CN117837406A - 具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及农业育苗材料的技术领域，公开了一种具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘及其制备方法，包括育苗穴盘本体；所述育苗穴盘本体是由打浆竹纤维和强度剂的混合物经成型加工得到的竹基纸塑型材，所述打浆竹纤维是将微生物改性竹纤维经过盘磨、打浆处理得到；该种具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘还包括分别形成于所述育苗穴盘本体的外表面和内表面上的外表面涂层和内表面涂层；所述外表面涂层是竹蜡液和改性黏土的混合涂料形成的涂层，所述竹蜡液是以竹青为原材料经提取、溶解后得到；所述内表面涂层是缓释材料层。
Description
技术领域
本发明涉及农业育苗材料的技术领域，更具体地，涉及一种具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘；本发明同时还涉及该种竹浆模塑育苗穴盘的制备方法。
背景技术
育苗技术从裸根苗逐渐发展到传统式育苗容器，花卉、果蔬、林木幼苗等在育苗容器中能够得到充足的养分及较佳的生长环境从而成活率提升。传统式育苗容器通常以笨重的土钵、陶钵等为主，目前国内外育苗容器的研发则正在朝低成本、来源广、高性能、结构合理、易操作、利于苗木生长的方向发展。
制作容器的材料按其化学性质可分为能自行分解腐烂和不能自行分解两类，前者在栽培时植株和育苗容器不必分开，后者必须从育苗容器中取出才能栽培。塑料育苗穴盘因其成本低、技术限制不高成为当下使用较多的小型育苗穴盘。但随着人们环保意识的提高，市场上出现了以泥炭、纸钵、秸秆、无纺布等各种可降解材料制作的育苗穴盘。
泥炭育苗穴盘虽可降解但需经压制成型，步骤繁琐复杂商品化程度低，且泥炭自身属于不可再生资源；纸钵育苗穴盘强度低，长时间湿热条件易腐烂不适用于育苗周期较长的植株；秸秆育苗穴盘因保水性差，培育植株的根系数量及根长都不如塑料育苗穴盘及纸钵育苗穴盘，如参考文献“秸秆容器育苗效果的初步研究”中公开的内容；无纺布育苗穴盘因材质柔软，无法顺畅装填基质或营养土。
竹材作为一种可降解天然材料，具有生长速度快、性能优异、固碳能力强等优点，“以竹代塑”的方案已广泛应用在诸多领域。在竹材育苗穴盘方面，如中国专利CN201910191870.4公开的一种防霉抗水育苗纸浆模塑制品及其制备方法与应用，以本色竹浆和聚乙烯醇纤维混合后经纸浆模塑成型，有效解决了育苗纸塑吸水比较严重，吸水以后变得松软没有足够强度的问题。又如中国专利CN202011313727.7公开的以竹材为原料制备可降解育苗钵的方法，将竹材或竹屑加工成竹粉后进行多元醇混料处理，室温条件下自然发泡制备聚氨酯泡沫育苗钵，降解性能优异且不经脱除可直接移栽。
然而，在第一个方面，现有以竹材为原料的育苗穴盘常用酸碱溶液完成竹纤维之间的交联以确保育苗穴盘的强度能够满足植株生长需求，酸碱溶液的使用使其生产产生污染废水，并在其降解过程中继续对环境造成污染。在第二个方面，为制取竹纤维，竹条往往去青去黄后再使用，而去除的竹青通常作为废料直接丢弃，造成了竹材的浪费，不利于竹材的综合和高效利用。在第三个方面，现有技术的可降解育苗穴盘无法在育苗过程中向植物提供养分，只能在使用周期结束后随降解过程的进行而转化成养分，与植株的养分需求时间不吻合，且缺乏持续性养分缓释作用。
发明内容
本案的技术目的在于至少克服上述一种技术问题，并提供了一种具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘，以及该种竹浆模塑育苗穴盘的制备方法。
在本案的第一个方面，提供了一种具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘，包括育苗穴盘本体；所述育苗穴盘本体是由打浆竹纤维和强度剂的混合物经成型加工得到的竹基纸塑型材，所述打浆竹纤维是将微生物改性竹纤维经过盘磨、打浆处理得到；该种具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘还包括分别形成于所述育苗穴盘本体的外表面和内表面上的外表面涂层和内表面涂层；所述外表面涂层是竹蜡液和改性黏土的混合涂料形成的涂层，所述竹蜡液是以竹青为原材料经提取、溶解后得到；所述内表面涂层是缓释材料层。
本案借由上述外表面涂层-育苗穴盘本体-内表面涂层的产品结构，使该种具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘具有竹材仿生形态，具体如下所述。
首先，中部由竹纤维交织形成的育苗穴盘本体仿生竹材的竹肉部分。使用微生物改性竹纤维制备打浆竹纤维以制备育苗穴盘本体，属于生物法成浆，能够在不使用化学药剂的前提下既达到纤维软化能够成纸、部分脱除木素的目的，又避免化学药剂的使用，进而避免在育苗穴盘本体的生产与降解过程中对环境造成污染。
其次，涂布于育苗穴盘本体外表面上的外表面涂层仿生竹材的竹青部分，它能够提升育苗穴盘的疏水性能。特别的，本案中以竹青作为原材料制备得到作为外表面涂层主要成分的竹蜡液，可以避免青竹的浪费，实现竹材的综合、高效利用。同时，借由竹青自身的防霉杀菌功能，可以进一步使育苗穴盘本体具有一定的防霉、杀菌的功能。
最后，涂布于育苗穴盘本体内表面上的内表面涂层仿生竹材的竹黄部分，它能够在使用周期中缓慢释放养分。由于内表面涂层与装填于育苗穴盘本体中的土壤直接接触，所以它能够随着植物的生长逐渐释放养分，并使其释放的节奏、持续性与植株的养分需求时间基本吻合，从而克服了现有技术中的可降解育苗穴盘在使用周期结束后才能降解成养分的缺点。
在一些实施方式中，利用乳酸菌对竹纤维进行厌氧发酵以得到所述微生物改性竹纤维。
在一些实施方式中，所述改性黏土是负载有二甲基硅氧烷的矿物载体。
在一些实施方式中，所述外表面涂层中所述竹蜡液和所述改性黏土的添加比例为10:(0.5-3.0)。
在一些实施方式中，该种具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘的厚度为0.5-5.0mm，并且所述外表面涂层、所述育苗穴盘本体、所述内表面涂层的厚度比为(1-5):100:(1-10)。
在本技术方案中，所述育苗穴盘本体主要用于提供强度，使用微生物改性的竹纤维(浆料)未经过化学处理，纤维保存相对完好，具有相对较大的交织力，因此，通过将本案的竹浆模塑育苗穴盘的厚度、以及各层的厚度比例限定在上述范围中，能够同时获得优异的力学性能、以及废弃还田后较快的降解速率。
在一些实施方式中，该种具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘的耐破强度为0.53-0.78MPa、湿抗张强度为8.12-14.55kN/m、干抗张强度为17.22-24.92kN/m。
在本案的第二个方面，提供了一种适用于制备如前述的具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘的方法，将包括打浆竹纤维与强度剂的纸浆经脱水成型、烘干、热压整型得到所述育苗穴盘本体；分别在所述育苗穴盘本体的外表面和内表面上喷涂外表面涂料和内表面涂料以分别形成所述外表面涂层和所述内表面涂层，干燥后得到该种具有竹材仿生结构的竹基纸塑育苗穴盘。
在一些实施方式中，所述打浆竹纤维是先将竹纤维与微生物改性剂复合，经厌氧发酵后得到微生物改性竹纤维，再经盘磨、打浆后得到；其中，所述微生物改性剂是乳酸菌，它的投放量是所述竹纤维的干质量的1-2％。
在一些实施方式中，将经化学气相沉积法负载聚二甲基硅氧烷制备的改性黏土添加至竹蜡液中，均匀混合后得到所述外表面涂料。
在一些实施方式中，将矿物载体、尿素混合后得到缓释材料基材，将缓释材料基材添入壳聚糖溶液中，均匀混合后得到所述内表面涂料；其中，矿物载体与尿素的质量比为100:(20-30)，聚糖与缓释材料基材干质量比为100:(20-30)。
综上所述，与现有技术相比，本案的有益效果是：借由仿生竹材的三层结构，本案的竹浆模塑育苗穴盘具有相对较好的防水、防霉、杀菌性能，具有相对较高的强度并能够在使用过程中较好的维持其强度；能够在育苗过程中缓慢释放养分，使养分的释放与植物的生长速度相适应，以提高育苗质量；最后，能够实现竹材的综合与高效利用。
与此同时，本案借由生物法成浆得到可交联的竹纤维、从竹青中提取竹蜡液以及在育苗穴盘的内表面涂布缓释营养涂层的改进的工艺手段，使本案的制备方法简单便捷，环境友好，实现了竹材资源的循环和综合利用，易于推广利用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例的具有竹材仿生结构的竹基纸塑育苗穴盘的一种结构示意图。
图2为图1中A处的局部放大图。
图3为本申请实施例的具有竹材仿生结构的竹基纸塑育苗穴盘的一种实物照片。
图4为本申请实施例的具有竹材仿生结构的竹基纸塑育苗穴盘育黄瓜苗效果照片。
图中：100、外表面涂层，200、育苗穴盘本体，300、内表面涂层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
本实施例涉及一种适用于制备具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘的方法，它不分先后顺序地包括育苗穴盘本体的制作工序(a)、外表面涂料的制作工序(b)、内表面涂料的制作工序(c)、以及将外表面涂料和内表面涂料分别地或同时地涂布在育苗穴盘本体上的涂布的工序(d)，以下就各工序逐一展开说明，其中，标记(a)-(d)仅用于区分上述工序，而不用做限制上述工序的顺序。
育苗穴盘本体的制作工序(a)是将包括打浆竹纤维与强度剂的纸浆经脱水成型、烘干、热压整型后得到育苗穴盘本体的工序。
Sa1.竹纤维的制备步骤。首先，将原竹加工竹条，采用现有技术的手段分离竹青、竹肉与竹黄，取竹青与竹肉部分留用。随后，将竹肉部分加工成宽度为4-8cm、长度为5-10cm的竹片；将竹片置于水温为70-80℃的热水中浸泡，2-3h后将水温升至140-150℃，蒸煮软化2-4h。最后，使用热磨机研磨竹片得到竹纤维。
Sa2.微生物改性的步骤。向竹纤维中加入质量为竹纤维干质量的1-2％的复合乳酸菌，充分混合后装填入密封发酵罐进行厌氧发酵。厌氧发酵前调节竹纤维-复合乳酸菌混合物的含水率至50-70％，发酵温度为60-70℃，厌氧发酵约10天后取出混合物，得到微生物改性的竹纤维。其中，本案实施例使用的复合乳酸菌为复合乳酸菌(Ⅲ型)，主要包括植物乳杆菌≥1.6×1010CFU/g、布氏乳杆菌≥4×109CFU/g。
Sa3.盘磨、打浆的步骤。先使用常规高浓盘磨机盘磨微生物改性的竹纤维，盘磨压力为1.0-2.0MPa，盘磨间隙为0.5-1.5mm，盘磨3次后得到磨浆后的竹纤维；再将磨浆后的竹纤维于打浆池内打浆50-90min，以保证纤维不被完全切断的前提下实现分丝帚化，得到浆料浓度为20-30％的打浆竹纤维。其中，盘磨后竹纤维中木质素脱除率超过27％，纤维得率超过88％。
Sa4.成型加工的步骤。首先，向打浆竹纤维中加入包括但不限于湿强剂、干强剂的强度剂，均匀搅拌，配制得到浆浓度为0.5-2.0％的纸浆。随后，快速将纸浆送入纸浆模塑机脱水成型，负压真空度为(-0.05)-(-0.02)Mpa，负压脱水时间为15-30s，育苗容器本体的湿坯含水率为60-80％。最后，育苗容器本体的湿坯经烘道烘干和热压整型后，得到育苗穴盘本体。其中，使用的湿强剂选自脲醛树脂、环氧氯丙烷、聚酰胺中的一种或几种，添加量为育苗穴盘本体的绝干质量的0.5-1.0％；使用的干强剂选自聚丙烯酰胺、阳离子淀粉、聚乙烯醇中的一种或者几种，添加量为育苗穴盘本体的绝干质量的0.5-2.0％。也可以根据实际情况加入所需量的湿强剂和干强剂，或按照使用的湿强剂/干强剂说明书推荐量添加。
外表面涂料的制作工序(b)是将经化学气相沉积法负载聚二甲基硅氧烷制备的改性黏土添加至竹蜡液中，均匀混合后得到外表面涂料的工序。
Sb1.竹蜡液的制备步骤。首先，取步骤Sa1中的竹青部分，干燥至含水率8-12％后粉碎至20目。随后，使用现有技术的手段，例如超临界CO2萃取法，提取竹蜡。最后，在70-80℃的温度下机械搅拌1-2h以将竹蜡完全溶解于浓度为99％的乙酸乙酯溶液中，得到浓度5-10g/L的竹蜡液。
Sb2.改性黏土的制备步骤。将矿物载体研磨至200目，使用现有技术的手段，例如化学气相沉积法，在矿物载体表面负载聚二甲基硅氧烷，得到负载聚二甲基硅氧烷的改性黏土。其中，矿物载体选自膨润土、凹凸棒石、沸石、累托石、高岭土中的一种或几种。
Sb3.混合的步骤。将改性黏土添加至竹蜡液中，改性黏土干物质的添加量是竹蜡液的5-30％；机械搅拌0.5-1.0h，缓慢降温至20-30℃，1500w超声处理1-2h后得到外表面涂料。
内表面涂料的制作工序(c)是先将矿物载体、尿素混合后得到缓释材料基材，再将缓释材料基材添入壳聚糖溶液中，均匀混合得到内表面涂料的步骤。
Sc1.缓释材料基材的制备步骤。将矿物载体、尿素分别研磨至200目和100目，混合后得到缓释材料基材。其中，矿物载体和尿素的质量比例优选为100:(20-30)；矿物载体选自膨润土、凹凸棒石、沸石、累托石、高岭土中的一种或几种。
Sc2.壳聚糖溶液的制备步骤。在30℃条件下搅拌6-8h，使壳聚糖溶解在0.1mol/L的盐酸水溶液中得到浓度为20-30g/L的壳聚糖溶液。
Sc3.混合的步骤。将缓释材料基材缓慢添加至壳聚糖溶液中，机械搅拌4-6h，随后500w超声处理0.5-1.0h后得到内表面涂料。其中，壳聚糖溶液与缓释材料基材干质量比例优选为100:(20-30)。
涂布的工序(d)是分别在育苗穴盘本体的外表面和内表面上喷涂外表面涂料和内表面涂料以分别形成外表面涂层100和内表面涂层300，干燥后得到该种具有竹材仿生结构的竹基纸塑育苗穴盘。其中，通过控制喷涂量，使外表面涂层100、育苗穴盘本体200、内表面涂层300的厚度比为(1-5):100:(1-10)，最终得到整体厚度为0.5-5.0mm的具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘。
借由上述制备方法，参照图1、图2、图3所示，本实施例的具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘包括育苗穴盘本体200、分别形成于育苗穴盘本体200的外表面和内表面上的外表面涂层100和内表面涂层300。本实施例的竹浆模塑育苗穴盘具有以下产品性能：耐破强度为0.53-0.78MPa、湿抗张强度为8.12-14.55kN/m、干抗张强度为17.22-24.92kN/m。
表1中示出了实施例1-5的竹基纸塑育苗穴盘的制备方法的工艺参数；实施例6-9与实施例3的区别在于竹基纸塑育苗穴盘的结构参数不同，实施例6-9的竹基纸塑育苗穴盘的结构参数参照表2所示。表3中示出了实施例1-9与对照例的育苗穴盘的产品性能参数。表4中示出了实施例1-9与对照例的育苗穴盘在培育黄瓜幼苗1个月后黄瓜幼苗的生长情况，实施例3的具有竹材仿生结构的竹基纸塑育苗穴盘育黄瓜苗在两叶一心时候的育苗效果照片如图4所示。其中，实施例1-5的竹基纸塑育苗穴盘的外表面涂层的厚度为0.130mm、育苗穴盘本体的厚度为2.609mm、内表面涂层的厚度为0.261mm；对照例使用“常规纸质育苗穴盘”，它购自安徽乐晨纸制品有限公司，颜色：褐色，穴数：12穴。
表1.实施例1-5的竹基纸塑育苗穴盘的制备方法的工艺参数表
表2.实施例6-9的竹基纸塑育苗穴盘的结构参数表
| 项目 | 实施例6 | 实施例7 | 实施例8 | 实施例9 |
| 外表面涂层厚度 | 0.005mm | 0.056mm | 0.182mm | 0.144mm |
| 育苗穴盘本体厚度 | 0.490mm | 1.852mm | 3.636mm | 4.818mm |
| 内表面涂层厚度 | 0.005mm | 0.093mm | 0.182mm | 0.048mm |
表3.实施例1-9与对照例的育苗穴盘的产品性能参数表
由上表可见，实施例1-9获得的具有竹材仿生结构的竹基纸塑育苗穴盘具有高于常规纸质育苗穴盘的各项力学性能，同时，总氮含量显著高于常规纸质育苗穴盘，能够减少后期施肥的次数，有利于充分还田。
表4.实施例1-9与对照例的育苗穴盘在培育黄瓜幼苗1个月后黄瓜幼苗的生长情况对比表
由上表可见，使用实施例1-9获得的具有竹材仿生结构的竹基纸塑育苗穴盘因其具有缓释功能，培育黄瓜苗的生长效果更好。
以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主体的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主体考虑为所公开的申请主体的一部分。
Claims (10)
1.一种具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘，包括育苗穴盘本体(200)；其特征在于，所述育苗穴盘本体(200)是由打浆竹纤维和强度剂的混合物经成型加工得到的竹基纸塑型材，所述打浆竹纤维是将微生物改性竹纤维经过盘磨、打浆处理得到；
该种具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘还包括分别形成于所述育苗穴盘本体(200)的外表面和内表面上的外表面涂层(100)和内表面涂层(300)；所述外表面涂层(100)是竹蜡液和改性黏土的混合涂料形成的涂层，所述竹蜡液是以竹青为原材料经提取、溶解后得到；所述内表面涂层(300)是缓释材料层。
2.根据权利要求1所述的具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘，其特征在于，利用乳酸菌对竹纤维进行厌氧发酵以得到所述微生物改性竹纤维。
3.根据权利要求1所述的具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘，其特征在于，所述改性黏土是负载有二甲基硅氧烷的矿物载体。
4.根据权利要求3所述的具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘，其特征在于，所述外表面涂层(100)中所述竹蜡液和所述改性黏土的添加比例为10:(0.5-3.0)。
5.根据权利要求1所述的具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘，其特征在于，该种具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘的厚度为0.5-5.0mm，并且所述外表面涂层(100)、所述育苗穴盘本体(200)、所述内表面涂层(300)的厚度比为(1-5):100:(1-10)。
6.根据权利要求1所述的具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘，其特征在于，该种具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘的耐破强度为0.53-0.78MPa、湿抗张强度为8.12-14.55kN/m、干抗张强度为17.22-24.92kN/m。
7.一种适用于制备如权利要求1所述的具有竹材仿生结构的竹浆模塑育苗穴盘的方法，其特征在于，将包括打浆竹纤维与强度剂的纸浆经脱水成型、烘干、热压整型得到所述育苗穴盘本体(200)；分别在所述育苗穴盘本体(200)的外表面和内表面上喷涂外表面涂料和内表面涂料以分别形成所述外表面涂层(100)和所述内表面涂层(300)，干燥后得到该种具有竹材仿生结构的竹基纸塑育苗穴盘。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述打浆竹纤维是先将竹纤维与微生物改性剂复合，经厌氧发酵后得到微生物改性竹纤维，再经盘磨、打浆后得到；其中，所述微生物改性剂是乳酸菌，它的投放量是所述竹纤维的干质量的1-2％。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，将经化学气相沉积法负载聚二甲基硅氧烷制备的改性黏土添加至竹蜡液中，均匀混合后得到所述外表面涂料。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，将矿物载体、尿素混合后得到缓释材料基材，将缓释材料基材添入壳聚糖溶液中，均匀混合后得到所述内表面涂料；其中，矿物载体与尿素的质量比为100:(20-30)，聚糖与缓释材料基材干质量比为100:(20-30)。
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