JP6218374B2 - 人工土壌粒子、及び人工土壌培地 - Google Patents
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細孔を有するフィラーが複数集合してなる基部を備え、前記基部の少なくとも内部が補強材で補強されていることにある。
前記細孔はサブnmオーダー乃至サブμmオーダーのサイズを有し、前記フィラーの間にサブμmオーダー乃至サブmmオーダーの連通孔が形成されていることが好ましい。
前記連通孔が外部から水分及び養分を取り込むとともに、前記細孔が前記連通孔から前記養分を受け取り可能なように、前記細孔が前記連通孔の周囲に分散配置されていることが好ましい。
前記連通孔の全容積が前記細孔の全容積より大きくなるように、前記フィラーは三次元ネットワーク状に結合されていることが好ましい。
前記補強材は、天然多糖類、天然樹脂類、合成樹脂類、樹脂架橋剤類、無機バインダー類、及び繊維からなる群から選択される少なくとも一つの物質であることが好ましい。
前記細孔にイオン交換能を付与してあることが好ましい。
0.2〜10mmの粒径を有することが好ましい。
前記何れか一つに記載の人工土壌粒子を使用したことにある。
図1は、本発明の人工土壌粒子10を使用した人工土壌培地100を概念的に示した説明図である。図1中に示す点線円は、人工土壌培地100を構成する人工土壌粒子10の一部拡大図であり、人工土壌粒子10の断面を表している。人工土壌培地100は、人工土壌粒子10により構成されており、隣接する人工土壌粒子10の間に一定の隙間11を有している。この隙間11は、空気及び水が通過することができるため、植物に必要な水分を保持しながら余分な水分を排出することができる。人工土壌培地100が湿潤状態となった場合、隙間11から余分な水分を排出し、人工土壌培地100が乾燥状態となった場合には、隙間11の毛細管現象により、周囲に存在する水分を吸い上げることができる。このように、人工土壌培地100は、隣接する人工土壌粒子10の間に形成される隙間11によって、優れた通気性及び排水性を実現している。また、隙間11は、植物の根が成長するための空間を提供するため、植物の根が張り易く、ひいては植物の成長を促すことができる。上述のように、人工土壌培地100としての機能(通気性及び排水性)を維持するためには、人工土壌粒子10の土壌としての基本性能以外に、その構造を安定させることが必要となる。そこで、本発明の人工土壌粒子10は、その構造を安定化させるための工夫がなされている。以下、人工土壌培地100を構成する人工土壌粒子10について詳細に説明する。
フィラー1がゼオライトやハイドロタルサイトのような無機天然鉱物である場合、複数のフィラー1を集合して人工土壌粒子10の基部(粒状物)を構成するために、例えば、ゲル化剤を用いて複数のフィラー1が粒状化される。この場合、人工土壌粒子10は、フィラー1が三次元ネットワーク状に結合されることにより連通孔3が形成し、さらに、ゲル化剤がゲル化して形成した網目構造4、及び補強材5により、人工土壌粒子10の基部の構造が維持される。人工土壌粒子10の粒状化方法としては、先ず、フィラー1とゲル化剤と補強材5とを混合した混合溶液を調製し、この混合溶液を、ゲル化を引き起こすための架橋剤又は開始剤を含む溶液に滴下してゲル化物を生成させる。生成したゲル化物を溶液から回収し、洗浄した後、十分乾燥させて粒状物を作製する。このとき、フィラー1の間に含まれていた水分が蒸発し、粒状物の中に多孔質構造が形成される。補強材5はゲル化物中では均一に分散しているが、ゲル化物を乾燥させると、水分が蒸発するにつれて多孔質構造内の隣接するフィラー1どうし、網目構造4どうし、網目構造4と隣接するフィラー1とを夫々結合、被覆したり、あるいは網目構造4どうし、網目構造4の架橋部分をさらに架橋する等して補強する。この状態で粒状物を適切に加熱・冷却したり、脱水・脱溶剤化することにより、補強材5が粒状物内に生じる脆弱な個所に密着し、固化する。これにより、基部はその内部(内側)から補強され、安定した構造を有する人工土壌粒子10が形成される。
補強材5によって補強された人工土壌粒子10の強度は、繰り返し圧縮荷重の付加による容積変化率で評価することができる。容積変化率は、以下の方法で求めることができる。土壌評価用の試料円筒(内径:約5cm、高さ:約5cm、容積:100mL)にサンプルとして人工土壌100mLを充填し、試料円筒よりも径が僅かに小さい円筒状の錘(重量:5kg)をゆっくりとサンプルの上に載置する。その状態で60秒間放置し、錘を取り除く。これらの操作を10回繰り返す(繰り返し圧縮荷重25KPa)。繰り返し圧縮荷重の付与が完了したら、サンプルをそのまま60秒間放置し、メスシリンダー等を用いてサンプルの容積Vを測定し、容積変化率ΔVを以下の式[1]から求める。
ΔV(%) = (100−V)/100 × 100 ・・・ [1]
本発明の人工土壌粒子10は、連通孔3が外部から水分及び養分を取り込むとともに、細孔2が連通孔3から養分を受け取り可能なように、細孔2が連通孔3の周囲に分散配置された独特の構造を備えている。この人工土壌粒子10の独特の構造について説明する。図2は、本発明の人工土壌粒子10の細孔2及び連通孔3を概念的に示した説明図である。図2(a)は、フィラー1として、多孔質天然鉱物であるゼオライト1aを使用した人工土壌粒子10の基部を例示したものである。図2(b)は、フィラー1として、層状天然鉱物であるハイドロタルサイト1bを使用した人工土壌粒子10の基部を例示したものである。なお、図2は、人工土壌粒子10の細孔2と連通孔3との関係をわかり易く示すために、網目構造4及び補強材5を省略している。また、図2中に示す記号x、y及びzは、細孔2、連通孔3及び人工土壌粒子10のサイズを夫々表しているが、図面上でのx、y及びzの大きさは実際のサイズ関係を反映したものではない。
(1)粒状物の作製
下記の表1に記載される配合(重量%)に従って、フィラーとしての陽イオン交換性鉱物であるゼオライト、陰イオン交換性鉱物であるハイドロタルサイト、補強材(バインダー、樹脂架橋剤等)、保水性材料(ビニロン短繊維等)をアルギン酸ナトリウム0.5%水溶液に添加し、ミキサー(SM−L57:三洋電機(株)製)を用いて3分間撹拌し、混合液を作製した。得られた混合液を、多価金属イオン水溶液である5%塩化カルシウム水溶液に滴下してゲル化物を生成した。生成したゲル化物を溶液から回収し、洗浄した後、55℃の乾燥機中で24時間乾燥させて粒状物を作製した。なお、実施例15及び16の人工土壌粒子は、上記粒状物を表1に示す樹脂架橋剤中に80℃、3時間浸漬させて作製した。比較例1では、補強材を混合しない上記粒状物をそのまま人工土壌粒子として使用した。
(2)粒状物の補強(実施例1〜16)
表1に記載される配合(重量%)に従って、粒状物に補強材を導入した。
実施例1:補強材(バインダー、以下同様)として50%ポリオレフィンエマルジョン(住友精化株式会社製 セポルジョン(登録商標)G)を使用し、人工土壌粒子を作製した。
実施例2:補強材として50%ポリオレフィンエマルジョンを使用し、保水性材料としてビニロン短繊維を使用し、人工土壌粒子を作製した。
実施例3:補強材として20%酢酸ビニルエマルジョン(コニシ株式会社製 CH18)を使用し、人工土壌粒子を作製した。
実施例4:補強材として20%酢酸ビニルエマルジョンを使用し、保水性材料としてビニロン短繊維を使用し、人工土壌粒子を作製した。
実施例5:補強材として10%エチレン酢酸ビニルエマルジョン(河口株式会社製 布用手芸ボンド)を使用し、人工土壌粒子を作製した。
実施例6:補強材として10%エチレン酢酸ビニルエマルジョンを使用し、保水性材料としてビニロン短繊維を使用し、人工土壌粒子を作製した。
実施例7:補強材として10%ウレタン樹脂エマルジョン(ハマナカ株式会社製 布・フェルト用クラフトボンド)を使用し、人工土壌粒子を作製した。
実施例8:補強材として10%ウレタン樹脂エマルジョンを使用し、保水性材料としてビニロン短繊維を使用し、人工土壌粒子を作製した。
実施例9:補強材として1%寒天(和光純薬工業株式会社製)の80℃溶解液を使用し、人工土壌粒子を作製した。
実施例10:補強材として1%寒天の80℃溶解液を使用し、保水性材料としてビニロン短繊維を使用し、人工土壌粒子を作製した。
実施例11:補強材として0.5%ローカストビーンガム(MRCポリサッカライド株式会社製 ソアローカスト(登録商標)A120)及び0.5%キサンタンガム(MRCポリサッカライド株式会社製 ソアキサン(登録商標)XG550)の80℃溶解液を使用し、人工土壌粒子を作製した。
実施例12:補強材として0.5%ローカストビーンガム及び0.5%キサンタンガムの80℃溶解液を使用し、保水性材料としてビニロン短繊維を使用し、人工土壌粒子を作製した。
実施例13:補強材として1%カルボジイミド(日清紡ケミカル株式会社製 カルボジライト(登録商標))溶液を使用し、人工土壌粒子を作製した。
実施例14:補強材として1%カルボジイミド溶液を使用し、保水性材料としてビニロン短繊維を使用し、人工土壌粒子を作製した。
実施例15:補強材としてエチレングリコールジグリシジルエーテル(和光純薬工業株式会社製)の原液を使用し、エチレングリコールジグリシジルエーテルによる含浸架橋を行って人工土壌粒子を作製した。
実施例16:補強材としてエチレングリコールジグリシジルエーテルの原液を使用し、保水性材料としてビニロン短繊維を使用し、エチレングリコールジグリシジルエーテルによる含浸架橋を行って人工土壌粒子を作製した。
上記作製した各人工土壌粒子(実施例1〜16、比較例1)を、10%クエン酸溶液及び5%リン酸溶液に夫々含浸した。各人工土壌粒子の崩壊の有無を目視で観察し、各人工土壌粒子のクエン酸及びリン酸に対する耐性について評価した。12時間経過後も人工土壌粒子に崩壊が認められないものを○、1〜12時間以内で崩壊した人工土壌粒子を△、1時間以内で崩壊した人工土壌粒子を×とした。結果を表2及び表3に示す。
2 細孔
3 連通孔
5 補強材
10 人工土壌粒子
100 人工土壌培地
Claims (7)
- 細孔を有するフィラーが複数集合してなる基部を備え、前記基部の少なくとも内部の前記フィラー及び前記フィラーどうしを連結する網目構造の表面が補強材で補強され、前記細孔に陽イオン及び陰イオン交換能が付与されている人工土壌粒子。
- 前記細孔はサブnmオーダー乃至サブμmオーダーのサイズを有し、前記フィラーの間にサブμmオーダー乃至サブmmオーダーの連通孔が形成されている請求項1に記載の人工土壌粒子。
- 前記連通孔が外部から水分及び養分を取り込むとともに、前記細孔が前記連通孔から前記養分を受け取り可能なように、前記細孔が前記連通孔の周囲に分散配置されている請求項2に記載の人工土壌粒子
- 前記連通孔の全容積が前記細孔の全容積より大きくなるように、前記フィラーは三次元ネットワーク状に結合されている請求項2又は3に記載の人工土壌粒子。
- 前記補強材は、天然多糖類、天然樹脂類、合成樹脂類、樹脂架橋剤、無機バインダー類、及び繊維からなる群から選択される少なくとも一つの物質である請求項1〜4の何れか一項に記載の人工土壌粒子。
- 0.2〜10mmの粒径を有する請求項1〜5の何れか一項に記載の人工土壌粒子。
- 請求項1〜6の何れか一項に記載の人工土壌粒子を使用した人工土壌培地。
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