JP6254380B2 - 人工土壌粒子、及び人工土壌粒子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、繊維を集合してなる基部を備えた人工土壌粒子、及び当該人工土壌粒子の製造方法に関する。

近年、居住空間を緑化する屋内緑化や、野菜等の植物を屋内で栽培する植物工場が増加している。このような屋内緑化や植物工場等において、天然土壌を用いて植物を栽培する場合、病害虫や細菌等の屋内への持ち込みが問題となる。このため、屋内緑化や植物工場等における植物の栽培には、衛生的な人工土壌を用いる動きがある。

人工土壌を屋内緑化や植物工場等で使用する場合、土壌としての基本性能に優れるだけでなく、例えば、肥料や有用な微生物（上記の細菌とは異なるもの）を含ませて保肥性を高めたり、抗菌剤や消臭剤を添加して清潔感を高める等の天然土壌では実現が困難な独自の機能が求められるようになっている。また、屋内で楽しむ観葉植物等では、商品価値を高めるため、人工土壌に着色剤を含ませてインテリア性を付与したり、香料を含ませてリラクゼーション効果を付与したりすることも考えられる。

機能性を付与した人工土壌の例として、特許文献１には、無機物質材からなる粒体を有機植物繊維等からなる有機物質材に絡ませるとともに結合剤によって粒状に固結した人工団粒体が提案されている。無機物質材としては、土壌改良剤として機能するゼオライト等が例示されている。

特開２００１−２０４２４５号公報

ところが、特許文献１の人工団粒体は、有機物質材と無機物質材との間に結合剤が充填されるため、団粒体内に十分な空隙を確保することができず、通水性及び通気性が悪化する虞がある。このような人工団粒体では、植物（特に、多量の水分が必要となる野菜類等）を十分に成長させることは困難である。そして、植物が十分に成長できなければ、人工土壌に無機物質材を添加して特定の機能を付与する意味合いもなくなる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、人工土壌粒子の内部と外部との通水性及び／又は通気性を維持しながら、天然土壌にはない独自の機能を発揮させることができる人工土壌粒子を提供することを目的とする。また、当該人工土壌粒子の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明に係る人工土壌粒子の特徴構成は、
繊維を集合してなる基部を備えた人工土壌粒子であって、
前記基部の表層部に機能性粒子が存在し、前記機能性粒子が、前記表層部に存在する繊維と複数箇所で接触した状態で保持されており、
前記表層部は、１０〜９５％の開口領域を有し、前記基部の内部と外部との通水性及び／又は通気性を維持した状態で、水不溶性のバインダーで固結されており、
前記機能性粒子の粒径が２０〜３００μｍであり、前記繊維の太さが５〜１００μｍであり、
前記繊維は、外部環境の変化により収縮する収縮性繊維であることにある。

本構成の人工土壌粒子によれば、基部の内部と外部との通水性及び／又は通気性を維持しながら、機能性粒子が基部の表層部に存在しているため、機能性粒子の機能を効率的に発揮させることが可能となる。さらに、基部の表層部が固結されているので、機能性粒子の脱落を防止できるとともに、人工土壌粒子の強度及び耐久性を維持することができる。
ここで、機能性粒子は、表層部に存在する繊維と複数箇所で接触した状態で保持されているため、機能性粒子の脱落を確実に防止し、機能性粒子の機能を効率的に発揮させることができる。また、人工土壌粒子の強度及び耐久性もより向上させることができる。
表層部は、１０〜９５％の開口領域を有することから、基部の内部と外部とを適度に連通させることができる。その結果、人工土壌粒子の通水性及び／又は通気性と、強度及び耐久性とをバランスよく両立させることができる。
表層部は、水不溶性のバインダーで固結されているため、灌水等により人工土壌粒子が濡れた状態となっても、粒子構造を維持することができる。その結果、機能性粒子が表層部から脱落することが防止され、機能性粒子の機能を確実に発揮させることができる。さらに、表層部が確実に固結されるので、人工土壌粒子の強度及び耐久性を長期間維持することが可能となる。
外部環境の変化により収縮する収縮性繊維を使用することにより、基部の表層部に機能性粒子を確実に保持させることができる。その結果、基部の表層部からの機能性粒子の脱落を防止し、且つ機能性粒子の機能を確実に発揮させることができる。

本発明に係る人工土壌粒子において、
前記基部は１００〜５００ｇ／Ｌの密度を有することが好ましい。

本構成の人工土壌粒子によれば、基部は１００〜５００ｇ／Ｌの密度を有することから、機能性粒子を繊維間に確実に保持しながら、表層部に存在する繊維と機能性粒子との間に一定の隙間を生じさせ、基部の内部と外部とを連通させることができる。その結果、人工土壌粒子の通水性及び／又は通気性を確実に維持しながら、機能性粒子は基部の表層部から脱落することなく、その機能を確実に発揮させることができる。

本発明に係る人工土壌粒子において、
前記機能性粒子は、肥料粒子、微生物粒子、農薬粒子、イオン交換性粒子、吸湿性粒子、抗菌性粒子、消臭性粒子、着色性粒子、及び芳香性粒子からなる群から選択される少なくとも一種の粒子であることが好ましい。

本構成の人工土壌粒子によれば、機能性粒子は、肥料粒子、微生物粒子、農薬粒子、イオン交換性粒子、吸湿性粒子、抗菌性粒子、消臭性粒子、着色性粒子、及び芳香性粒子からなる群から選択される少なくとも一種であることから、土壌の基本性能である通水性及び／又は通気性を維持しながら、上記機能性粒子により天然土壌にはない独自の機能を発揮させることができる。

本発明に係る人工土壌粒子において、
前記基部は、１〜１０ｍｍの粒径を有することが好ましい。

本構成の人工土壌粒子によれば、基部は、１〜１０ｍｍの粒径を有することから、特に根菜類の栽培に適した取り扱いの容易な人工土壌粒子とすることができる。

上記課題を解決するための本発明に係る人工土壌粒子の製造方法の特徴構成は、
繊維を集合してなる基部を備えた人工土壌粒子の製造方法であって、
５〜１００μｍの太さを有する繊維を集合させて繊維塊状体を形成する形成工程と、
前記繊維塊状体に追加の前記繊維、２０〜３００μｍの粒径を有する機能性粒子、及び水不溶性のバインダーを添加して造粒し、前記繊維塊状体の上に１０〜９５％の開口領域を有する表層部を形成する造粒工程と、
造粒物の前記表層部を固結させる固結工程と、
を包含し、
前記繊維は、外部環境の変化により収縮する収縮性繊維であることにある。

本構成の人工土壌粒子の製造方法によれば、５〜１００μｍの太さを有する繊維を集合させて繊維塊状体を形成した後、当該繊維塊状体に追加の繊維、２０〜３００μｍの粒径を有する機能性粒子、及び水不溶性のバインダーを添加して造粒を行っているため、繊維塊状体の表層部に機能性粒子を確実に保持させることができる。その結果、機能性粒子の機能を効率的に発揮させることができる。また、造粒物の表層部を固結させているため、機能性粒子の脱落を防止することともに、人工土壌粒子の強度及び耐久性を高めることができる。
表層部は、１０〜９５％の開口領域を有することから、基部の内部と外部とを適度に連通させることができる。その結果、人工土壌粒子の通水性及び／又は通気性と、強度及び耐久性とをバランスよく両立させることができる。
表層部は、水不溶性のバインダーで固結されているため、灌水等により人工土壌粒子が濡れた状態となっても、粒子構造を維持することができる。その結果、機能性粒子が表層部から脱落することが防止され、機能性粒子の機能を確実に発揮させることができる。さらに、表層部が確実に固結されるので、人工土壌粒子の強度及び耐久性を長期間維持することが可能となる。
外部環境の変化により収縮する収縮性繊維を使用することにより、基部の表層部に機能性粒子を確実に保持させることができる。その結果、基部の表層部からの機能性粒子の脱落を防止し、且つ機能性粒子の機能を確実に発揮させることができる。

図１は、本発明に係る人工土壌粒子を模式的に示した説明図である。 図２は、本発明の実施形態に係る人工土壌粒子を例示する写真である。

以下、本発明に係る人工土壌粒子、及びその製造方法に関する実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施形態や図面に記載される構成に限定されることを意図しない。

＜人工土壌粒子＞
図１は、本発明に係る人工土壌粒子５０を模式的に示した説明図である。図２は、本発明の実施形態に係る人工土壌粒子５０を例示する写真である。人工土壌粒子５０は、繊維１を集合してなる基部１０と、基部１０の表層部１１に存在する繊維１の間に保持されている機能性粒子２とを備えている。機能性粒子２は、天然土壌にはない特定の機能を有する粒子であり、その詳細は後述する。図１に示すように、基部１０は、繊維１が複雑に集合した状態で造粒されたものであり、粒状に形成されている。機能性粒子２は、基部１０の表層部１１において繊維１の間に保持され、繊維１との接触部分がバインダー等により固結されているか、あるいは繊維１に絡まって固定されている。図１では、機能性粒子２は、表層部１１のみに保持されているように示されているが、基部１０の内部と外部との通水性及び／又は通気性を維持可能な状態であれば、機能性粒子２の一部が基部１０の内部に保持されていてもよい。

基部１０の内部の集合した繊維１の間には空隙３が形成されている。基部１０は、当該空隙３に水分を保持することができる。従って、空隙３の状態、例えば、基部１０の内部に形成される空隙３の大きさ、数、形状等は、人工土壌粒子５０が保持できる水分量、所謂保水性に関係する。空隙３の状態は、基部１０を造粒する際の繊維１の使用量（密度）、繊維１の種類、太さ、長さ等を変更することにより調整可能である。なお、繊維１のサイズは、太さが５〜１００μｍのものが好ましく、長さが０．３〜１０ｍｍのものが好ましい。

人工土壌粒子５０は、その内部に水分を十分に保持できるように、繊維１として親水性の繊維を使用することが好ましい。これにより、人工土壌粒子５０の保水性を一層高めることができる。また、繊維１は、機能性粒子２を絡めた状態で基部１０の表層部１１に保持するため、外部環境（例えば、熱、光等）の変化で収縮可能な収縮性繊維を使用することが好ましい。例えば、熱により収縮する熱収縮性繊維を使用した場合、人工土壌粒子５０を加熱するだけで機能性粒子２の周りに繊維１が絡みつき、機能性粒子２は基部１０の表層部１１に確実に固結される。また、基部１０の内部に使用する繊維１の種類と表層部１１に使用する繊維１の種類とを変えてもよい。例えば、基部１０の内部に使用する繊維１に親水性の高い繊維を使用し、表層部１１に使用する繊維１に収縮性の高い収縮性繊維を使用する。これにより、人工土壌粒子５０の保水性を高めながら、表層部１１に機能性粒子２を強固に保持し、機能性粒子２の機能を効果的に発揮させることができる。

繊維１の種類としては、天然繊維又は合成繊維が適宜選択される。人工土壌粒子５０の基部１０に使用可能な繊維は、例えば、天然繊維として綿、羊毛、レーヨン、セルロースファイバーが挙げられ、合成繊維として、例えば、ビニロン、ウレタン、ナイロン、アセテートが挙げられ、これらのうち、綿及びビニロンが好ましい。天然繊維と合成繊維とを混繊したものでも構わない。

機能性粒子２は、繊維１と複数個所で接触し、繊維１に絡んだ状態で表層部１１に保持される。これにより、機能性粒子２は表層部１１に強固に固定される。繊維１と機能性粒子２との接触箇所の少なくとも一部は、バインダーにより固定される。表層部１１は、繊維１同士の接触箇所、又は繊維１と機能性粒子２との接触箇所において、少なくとも一部が固結された状態であればよく、バインダー等で表層部１１の全体を被覆する必要はない。表層部１１は、繊維１同士及び繊維１と機能性粒子２との間に水や空気が通過可能な一定の隙間５を有している。当該隙間５は、基部１０の内部と外部とを連通させ、人工土壌粒子５０内の通水性及び／又は通気性が確保されている。さらに、表層部１１において、機能性粒子２が存在しない領域は、繊維１同士の接触部分が固結されているため、繊維１同士の間に形成される複数の空隙３が、基部１０の内部と外部とを連通する開口領域４として機能する。これにより、人工土壌粒子５０は、基部１０の内部と外部との良好な通水性及び／又は通気性が確保されている。

開口領域４は、表層部１１の表面積の１０〜９５％を占めることが好ましい。開口領域４の表層部１１に占める割合が１０％より少ないと、人工土壌粒子５０の内部と外部との十分な通水性及び通気性が確保できず、植物の根の成長に悪影響を及ぼす虞がある。一方、開口領域４の表層部１１に占める割合が９５％より多いと、人工土壌粒子５０の耐久性及び強度を維持できなくなる虞がある。また、基部１０の内部と外部との通水性及び通気性が過剰になり、人工土壌粒子５０内に水分を保持できなくなる。その結果、植物に十分な水分を供給できず、植物が枯死する虞がある。表層部１１に対する開口領域４の占める範囲を上記範囲にすることにより、人工土壌粒子５０の通水性及び／又は通気性と、強度及び耐久性とをバランスよく両立させることができる。

基部１０の表層部１１において、繊維１同士又は繊維１と機能性材料２とを固結することにより、人工土壌粒子５０の強度が維持され、耐久性も向上する。つまり、人工土壌粒子５０は、土壌の基本性能である基部１０の内部と外部との通水性及び／又は通気性を維持しながら、表層部１１に存在する機能性材料２の機能を効率よく発揮させ、さらに強度及び耐久性も向上させている。なお、機能性材料２は、基部１０の表層部１１から若干内側に嵌入し、表層部１１の表面全体を繊維１が覆うような状態で保持されるものであってもよい。これにより、機能性材料２は基部１０内に確実に保持される。機能性材料２を含む表層部１１の厚みは、使用する機能性材料２の種類、粒径等により適宜調整されるが、好ましくは２５〜４００μｍに設定され、さらに好ましくは５０〜１５０μｍに設定される。

基部１０の密度（人工土壌粒子１Ｌ当たりのグラム数）、及び機能性粒子２の粒径は、人工土壌粒子５０の通水性、通気性、及び保水性に関係する。基部１０の密度は、好ましくは１００〜５００ｇ／Ｌであり、より好ましくは２００〜３００ｇ／Ｌである。基部１０の密度が１００ｇ／Ｌより低いと、基部１０内部の空隙３のサイズが大きくなり過ぎて、人工土壌粒子５０の強度を維持することができなくなる虞がある。一方、基部１０の密度が５００ｇ／Ｌより高いと、繊維１の間に形成される空隙３のサイズが小さくなり過ぎて、水分を人工土壌粒子５０内に十分保持することができなくなり、人工土壌粒子５０の保水性が低下する虞がある。機能性粒子２の粒径は、好ましくは２０〜３００μｍであり、より好ましくは５０〜１００μｍである。機能性粒子２の粒径が２０μｍより小さくなると、機能性粒子２と繊維１との接触箇所が少なくなり、繊維１間に機能性粒子２を保持できなくなる虞がある。一方、機能性粒子２の粒径が３００μｍより大きいと、機能性粒子２に対して繊維１が絡み難くなり、この場合も繊維１間に機能性粒子２を保持できなくなる虞がある。基部１０の密度と機能性粒子２の粒径の大きさとを上記範囲とすることにより、人工土壌粒子５０の通水性、通気性、保水性、並びに強度及び耐久性を維持しながら、機能性粒子２の機能を確実に発揮させることができる。

機能性粒子２は、農作物、有用植物、観葉植物などの植物体の育成、保護を目的として、あるいは人工土壌粒子５０のインテリア性を付与したり、リラクゼーション効果を付与したりする目的で用いられるものであり、使用目的に応じて農作物の増収、病害虫の防除、雑草防除、保肥性、吸湿性、抗菌性、消臭、着色、芳香等の効果をもたらすものである。機能性粒子２の具体的な材料としては、肥料、有用微生物、農薬、イオン交換性材料、吸湿性材料、抗菌剤、消臭剤、着色剤、香料等を挙げることができ、当該材料を粒子状に成形した肥料粒子、微生物粒子、農薬粒子、イオン交換性粒子、吸湿性粒子、抗菌性粒子、消臭性粒子、着色性粒子、芳香性粒子等を使用することができる。これら機能性粒子２は、人工土壌粒子５０に単独で含ませてもよいが、複数種の機能性粒子２を組み合わせて含ませることも可能である。

肥料粒子としては、植物必須要素である、窒素肥料、リン酸肥料、カリウム肥料の多量要素と、カルシウム、マグネシウム、及び硫黄等の中量要素と、鉄、マンガン、ホウ素、亜鉛、銅、モリブデン、塩素等の微量要素とを含有する肥料を粒子状に成型したものが挙げられる。窒素肥料としては硫酸アンモニア、尿素、硝酸アンモニア等が挙げられ、リン酸肥料としてはク溶性肥料である熔成リン肥、焼成リン肥等が挙げられ、カリウム肥料としては硫酸カリウム、塩化カリウム、ケイ酸カリウム肥料等が挙げられ、カルシウムとしては、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、炭酸カルシウム等が挙げられ、マグネシウムとしては硫酸苦土肥料、水酸化苦土肥料が挙げられ、硫黄としては硫黄元素、酸化硫黄等が挙げられる。肥料は、上記肥料成分をそのまま粒状に成型して使用することができるが、ベントナイトやゼオライト等の天然鉱物等に混合し、粒状に成型して使用することもできる。

微生物粒子としては、硝化菌、ＶＡ菌根菌等の植物の育成に有用な微生物を、ベントナイトやゼオライト等の天然鉱物等に固定化し、粒子状に成型したものが挙げられる。これにより、植物の成長を促すことができる。人工土壌粒子５０に硝化菌を固定化した場合は、肥料として、硝酸態窒素ではなくアンモニア態窒素のみを与えることも可能となる。これにより、肥料として高価な硝酸態窒素を使用する必要が無くなるため、植物の栽培コストを下げることができる。

農薬粒子としては、防虫剤、忌避剤、除草剤、植物成長促進剤等を粒子状に成型したものが挙げられる。防虫剤は植物、特に農作物に対する害虫を防除又は駆除する薬剤であり、忌避剤は植物に寄生する害虫や植物に害を与える有害動物等が植物に近づくことを避けさせる薬剤であり、除草剤は植物に害となる草木植物を除去するために用いられる薬剤であり、植物成長促進剤は植物の生理活性を高める薬剤である。農薬粒子は、防虫剤、忌避剤、除草剤、植物成長促進剤等を、ベントナイトやゼオライト等の天然鉱物等に混合し、粒状に成型して使用することができる。

天然土壌は、陽イオンを取り込む性質を有しているため、Ｋ^＋、Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋、及びアンモニア態窒素（ＮＨ^４＋）を保持する能力、つまり保肥性を備えている。植物は窒素源としてアンモニア態窒素を有効に利用することができないが、天然土壌には硝化菌が常在するため、この硝化菌がアンモニア態窒素を植物に必要な硝酸態窒素へと変換し、植物に供給している。従って、天然土壌に代えて人工土壌粒子５０を用いる場合、人工土壌粒子５０にイオン交換能を付与し、保肥性を備える必要がある。

イオン交換性粒子としては、陽イオン交換能が付与された材料、陰イオン交換能が付与された材料、又は両者の混合物を粒子状に成型したものが挙げられる。また、イオン交換能を有さない多孔質材料（例えば、高分子発泡体、ガラス発泡体等）を別に用意し、当該多孔質材料の細孔に上記のイオン交換能が付与された材料を圧入や含浸等によって導入し、これを使用することも可能である。陽イオン交換能が付与された材料として、陽イオン交換性鉱物、腐植、及び陽イオン交換樹脂が挙げられる。陰イオン交換能が付与された材料として、陰イオン交換性鉱物、及び陰イオン交換樹脂が挙げられる。陽イオン交換能が付与された材料は、Ｋ^＋、Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋等の肥料を保持し、陰イオン交換能が付与された材料は、ＮＯ_３ ⁻、ＰＯ_４ ^３−等の肥料を保持することができる。

陽イオン交換性鉱物は、例えば、モンモリロナイト、ベントナイト、バイデライト、ヘクトライト、サポナイト、スチブンサイト等のスメクタイト系鉱物、雲母系鉱物、バーミキュライト、ゼオライト等が挙げられる。陽イオン交換樹脂は、例えば、弱酸性陽イオン交換樹脂、強酸性陽イオン交換樹脂が挙げられる。これらのうち、ゼオライト、又はベントナイトが好ましい。陽イオン交換性鉱物及び陽イオン交換樹脂は、二種以上を組み合わせて使用することも可能である。陽イオン交換性鉱物及び陽イオン交換樹脂における陽イオン交換容量は、１０〜７００ｍｅｑ／１００ｇに設定され、好ましくは２０〜７００ｍｅｑ／１００ｇに設定され、より好ましくは３０〜７００ｍｅｑ／１００ｇに設定される。陽イオン交換容量が１０ｍｅｑ／１００ｇ未満の場合、十分に養分を取り込むことができず、取り込まれた養分も灌水等により早期に流失する虞がある。一方、陽イオン交換容量が７００ｍｅｑ／１００ｇを超えるように保肥力を過剰に大きくしても、効果は大きく向上せず、経済的ではない。

陰イオン交換性鉱物は、例えば、ハイドロタルサイト、マナセアイト、パイロオーライト、シェーグレン石、緑青等の主骨格として複水酸化物を有する天然層状複水酸化物、合成ハイドロタルサイト及びハイドロタルサイト様物質、アロフェン、イモゴライト、カオリン等の粘土鉱物が挙げられる。陰イオン交換樹脂は、例えば、弱塩基性陰イオン交換樹脂、強塩基性陰イオン交換樹脂が挙げられる。これらのうち、ハイドロタルサイトが好ましい。陰イオン交換性鉱物及び陰イオン交換樹脂は、二種以上を組み合わせて使用することも可能である。陰イオン交換性鉱物及び陰イオン交換樹脂における陰イオン交換容量は、５〜５００ｍｅｑ／１００ｇに設定され、好ましくは２０〜５００ｍｅｑ／１００ｇに設定され、より好ましくは３０〜５００ｍｅｑ／１００ｇに設定される。陰イオン交換容量が５ｍｅｑ／１００ｇ未満の場合、十分に養分を取り込むことができず、取り込まれた養分も灌水等により早期に流失する虞がある。一方、陰イオン交換容量が５００ｍｅｑ／１００ｇを超えるように保肥力を過剰に大きくしても、効果は大きく向上せず、経済的ではない。

吸湿性粒子としては、吸湿性材料を粒子状に成型したものが挙げられる。吸湿性材料は、例えば、ポリアクリル酸塩系ポリマー、ポリスルホン酸塩系ポリマー、ポリアクリルアミド系ポリマー、ポリビニルアルコール系ポリマー、ポリアルキレンオキサイド系ポリマー等の合成高分子系保水性材料、ポリアスパラギン酸塩系ポリマー、ポリグルタミン酸塩系ポリマー、ポリアルギン酸塩系ポリマー、セルロース系ポリマー、デンプン等の天然高分子系保水性材料、珪藻土等の天然無機質資源等が挙げられる。

抗菌性粒子としては、抗菌剤をベントナイトやゼオライト等の天然鉱物等に混合し、粒子状に成型したものが挙げられる。抗菌剤は、動植物に対する病原微生物や、バイオフィルムを産生する微生物等の増殖を抑制又は死滅させる薬剤であり、有機リン系殺菌剤、ジチオカーバメイト系殺菌剤、キノリン殺菌剤、抗生物質、銀や銅等の抗菌性金属、光触媒作用のある酸化チタン等が挙げられる。

消臭性粒子としては、消臭剤をベントナイトやゼオライト等の天然鉱物等に混合し、粒子状に成型したものが挙げられる。消臭剤は、スギやマツ等の樹木、竹、椰子殻等を高温炭化させた活性炭、シリカゲル等の多孔質体、微細孔を有するバーミキュライト、ゼオライト、ハイドロタルサイト等の天然鉱物等が挙げられるが、好ましくは活性炭である。

着色性粒子としては、着色剤をベントナイトやゼオライト等の天然鉱物等に混合し、粒子状に成型したものが挙げられる。着色剤は、例えば、顔料、繊維用着色剤等の他に、土壌のｐＨにより色が変わるｐＨ指示薬等も挙げられる。これら着色剤を使用することにより、人工土壌粒子５０のインテリア性を高めることができる。また、ｐＨ指示薬を使用すると、人工土壌のｐＨ環境を目視で確認することができる。

芳香性粒子としては、香料をベントナイトやゼオライト等の天然鉱物等に混合し、粒子状に成型したものが挙げられる。香料は、果物や花卉、樹木などのエキス、オイル、抽出物の他、合成香料が挙げられる。これらの香料を機能性材料として使用することにより、リラクゼーション効果を発揮可能な人工土壌粒子５０を生成することができる。

人工土壌粒子５０の粒径は、栽培対象の植物により適宜選択されるが、好ましくは１〜１０ｍｍであり、より好ましくは２〜８ｍｍであり、さらに好ましくは２〜５ｍｍである。人工土壌粒子５０の粒径が１ｍｍ未満の場合、人工土壌粒子間に形成される間隙のサイズが小さくなり、間隙の毛管力により水分が過剰に保持されることになる。その結果、排水性が低下することにより植物の根から酸素を吸収し難くなり、根腐れが発生する虞がある。一方、人工土壌粒子５０の粒径が１０ｍｍを超えると、間隙のサイズが大きくなって排水性が過剰になり過ぎることにより植物が水分を吸収し難くなったり、人工土壌が疎になって植物が横倒れする虞がある。人工土壌粒子５０の粒径は、篩掛けにより調整することができる。人工土壌粒子５０の粒径は、以下の測定法により求められる。先ず、測定対象の人工土壌粒子５０をスケールとともにカメラ又は顕微鏡で観察し、その画像を画像処理ソフト（二次元画像解析処理ソフトウェア「ＷｉｎＲＯＯＦ」、三谷商事株式会社製）を使用して取得する。画像から１００個の人工土壌粒子５０を選択し、人工土壌粒子５０の輪郭をトレースする。トレースした図形の周長から、相当円の直径を算出する。夫々の人工土壌粒子５０から求めた相当円の直径（１００個）の平均を平均サイズ（単位：ピクセル）とする。そして、平均サイズを画像中のスケールと比較し、単位長さ（μｍオーダー乃至ｍｍオーダー）に変換して、人工土壌粒子５０の粒径を算出する。ちなみに、人工土壌粒子５０を構成する繊維１のサイズ、表層部１１の厚みについても、画像処理を用いた測定法により求められる。

＜人工土壌粒子の製造方法＞
人工土壌粒子５０は、繊維１を集合させて繊維塊状体３０を形成する形成工程と、繊維塊状体３０に追加の繊維１及び機能性粒子２を添加して造粒する造粒工程と、造粒物の表面を固結させる固結工程とを実行することにより製造される。

形成工程では、例えば、綿又はビニロン等の繊維１をカーディング装置等で引揃え、３〜１０ｍｍ程度の長さに切断し、切断した繊維１と樹脂や糊等のバインダーとを転動造粒、流動層造粒、攪拌造粒、圧縮造粒、押出造粒等の方法によって粒状の繊維塊状体３０を形成する。繊維塊状体３０を形成する工程で使用するバインダーの濃度（添加する繊維の重量に対するバインダーの重量）は、１０重量％以下に設定することが好ましい。バインダーの濃度を、１０重量％を超えて設定すると、繊維１間に形成される空隙３のサイズが小さくなり過ぎて、人工土壌粒子５０の保水力が低下する虞がある。また、形成工程では、繊維１は互いに絡まり合って固着化し易いため、バインダーを使用しないで、繊維１を塊状に加工し、繊維塊状体３０を形成することもできる。

バインダーは、有機バインダー又は無機バインダーの何れも使用可能である。有機バインダーは、例えば、ポリオレフィン系バインダー、ポリビニルアルコール系バインダー、ポリウレタン系バインダー、ポリ酢酸ビニル系バインダー等の合成樹脂系バインダー、デンプン、カラギーナン、キサンタンガム、ジェランガム、アルギン酸などの多糖類、膠などの動物性たんぱく質等の天然物系バインダーが挙げられる。無機バインダーは、例えば、水ガラス等のケイ酸系バインダー、リン酸アルミニウム等のリン酸塩系バインダー、ホウ酸アルミニウム等のホウ酸塩系バインダー、セメント等の水硬性バインダーが挙げられる。有機バインダー及び無機バインダーは、二種以上を組み合わせて使用することも可能である。

造粒工程では、粒状化した繊維塊状体３０に、追加の繊維１と、機能性粒子２と、バインダーとを添加してさらに造粒を行い、表層部１１を形成する。追加の繊維１は、上記繊維１と同じ種類の繊維１を用いてもよいが、機能性粒子２の粒径に合わせて、繊維１の種類、長さ、及び太さを変えてもよい。また、使用するバインダーは、水不溶性のバインダーを用いることが好ましい。これにより、灌水等により、人工土壌粒子５０の構造が崩壊するのを防ぐことができる。表層部１１を形成する工程で使用するバインダーの濃度（添加する繊維の重量に対するバインダーの重量）は、１０〜５０重量％に設定することが好ましい。バインダーの濃度を１０重量％より低く設定すると、機能性粒子２が表層部１１内の繊維１間に十分保持されない虞がある。一方、バインダーの濃度を５０重量％を超えるように設定すると、繊維１同士及び繊維１と機能性粒子２との間に形成される隙間５が小さくなり、人工土壌粒子５０の通水性及び通気性が悪化する虞がある。人工土壌粒子５０を製造するにあたっては、繊維塊状体３０を形成後、造粒工程において、追加の繊維１と、機能性粒子２とを最適な配合量に調整して造粒している。これにより、機能性粒子２を、表層部２０の絡ませた繊維１同士の間に最適な状態で保持することが可能になる。繊維１と機能性粒子２の配合量は、繊維の種類、機能性粒子の粒径に合わせて、適宜選択される。

水不溶性のバインダーとしては、例えば、樹脂材料が挙げられる。そのような樹脂材料として、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等の塩化ビニル系樹脂、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂、ポリスチレン等のスチロール系樹脂、酢酸ビニル、エチレン酢酸ビニル等の酢酸ビニル系樹脂、ポリウレタン、ビニルウレタン等のウレタン系樹脂等が挙げられる。これらのうち、ポリエチレンが好ましい。また、樹脂材料に代えて、アクリルアミド等の高分子ゲル化剤、アルギン酸塩やカラギーナン等の天然多糖類系ゲル化剤、天然ゴムやシリコーンゴム等のゴム系コーティング剤等を使用することも可能である。さらに、樹脂架橋剤を使用することもできる。そのような樹脂架橋剤としては、例えば、イソシアネート、ビニルスルホン化合物、アジリジン、ジヒドラジド、メチル化アミン、ジグリシジルエーテル、カルボジイミド、ホルムアルデヒド、チタンカップリング剤、シランカップリング剤等が挙げられる。

固結工程では、例えば、ポリエチレンエマルジョンをバインダーとして用いた場合、ポリエチレンエマルジョンが付着した基部１０をオーブンで６０〜８０℃で乾燥させ、次いで、１００℃でポリエチレンを溶融させ、表層部１１の繊維１同士及び表層部１１の繊維１と機能性粒子２との接触箇所にポリエチレンを融着させる。表層部１１の機能性粒子２が存在する領域では、繊維１と機能性粒子２との間には一定の隙間５が形成され、表層部１１の機能性粒子２が存在しない領域では、複数の空隙３により開口領域４が形成される。これにより、人工土壌粒子５０は、基部１０の内部と外部との通水性及び／又は通気性が確保されたものとなる。表層部１１は、ポリエチレンエマルジョンの濃度を濃くなるように設定しているため、表層部１１の繊維１同士及び繊維１と機能性粒子２とが接触箇所で確実に固結し、強固な人工土壌粒子５０が完成する。

基部１０を造粒するにあたり、繊維１として短繊維を使用することも可能である。この場合、短繊維を撹拌混合造粒装置で撹拌しながら所定濃度のポリエチレンエマルジョンを少量ずつ投入して繊維塊状体３０を形成する。次いで、追加の短繊維と、機能性粒子２と、所定濃度のポリエチレンエマルジョンとを投入してさらに造粒を行い、表層部１１を形成し、基部１０を造粒する。基部１０をオーブンで６０〜８０℃で乾燥させ、次いで、１００℃でポリエチレンを溶融させ、基部１０の内部の繊維１同士及び表層部１１の繊維１と機能性粒子２との接触箇所でポリエチレンを融着させる。これにより、基部１０を形成する短繊維同士及び短繊維と機能性粒子２とが一部で固結され、強固な基部１０を形成することができる。なお、短繊維に先に水を加えて造粒し、その後、ポリエチレンエマルジョンを添加して繊維塊状体３０を仕上げることも可能である。

〔人工土壌粒子の製造例〕
図２の写真に例示する人工土壌粒子５０の製造条件を説明する。先ず、ビニロン短繊維（直径：２５μｍ、長さ：０．５ｍｍ、株式会社クラレ製）３５０ｇを撹拌混合造粒装置（有限会社Ｇ−Ｌａｂｏ製）で撹拌、転動させながらポリエチレンエマルジョン（セポルジョン（登録商標）Ｇ３１５、住友精化株式会社製、濃度４０重量％）を５倍に希釈した希釈液４００ｇを添加しながら造粒して、粒径が２〜３ｍｍの基部１０を形成した。次いで、機能性粒子２（粒径：５０〜１００μｍ）８０ｇ、上記ビニロン短繊維５０ｇ、及び上記ポリエチレンエマルジョンの原液５０ｇを基部１０に添加して再度造粒した。造粒物をオーブンで６０〜８０℃で乾燥させ、次いで、１００℃でポリエチレンを溶融させることにより、人工土壌粒子５０が得られた。

本発明に係る人工土壌粒子、及び人工土壌粒子の製造方法は、家庭菜園、植物工場、屋内緑化等における農業、園芸分野に利用することができる。

１ 繊維
２ 機能性粒子
４ 開口領域
１０ 基部
１１ 表層部
３０ 繊維塊状体
５０ 人工土壌粒子

Claims (4)

1. 繊維を集合してなる基部を備えた人工土壌粒子であって、
   前記基部は１００〜５００ｇ／Ｌの密度を有するものであり、
   前記基部の表層部のみに機能性粒子が存在し、前記機能性粒子が、前記表層部に存在する繊維と複数箇所で接触した状態で保持されており、
   前記表層部は、１０〜９５％の開口領域を有し、前記基部の内部と外部との通水性及び／又は通気性を維持した状態で、水不溶性のバインダーで固結されており、
   前記機能性粒子の粒径が２０〜３００μｍであり、前記繊維の太さが５〜１００μｍであり、
   前記繊維は、外部環境の変化により収縮する収縮性繊維である人工土壌粒子。
2. 前記機能性粒子は、肥料粒子、微生物粒子、農薬粒子、イオン交換性粒子、吸湿性粒子、抗菌性粒子、消臭性粒子、着色性粒子、及び芳香性粒子からなる群から選択される少なくとも一種の粒子である請求項１に記載の人工土壌粒子。
3. 前記基部は、１〜１０ｍｍの粒径を有する請求項１又は２に記載の人工土壌粒子。
4. 繊維を集合してなる基部を備えた人工土壌粒子の製造方法であって、
   前記基部は１００〜５００ｇ／Ｌの密度を有するものであり、
   ５〜１００μｍの太さを有する繊維を集合させて繊維塊状体を形成する形成工程と、
   前記繊維塊状体に追加の前記繊維、２０〜３００μｍの粒径を有する機能性粒子、及び水不溶性のバインダーを添加して造粒し、前記繊維塊状体の上のみに前記機能性粒子が存在し、かつ、１０〜９５％の開口領域を有する表層部を形成する造粒工程と、
   造粒物の前記表層部を固結させる固結工程と、
   を包含し、
   前記繊維は、外部環境の変化により収縮する収縮性繊維である人工土壌粒子の製造方法。