构如图1所示。

本发明制备的整体性培养基主要由以下组分组成：(1)蛭石、 (2)珍珠岩、(3)东北黑炭土、(4)植物纤维、(5)海藻酸钠、 (6)亲水聚合物、(7)多价金属离子水溶液。其中，蛭石能够有效地促进植物根系的生长和小苗的稳定发育。长时间提供植物生长所必需的水分及营养，并能保持根阳光温度的稳定。蛭石可使作物从生长初期就能获得充足的水分及矿物质，促进植物较快生长，增加产量。珍珠岩具有储水和防止培养基板结的作用，还可增加培养基的透气性，为植物根系提供蔓延生长空间。东北黑炭土含有大量可供植物吸收的营养成分，具有良好的保水性。植物纤维，包括蔗渣纤维、棉花秸秆纤维粉末、水苔纤维粉末、水稻秸秆纤维、绿藻纤维、椰糠纤维、杨柳树纤维等，作为整体性植物培养基的骨架材料。植物纤维表面丰富的酚羟基可与添加的多价金属离子螯合，进一步与海藻酸钠螯合，由此形成缜密、坚韧的整体吸水网络。

海藻酸钠是一种天然材料，与植物培养基有良好的相容性，具有良好的吸水性和保水性，是形成水凝胶的主体材料，并且不会产生环境污染的问题。当添加多价金属离子时，海藻酸钠的钠离子与多价金属离子发生离子交换反应，形成交联网络结构，从而形成水凝胶。海藻酸钠除了自身形成交联网络，还会通过与之螯合的多价金属离子进一步与植物纤维表面的酚羟基螯合，从而形成更加坚韧的整体吸水网络。亲水聚合物，包括羧甲基纤维素、羧甲基壳聚糖、聚乙二醇、聚天冬氨酸、聚乙烯基吡咯烷酮、透明质酸等，是参与形成互穿网络水凝胶的另一种主要组分。互穿网络水凝胶由两种或两种以上聚合物通过网络互穿缠结而形成的一类独特的聚合物共混物或聚合物合金，可极大提高水凝胶的机械强度。互穿网络聚合物的结构示意图如图2所示。

多价金属离子水溶液，包括氯化钙、氯化钡、硝酸铁、硝酸铝、氯化钡等的水溶液，多价金属离子为海藻酸钠聚合物链段之间，以及海藻酸钠聚合物链段与植物纤维之间，提供链接点。一个多价金属离子可以螯合多个羧基或酚羟基，而一个钠离子只能螯合一个酸性位点。因此加入多价金属离子之后，多价金属离子与海藻酸钠的钠离子发生离子交换，并且进一步与植物纤维表面的酚羟基螯合，从而起到链接、锁定海藻酸钠高分子链段，强化海藻酸钠高分子链段与植物纤维之间的纠缠作用。

互穿网络水凝胶具有强吸水性和保水性，并且不溶解于水中，具有良好的机械强度，如弯折性、拉伸性等特点。本发明采用互穿网络材料构筑整体性植物培养基，所制备的植物培养基成型良好，不易松散，吸水和保水能力强。

本发明采用海藻酸钠与亲水聚合物形成互穿网络水凝胶，所采用的海藻酸钠和亲水聚合物具有良好的环境相容性，不产生环境污染。多价金属离子除了参与海藻酸钠与亲水聚合物形成互穿网络水凝胶之外，还进一步螯合了植物纤维表面的酚羟基，从而促使所制备的整体培养基具有良好的自支撑性，不易松散，便于搬运。本发明利用植物纤维、海藻酸钠、亲水聚合物形成的互穿网络吸水材料将传统植物培养基的基料包裹其中，为植物生长提供营养和良好的根系发育环境。

附图说明

图1为植物纤维/海藻酸钠/亲水聚合物形成的互穿网络结构示意图；

图2为互穿网络聚合物结构示意图；

附图中，1：植物纤维，2：多价金属离子螯合链接点，3：海藻酸钠，4：多价金属离子架桥，5：亲水聚合物。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种立体绿化用自成型可降解植物培养基，由下配方配制而成：植物培养基基料、半互穿网络聚合物水溶液、多价金属离子水溶液，所述植物培养基基料、半互穿网络聚合物水溶液、多价金属离子水溶液的质量比为：50-90：100-400：10-30。其中，所述植物培养基基料由以下组份配制而成：蛭石粉3份、珍珠岩7份、东北黑炭土7份、植物纤维30份(本实施例中植物纤维采用杨柳树纤维)；所述半互穿网络聚合物水溶液由以下组份配制而成：海藻酸钠15份、亲水聚合物20份(在本实施例中亲水聚合物采用羧甲基纤维素)、水250 份；所述多价金属离子水溶液由以下组分配制而成：多价金属离子盐 7份(在本实施例中多价金属离子盐采用氯化钙)、水28份。

上述立体绿化用自成型可降解植物培养基的制备方法，包括以下步骤：

首先，配制植物培养基基料：将3份蛭石粉、4份珍珠岩、7份东北黑炭土和30份的杨柳树纤维加入到卧式搅拌机内搅拌0.5-5小时，获得混合均匀的植物培养基基料。所述蛭石粉的细度在60-80目之间。所述珍珠岩颗粒的直径在3-5毫米之间。杨柳树纤维的长度在 1-10毫米之间，长径比在4-20之间。

然后，配制海藻酸钠与亲水聚合物的混合溶液，获得半互穿网络聚合物。取15份海藻酸钠，20份羧甲基纤维素，加入到250份水中，在25-60℃条件下搅拌2-8小时，促使两种聚合物全部溶解，形成初步半互穿网络聚合物。

之后，配制多价金属离子水溶液：取7份氯化钙加入到28份水中，并在25-60℃条件下搅拌20-60分钟，促使金属离子全部溶解，获得多价金属离子水溶液；

最后，将配制好的植物培养基基料加入到半互穿网络聚合物中，并在25-60℃条件下搅拌1-5小时，搅拌完成后，加入多价金属离子水溶液，继续搅拌2-24小时，促使多价金属离子与海藻酸钠的钠离子进行充分的离子交换，以及多价金属离子与植物纤维表面酚羟基的鳌合，形成混合物。

最后将上述步骤制备的混合物加入到多孔金属托盘或其它沥干设备中，沥干至没与水份流出为止，挤压成型，即获得最终的整体自支撑型植物培养基。金属托盘底部为多孔筛，利于沥干水分，宽度为 30厘米，长度为600厘米，高度为5厘米。

将所制备的整体植物培养基充分晒干，观察其是否板结变硬。在充分干燥的植物培养基表面喷洒自来水，观察其初步吸水能力，测量其饱和吸水量。将吸水饱和的植物培养基两端放置在水平铁架上，只有植物培养基两端有直径2毫米的铁丝起到支撑作用，观察植物培养基是否因吸收大量水分而松散开裂甚至坍塌。

实施例2、实施例3、实施例4、实施例5

实施例2、实施例3、实施例4、实施例5分别采用表1的配方组份进行配制，其配制方法与实施例1相同。

表1实施例1-5所采用的配方表

对实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5进行性能评价，其评价结果如表2所示：

表2实施例1-5性能评价表

以上实施例仅起到解释本发明技术方案的作用，本发明所要求的保护范围并不局限于上述实施例的实现系统和具体实施步骤。对上述实施例进行的替换和改进，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种立体绿化用自成型可降解植物培养基的制备方法，其特征在于，所述可降解植物培养基由以下组份配制而成：植物培养基基料、半互穿网络聚合物水溶液、多价金属离子水溶液，所述植物培养基基料、半互穿网络聚合物水溶液、多价金属离子水溶液的质量比为：50-90：100-400：10-30；

所述植物培养基基料由以下组份配制而成：蛭石粉3-10份、珍珠岩4-8份、东北黑炭土7-15份、植物纤维30-70份，所述半互穿网络聚合物水溶液由以下组份配制而成：海藻酸钠5-25份、亲水聚合物5-20份、水100-450份，所述多价金属离子水溶液由以下组分配制而成：多价金属离子盐2-7份、水8-28份；所述多价金属离子盐为氯化钙、氯化钡、硝酸铁、硝酸铝、氯化钡中的一种或多种；

所述制备方法包括以下步骤：

S1、将3-10份蛭石粉、4-8份珍珠岩、7-15份东北黑炭土和30-70份的植物纤维进行混合搅拌，搅拌时间0.5-5小时，获得混合均匀的植物培养基基料；

S2、取5-25份海藻酸钠，5-20份亲水聚合物，加入到100-450份水中，在25-60℃条件下搅拌2-8小时，通过搅拌促使海藻酸钠与亲水聚合物溶解形成半互穿网络聚合物水溶液；

S3、取2-7份多价金属离子盐加入到8-28份水中，并在25-60℃条件下搅拌30分钟，促使多价金属离子盐全部溶解，获得多价金属离子水溶液；

S4、将S1制备的植物培养基基料加入到S2制备的半互穿网络聚合物水溶液中，在25-60℃条件下搅拌1-5小时，然后加入S3配制好的多价金属离子水溶液，并继续搅拌2-24小时，促使多价金属离子与海藻酸钠的钠离子进行充分的离子交换，以及多价金属离子与植物纤维表面酚羟基的鳌合，搅拌后形成混合物；

S5、将上述步骤S4制备的混合物沥干水分，挤压成型，即得到立体绿化用自成型可降解植物培养基；所述亲水聚合物为羧甲基纤维素、羧甲基壳聚糖、聚乙二醇、聚天冬氨酸、聚乙烯基吡咯烷酮、透明质酸中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的一种立体绿化用自成型可降解植物培养基的制备方法，其特征在于：所述蛭石粉的粒度为60-80目，所述珍珠岩的颗粒直径为3-5毫米。

3.根据权利要求1所述的一种立体绿化用自成型可降解植物培养基的制备方法，其特征在于：所述植物纤维为蔗渣纤维、棉花秸秆纤维粉末、水苔纤维粉末、水稻秸秆纤维、绿藻纤维、椰糠纤维、杨柳树纤维中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种立体绿化用自成型可降解植物培养基的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述蛭石粉的粒度为60-80目，所述珍珠岩的颗粒直径为3-5毫米。

5.根据权利要求1所述的一种立体绿化用自成型可降解植物培养基的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述植物纤维为蔗渣纤维、棉花秸秆纤维粉末、水苔纤维粉末、水稻秸秆纤维、绿藻纤维、椰糠纤维、杨柳树纤维中的一种或多种；所述植物纤维的长度为1-10毫米，长径比为4-20。

6.根据权利要求1所述的一种立体绿化用自成型可降解植物培养基的制备方法，其特征在于：步骤S3中，所述多价金属离子盐为氯化钙、氯化钡、硝酸铁、硝酸铝、氯化钡中的一种或多种。