CN115893854A - 一种含钾磷元素的农业用纤维材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种含钾磷元素的农业用纤维材料，其成分具体包括SiO2、MgO、CaO、Al2O3、Fe2O3、Na2O、K2O以及P2O5；本申请还提供了含钾磷元素的农业用纤维材料的制备方法，其通过人工干预的方式，将天然矿石通过熔融、成纤以及热处理的工艺，制备得到了农业用纤维材料。本申请提供的农业用纤维材料通过主要元素和微量元素的调整，使得农业用纤维材料能够促进植物根系的生长；另一方面，制备过程中不会使用有机粘合剂/结合剂等物质，不会因有机粘合剂/结合剂的存在而进一步被植物吸收，进而不会给人体造成损害。
Description
技术领域
本发明涉及纤维材料技术领域，尤其涉及一种含钾磷元素的农业用纤维材料及其制备方法。
背景技术
目前，农业的无机纤维仅作为基材，而没有考虑纤维本身对土壤的有害影响及植物吸收生长的促进作用。同时，无机纤维的生产，只考虑到了其在工业领域的耐温性和实用性，而没有考虑成本及环保可溶性，但是其熔融温度高，使得成本增加。
进一步的，现有技术中以无机纤维材料作为培养基的产品中，均需要加入有机粘合剂/结合剂等物质，但是这些有机粘合剂/结合剂含有对土壤有害的苯酚、甲醛等有毒物质，给土壤造成持久性的损害，并且这些有机粘合剂/结合剂会进一步被植物吸收，进而可能会被人体吸收，对人体造成永久性损害。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种含钾磷元素的农业用纤维材料，该纤维材料有利于植物根系的生长，且不会对人体造成伤害。
有鉴于此，本申请提供了一种含钾磷元素的农业用纤维材料，包括：
优选的，所述农业用纤维材料中O/Si的摩尔比为(2.2～3.0)：1。
优选的，(SiO2+P2O5)的总质量/(CaO+MgO+Na2O+K2O)的总质量＝(1.8～3.0)：1。
优选的，所述SiO2的含量为58～72wt％，所述MgO的含量为2～5wt％，所述CaO的含量为22～29wt％，所述K2O的含量为0.8～2wt％，所述P2O5的含量为0.06～2wt％；所述(SiO2+P2O5)的总质量/(CaO+MgO+Na2O+K2O)的总质量＝(1.8～2.8)：1，所述农业用纤维材料中O/Si的摩尔比为(2.4～3.0)：1。
优选的，所述农业用纤维材料的平均直径在2.6～4.8μm，直径1～2μm的纤维占比8～28wt％，2～3μm的纤维占比65～85wt％，3～4μm的纤维占比8～18wt％，4～5μm的纤维占比1～3wt％。
优选的，所述农业用纤维材料的容重在40～140kg/m3。
优选的，所述农业用纤维材料的孔隙度为50～90％。
优选的，所述农业用纤维材料的保水率为100～1000％，导热系数为0.03～0.06W/m.K，pH值为7.4～8.3，比表面积为420～720m2/kg。
本申请还提供了所述的农业用纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
按照配比将含硅原料、含镁原料、含钙原料、含铝原料、含铁原料、含钾原料、含钠原料和含磷原料混合，熔融，得到熔体；
将所述熔体成纤后热处理，得到农业用纤维材料。
优选的，所述熔融的温度为1400～2200℃，所述成纤的方式为甩丝成纤，所述成纤的温度为1500～1600℃，甩丝线速度为150～200m/s。
本申请提供了一种含钾磷元素的农业用纤维材料，其成分具体包括SiO2、MgO、CaO、Al2O3、Fe2O3、Na2O、K2O以及P2O5；本申请提供的农业用纤维材料释放出植物生长所需要的有效硅、钙、镁等元素，使用过程中使其纤维结构逐渐发生改变，进而使土壤变得疏松透气，有利于植物根系的生长。同时，因其具有的生物溶解性，还可以提供不同植物生长所需要的硅、钙、镁、铁、钾、锰等元素；进一步的，农业用纤维材料的导热系数为0.03～0.06W/m.K(平均25℃)，保暖性好，根系保暖，有利于植物吸收微量元素，促进根系的生长；pH值7.4～8.3，有利于植物吸收有效元素；比表面积为400～700m2/kg，保证了良好的保水保肥能力；同时，所述农业纤维的比表面积大，纤维的溶解度高。
附图说明
图1为本发明含钾磷元素的农业用纤维材料的SEM照片；
图2为本发明含钾磷元素的农业用纤维材料粉化后的SEM照片；
图3为本发明含钾磷元素的农业用纤维材料表面的SEM照片；
图4为本发明含钾磷元素的农业用纤维材料溶解后的纤维表面的SEM。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
鉴于现有技术中农业用纤维材料有机粘合剂/结合剂被植物吸收，而对人体造成伤害的问题，本申请提供了一种含钾磷元素的农业用纤维材料，该种农业用纤维材料根据农作物所需主要元素或者微量元素进行调节，在不加入有机粘合剂/结合剂的情况下，仍然使得农业用纤维材料有利于植物根部吸收能力的提高，且还具有保水保肥透气的优点。具体的，本发明实施例公开了一种含钾磷元素的农业用纤维材料，包括：
在本申请提供的含钾磷元素的农业用纤维材料中，P2O5、K2O的引入一方面可以降低原料在熔融过程中熔体的熔融温度1800～2000℃，使其在低于温度条件下即可熔融1400～1800℃；并且适当含量的P2O5、K2O氧化物的引入，可以不影响成纤质量的情况下，增加熔体在成纤过程中的纤维缺陷，同时促进纤维在土壤中的有效溶解，提高土壤中的有效Si、有效Ca、有效Mg、有效Fe和有效K的含量，提高植物或作物的根部吸收能力，从而提高作物的产量及品质。具体的，P2O5的含量为0.02～3wt％，更具体地，P2O5的含量为0.06～2wt％，更具体地，P2O5的含量为0.5～1.5wt％。K2O的含量为0.06～3wt％，更具体地，K2O的含量为0.3～2.5wt％，更具体地，K2O的含量为0.8～2.0wt％。
SiO2的含量为55～75wt％，更具体地，SiO2的含量为58～72wt％，更具体地，SiO2的含量为60～70wt％。
所述MgO的含量为0～6wt％；更具体地，MgO的含量为2～5wt％；更具体地，MgO的含量为2.5～4.5wt％。
Al2O3的含量＜1wt％，更具体地，Al2O3的含量为0.3～0.6wt％。
CaO的含量为20～32wt％，更具体地，CaO的含量为22～29wt％，更具体地，CaO的含量为24～28wt％。
在本申请提供的农业用纤维材料中，O/Si摩尔比为(2.2～3.6)：1，其可以有效控制纤维在成纤过程中成纤质量，提高纤维在成纤过程中的直径稳定性；其中，O/Si摩尔比过高，无法成纤，O/Si摩尔比过低，成纤的纤维直径(＞4μm)较大，无法满足农业的实际应用需求；更具体地，O/Si摩尔比为(2.4～3.2)：1。
本申请中，(SiO2+P2O5)/(CaO+MgO+Na2O+K2O)重量比控制在1.8～3.0：1范围，可以控制酸性氧化物与碱性氧化物用量，使得成纤后的纤维的pH值在7.0～8.0之间，满足成纤后的纤维保持中性偏碱性的条件，有助于植物有效的吸收钾、钙、镁和硅元素；更具体地，所述(SiO2+P2O5)的总质量/(CaO+MgO+Na2O+K2O)的总质量＝(1.8～2.8)：1。
本申请还提供了农业用纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
按照配比将含硅原料、含镁原料、含钙原料、含铝原料、含铁原料、含钾原料、含钠原料和含磷原料混合，熔融，得到熔体；
将所述熔体成纤后热处理，得到农业用纤维材料。
在本申请中，所述含Si的原料选自硅石、石英砂或其他含硅矿物；所述含Mg的原料为电熔镁砂、轻烧镁砂、轻烧或重烧白云石、镁橄榄石或其他含镁矿物；所述含Ca的原料为石灰、轻烧或者重烧白云石、硅灰石或其他含钙矿物；所述含Al的原料为工业氧化铝、煅烧氧化铝或含铝矿物；所述含K的原料为碳酸钾、碳酸氢钾或其他含钾矿物；所述含Na的原料为碳酸钠、碳酸氢钠或其他含钠矿物；所述含Fe的原料为磁铁矿、磁铁矿或其他含铁矿物；所述含磷的原料为磷酸二氢钠、五氧化二磷或含磷矿物。
在原料混合之后，则将其进行熔融，所述熔融的温度为1000～2000℃，更具体地，所述熔融的温度为1400～1800℃。
按照本发明，然后将熔融得到的熔体采用甩丝或喷吹的方式形成纤维状物质；在具体实施例中，所述成纤的方式为甩丝成纤，所述成纤的温度为1500～1600℃，甩丝线速度为150～200m/s。
本申请最后将成纤的后材料热处理，即得到农业用纤维材料。
本申请提供的农业用纤维材料是天然矿石通过熔融处理再经成纤加速了从岩石到土壤的进程，此外，在成纤过程中出现的结构缺陷，加速了纤维在土壤中的生物溶解性，纤维在使用过程中会进行溶解、剥离和粉化(如图1、2、3所示)，释放出植物生长所需要的有效硅、钙、镁等元素，使用过程中使其纤维结构在逐渐发生改变(如图4所示)，进而使土壤变得疏松透气，有利于植物根系的发展。同时，因其具有的生物溶解性，还可以提供不同植物生长所需要的硅、钙、镁、铁、钾、锰等元素；同时K元素是植物进行光合作用必不可少的元素，钾元素在植物生长发育过程中，参与60种以上酶系统的活化、光合作用，同化产物的运输，碳水化合物的代谢和蛋白质的合成等过程，氮肥是农业生产中需要量最大的化肥品种。
本申请制备的纤维材料的平均直径在2.6～4.8μm，直径1～2μm的纤维占比8～28wt％，2～3μm的纤维占比65～85wt％，3～4μm的纤维占比8～18wt％，4～5μm的纤维占比1～3wt％。其中，若直径4～5μm的纤维占比多，纤维品的容重偏大，透气性差，保水率降低。
纤维材料中的有效硅、有效钙、有效镁、有效钾、有效铁和有效磷的含量分别为20～500mg/kg，10～100mg/kg，3～50mg/kg，50～1000mg/kg，10～40mg/kg，5～100mg/kg，有效硅测试方法为《NY/T1121.15-2006土壤检测系列标准》，有效钙、镁测试方法为《LY/T2445-2015绿化用表土保护技术规范》，有效钾和有效磷的测试方法依据《土壤速效钾和缓效钾含量的测定NY/T 889-2004》和《土壤有效磷的测定碳酸氢钠浸提-钼锑抗分光光度法》。
纤维材料中的容重在48～160kg/m3，需要达到48kg/m3以保持植物级作物对水分及肥料的需求；若容重太低，其不利于水分的保持以及提供植物生长的支撑能力。
纤维材料中的的孔隙度为50～90％；其具有多孔性能，以便能够为植物在生长介质中发芽和根系生长提供足够的水和空气。
纤维材料中的保水率为100～1000％，农业用纤维材料应具有良好的保水能力；农业用纤维材料充分保水后，并称重，再用105±2℃的烘箱烘干土壤，通过测量烘干前后的重量变化，减少的质量就是保水量，保水量就可以用来作为土壤保水性的指标。
另外，纤维材料中的导热系数为0.03～0.06W/m.K(平均25℃)，比表面积420～720m2/kg；因此，本申请提供的农业用纤维材料保暖性好，根系保暖，有利于植物吸收微量元素，促进根系的生长；且接触面积大，具有较高的溶解度，植物可吸收的元素含量高。
纤维中重金属指标不高于国家标准(《GB5085.3-2007危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》)。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的含钾磷元素的农业用纤维材料及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
把所需原料钙石粉、硅石粉、镁砂：碳酸钾：磁铁粉：五氧化二磷：碳酸钠：工业氧化铝按照(26)：(64)：(4.2):(2.8)：(1.5)：(0.7)：(0.6)：(0.2)配比混合均匀，在1700～1850℃范围持续熔融，通过甩丝成纤，成纤温度1570～1600℃，甩丝线速度170m/s，最后热处理，得到农业用纤维材料。
该实施例中得到的农业纤维SiO2：64.34wt％；MgO：4.21wt％；CaO：26.32wt％；Al2O3：0.515wt％；Fe2O3：1.38％，Na2O：0.3wt％，K2O：1.25wt％，P2O5：0.5wt％，O/Si mol：2.6，(SiO2+P2O5)/(CaO+MgO+Na2O+K2O)重量：2.0，容重在96kg/cm3，纤维平均直径3.2μm，直径1-2μm的纤维占比23wt％，2-3μm的纤维占比62wt％，3-4μm的纤维占比12wt％，4～5μm的纤维占比3wt％，平均25℃的导热系数0.032W/m.k，pH值在7.8，保水率在560％，孔隙度在75％，比表面积为596m2/kg，镉汞砷铅等不超标；有效硅、有效钙、有效镁、有效钾、有效铁和有效磷的含量分别为280mg/kg，68mg/kg，37mg/kg，123mg/kg，25mg/kg，7mg/kg。
实施例2
把所需原料钙石粉、硅石粉、镁砂、碳酸钾、赤铁粉、五氧化二磷：碳酸钠：工业氧化铝按照(26.2)：(64.4)：(4.7)：(1.8)：(1.1)：(1.2)：(0.4)：(0.2)配比混合均匀，在1600～1750℃范围持续熔融，通过甩丝成纤，成纤温度1570～1640℃，甩丝线速度170m/s，最后热处理，得到农业用纤维材料。
该实施例中得到的农业纤维SiO2：65.2wt％；MgO：4.91wt％；CaO：26.12wt％；Al2O3：0.445wt％；Fe2O3：0.38wt％，Na2O：0.61wt％，K2O：0.8wt％，P2O5：1.1wt％，O/Si mol：2.57，(SiO2+P2O5)/(CaO+MgO+Na2O+K2O)重量：2.01，容重在80kg/cm3，纤维平均直径3.0μm，直径1-2μm的纤维占比19wt％，2-3μm的纤维占比70wt％，3-4μm的纤维占比8wt％，4-5μm的纤维占比3wt％，平均25℃的导热系数0.032W/m.k，pH值在7.9，保水率在330％，孔隙度在70％，比表面积为610m2/kg，镉汞砷铅等不超标；有效硅、有效钙、有效镁、有效钾、有效铁和有效磷的含量分别为398mg/kg，48mg/kg，36mg/kg，150mg/kg，12mg/kg，28mg/kg。
对比例1
把所需原料钙石粉、硅石粉、镁砂、碳酸钾：磁铁粉：五氧化二磷：碳酸钠：工业氧化铝按照(28.3)：(62.2)：(4.8)：(1.6)：(2)：(0.4)：(0.4)：(0.3)配比混合均匀，在1500～1650℃范围持续熔融，通过甩丝成纤，成纤温度1410～1480℃，甩丝线速度170m/s，最后热处理，得到农业用纤维材料。
该对比例中得到的农业纤维SiO2：61.5wt％；MgO：5.07wt％；CaO：28.1wt％；Al2O3：0.645wt％，Fe2O3：1.48wt％，Na2O：0.8wt％，K2O：1.1wt％，P2O5：0.1wt％；O/Si mol：2.7，(SiO2+P2O5)/(CaO+MgO+Na2O+K2O)重量：1.75，容重在96kg/cm3，纤维平均直径3.3μm，直径1-2μm的纤维占比25wt％，2-3μm的纤维占比65wt％，3-4μm的纤维占比7wt％，4-5μm的纤维占比3wt％，平均25℃的导热系数0.033W/m.k，pH值为8.4，保水率在650％，孔隙度在75％，比表面积为526m2/kg，镉汞砷铅等不超标；有效硅、有效钙、有效镁、有效钾、有效铁和有效磷的含量分别为170mg/kg；8mg/kg，2mg/kg，40mg/kg，9mg/kg，4mg/kg。
对比例2
把所需原料钙石粉、硅石粉、镁砂、碳酸钾、赤铁粉、五氧化二磷：碳酸钠：工业氧化铝按照(26.7)：(65.1)：(5.4)：(0.6)：(1.4)：(0.6)：(0.2)配比混合均匀，在1600～1750℃范围持续熔融，通过甩丝成纤，成纤温度1570～1640℃，甩丝线速度180m/s，最后热处理，得到农业用纤维材料。
该对比例中得到的农业纤维SiO2：65.3wt％；MgO：5.11wt％；CaO：26.12wt％；Al2O3：0.52wt％；Fe2O3：0.06wt％，Na2O：0.81wt％，K2O：0.044wt％，P2O5：1.1wt％，O/Si mol：2.6，(SiO2+P2O5)/(CaO+MgO+Na2O+K2O)重量：1.9，容重在96kg/cm3，纤维平均直径5.0μm，直径1-2μm的纤维占比10wt％，2-3μm的纤维占比60wt％，3-4μm的纤维占比24wt％，4-5μm的纤维占比6wt％，平均25℃的导热系数0.031W/m.k，pH值在7.2，保水率在430％，孔隙度在60％，比表面积为326m2/kg，镉汞砷铅等不超标；有效硅、有效钙、有效镁、有效钾、有效铁和有效磷的含量分别为80mg/kg，9mg/kg，12mg/kg，50mg/kg，0.1mg/kg，3mg/kg。
对比例3
把所需原料钙石粉、硅石粉、镁砂、碳酸钾、磁铁粉：碳酸钠：工业氧化铝按照(26.8)：(65.2)：(4.9)：(1.2)：(1.5)：(0.2)：(0.2)配比混合均匀，在1600～1750℃范围持续熔融，通过甩丝成纤，成纤温度1570～1640℃，甩丝线速度180m/s，最后热处理，得到农业用纤维材料。
该对比例中得到的农业纤维SiO2：63.93wt％；MgO：4.76wt％；CaO：26.43wt％；Al2O3：0.51wt％；Fe2O3：1.29％，Na2O：0.41，K2O：1.1，P2O5：0，O/Si mol：2.6，(SiO2+P2O5)/(CaO+MgO+Na2O+K2O)重量：1.96，容重在96kg/cm3，纤维平均直径3.2μm，直径1-2μm的纤维占比19wt％，2-3μm的纤维占比58wt％，3-4μm的纤维占比20wt％，4～5μm的纤维占比4wt％，平均25℃的导热系数0.031W/m.k，pH值在7.4，保水率在430％，孔隙度在70％，比表面积为506m2/kg，镉汞砷铅等不超标；有效硅、有效钙、有效镁、有效钾、有效铁和有效磷的含量分别为80mg/kg，9mg/kg，2mg/kg，30mg/kg，8mg/kg，0mg/kg。
对比例4
把所需原料钙石粉、硅石粉、镁砂：碳酸钾：工业氧化铝：五氧化二磷：碳酸钠按照(26.3)：(63.9)：(4.5):(1.3)：(3.2)：(0.5)：(0.2)配比混合均匀，在1700～1850℃范围持续熔融，通过甩丝成纤，成纤温度1570～1600℃，甩丝线速度170m/s，最后热处理，得到农业用纤维材料。
该对比例中得到的农业纤维SiO2：63.93wt％；MgO：4.73wt％；CaO：26.43wt％；Al2O3：3.11wt％，Fe2O3：0wt％，Na2O：0.41wt％，K2O：1.25wt％，P2O5：0.5wt％，O/Si mol：2.66，(SiO2+P2O5)/(CaO+MgO+Na2O+K2O)重量：1.97，容重在96kg/cm3，纤维平均直径3.8μm，直径1-2μm的纤维占比23wt％，2-3μm的纤维占比62wt％，3-4μm的纤维占比12wt％，4-5μm的纤维占比3wt％，平均25℃的导热系数0.037W/m.k，pH值在7.24，保水率在560％，孔隙度在75％，镉汞砷铅等不超标；有效硅、有效钙、有效镁、有效钾、有效铁和有效磷的含量分别为80mg/kg，18mg/kg，2mg/kg，14mg/kg，0mg/kg，4mg/kg。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种含钾磷元素的农业用纤维材料，包括：
2.根据权利要求1所述的农业用纤维材料，其特征在于，所述农业用纤维材料中O/Si的摩尔比为(2.2～3.0)：1。
3.根据权利要求1所述的农业用纤维材料，其特征在于，(SiO2+P2O5)的总质量/(CaO+MgO+Na2O+K2O)的总质量＝(1.8～3.0)：1。
4.根据权利要求1所述的农业用纤维材料，其特征在于，所述SiO2的含量为58～72wt％，所述MgO的含量为2～5wt％，所述CaO的含量为22～29wt％，所述K2O的含量为0.8～2wt％，所述P2O5的含量为0.06～2wt％；所述(SiO2+P2O5)的总质量/(CaO+MgO+Na2O+K2O)的总质量＝(1.8～2.8)：1，所述农业用纤维材料中O/Si的摩尔比为(2.4～3.0)：1。
5.根据权利要求1所述的农业用纤维材料，其特征在于，所述农业用纤维材料的平均直径在2.6～4.8μm，直径1～2μm的纤维占比8～28wt％，2～3μm的纤维占比65～85wt％，3～4μm的纤维占比8～18wt％，4～5μm的纤维占比1～3wt％。
6.根据权利要求1所述的农业用纤维材料，其特征在于，所述农业用纤维材料的容重在40～140kg/m3。
7.根据权利要求1所述的农业用纤维材料，其特征在于，所述农业用纤维材料的孔隙度为50～90％。
8.根据权利要求1所述的农业用纤维材料，其特征在于，所述农业用纤维材料的保水率为100～1000％，导热系数为0.03～0.06W/m.K，pH值为7.4～8.3，比表面积为420～720m2/kg。
9.权利要求1～8任一项所述的农业用纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
按照配比将含硅原料、含镁原料、含钙原料、含铝原料、含铁原料、含钾原料、含钠原料和含磷原料混合，熔融，得到熔体；
将所述熔体成纤后热处理，得到农业用纤维材料。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述熔融的温度为1400～2200℃，所述成纤的方式为甩丝成纤，所述成纤的温度为1500～1600℃，甩丝线速度为150～200m/s。
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