KR20150042839A

KR20150042839A - 섬유 괴상체, 및 섬유 괴상체를 사용한 인공 토양

Info

Publication number: KR20150042839A
Application number: KR1020157006378A
Authority: KR
Inventors: 요시유키 이오로이; 마사유키 쓰보이; 리에 야마다
Original assignee: 도요 고무 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2015-04-21
Also published as: PH12015500563A1; EP2901848A4; EP2901848A1; JPWO2014050519A1; CN104640436A; US20150232391A1; WO2014050519A1; JP5615461B2

Abstract

보수성(保水性)과 강도를 겸비하고, 또한 양호한 통기성(通氣性)을 구비한 인공 토양 입자로서 사용 가능한 섬유 괴상체(塊狀體)를 제공한다. 섬유 괴상체(1)는, 섬유(2)를 집합하여 이루어지는 코어부(3)와, 코어부(3)를 피복하는 통수성(通水性) 막(膜)(4)을 구비하고, 통수성 막(4)은, 다공질 구조를 구비하고, 코어부(3)의 외표부(外表部)의 40% 이상을 피복하는 것이며, 코어부(3)는, 보수성 재료를 가지고 있고, 코어부(3) 및 통수성 막(4) 중 적어도 어느 한쪽에 이온 교환능이 부여되어 있고, 1∼10 ㎜의 입경(粒徑)을 가지고 있고, 코어부(3)에 수분이 포화 상태로 유지되어 있는 습윤 상태와, 코어부(3)에 수분이 포화 상태로 유지되어 있지 않은 통기 가능 상태의 사이에서, 수분 유지량을 조정 가능하도록 구성되어 있다.

Description

섬유 괴상체, 및 섬유 괴상체를 사용한 인공 토양{MASSIVE FIBER BODY, AND ARTIFICIAL SOIL PRODUCED USING MASSIVE FIBER BODY}

본 발명은, 섬유를 집합하여 이루어지는 섬유 괴상체(塊狀體), 및 상기 섬유 괴상체를 사용한 인공 토양에 관한 것이다.

섬유를 집합하여 이루어지는 섬유 괴상체는, 섬유 사이에 공극(空隙)이 형성되어 있으므로, 경량이면서 상기 공극에 수분을 포함시킬 수 있다. 이 때문에, 섬유 괴상체는, 보수성(保水性) 재료로서 이용할 수 있다. 또한, 섬유 괴상체는, 예를 들면, 섬유 사이의 공극에 촉매나 유용 미생물을 담지(擔持)시키는 사용법도 고려할 수 있다. 이에, 섬유 사이의 공극의 특성을 살려, 섬유 괴상체는, 예를 들면, 농업 분야에서는 인공 토양으로서, 환경 분야에서는 수처리용(水處理用) 담체(擔體)로서 이용되고 있다.

예를 들면, 빌딩의 옥상, 아파트의 베란다 등의 옥외 공간이나, 로비, 거실 등의 옥내 공간에서의 녹화를 위해, 인공 토양이 사용되는 경우가 있다. 특히, 옥내 공간을 녹화하는데 있어서는, 천연 토양 대신 인공 토양을 사용하는 케이스가 많아지고 있다. 이는, 옥내 공간의 녹화에 천연 토양을 사용한 경우, 그 중량때문에 식재(植栽)의 이설(移設)이 곤란하게 되거나 천연 토양 중에 미생물이 번식함으로써 옥내가 비위생적으로 되는 문제가 염려되기 때문이다. 섬유 괴상체는, 동일한 용적의 천연 토양과 비교하여 중량이 가볍고, 양호한 배수성을 가질 뿐만 아니라, 위생적이기 때문에, 인공 토양에는 적합한 소재라고 할 수 있다.

섬유를 사용한 종래의 인공 토양의 예로서, 특허 문헌 1은, 야자 섬유를 구형상(球形狀)으로 성형한 원예용 섬유 구체(球體)를 제안하고 있다.

또한, 특허 문헌 2는, 천연 펄프를 수지 또는 풀로 굳혀서 고형물로 만들고, 이 고형물을 분쇄한 파편물을 천연 토양의 대체품으로서 제안하고 있다.

특허 문헌 1: 일본 실용신안등록출원 공개 소55-56564호 공보 특허 문헌 2: 일본공개특허 제2004-350655호 공보

특허 문헌 1의 원예용 섬유 구체는, 외부로부터 공급한 물을 친수성(親水性)의 야자 섬유로 유지하고, 그 물을 식물이 이용할 수 있도록 하고 있다. 그러나, 이 원예용 섬유 구체는, 야자 섬유를 단순한 구형으로 성형한 것뿐이므로, 충분한 강도를 가지고 있지 않다. 또한, 야자 섬유가 노출되어 있으므로, 외부 환경이 건조되면 즉시 수분을 잃어 버릴 우려가 있다.

특허 문헌 2의 식물 재배 장치는, 천연 토양의 대체품으로서, 천연 펄프를 수지 또는 풀로 굳힌 고형물을 파쇄한 파쇄물을 사용하고 있다. 이 파쇄물은, 섬유를 수지 또는 풀로 굳힐 때, 물을 포함한 상태로 굳히고 있다. 이에 따라, 파쇄물은 일정한 수분을 유지한 것이 되지만, 섬유를 수지 또는 풀로 굳히고 있으므로, 외부로부터 수분을 추가로 공급하고자 할 경우, 파쇄물 내에 수분을 더 유지시키는 것이 곤란하다. 또한, 섬유 사이에 수지 또는 풀이 충전(充塡)되어 있으므로, 파쇄물 내의 통기성(通氣性)이 좋지 못하여, 혐기적(嫌氣的)인 상태로 되기 쉽다. 그리고, 파쇄물 내로 식물의 뿌리가 침입하기 어려워지므로, 식물은 파쇄물로부터 수분을 충분히 흡수할 수 없게 되어, 성장의 방해가 될 우려가 있다.

본 발명은, 전술한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이며, 보수성과 강도를 겸비하고, 나아가서는 양호한 통기성을 구비한 인공 토양 입자로서 사용 가능한 섬유 괴상체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 섬유 괴상체의 특징적 구성은,

섬유를 집합하여 이루어지는 코어부; 및

상기 코어부를 피복하는 통수성(通水性) 막(膜)

을 포함하는 것에 있다.

본 구성의 섬유 괴상체는, 섬유를 집합하여 코어부를 구성하고 있으므로, 코어부의 섬유 사이에는 수분을 유지할 수 있는 공극이 형성되어 있다. 또한, 코어부를 통수성 막으로 피복하고 있으므로, 섬유 괴상체의 코어부와 외부 환경의 사이의 통수성을 확보하면서, 일정한 차폐성(遮閉性) 및 강성(剛性)을 확립하고 있다. 그 결과, 통수성 막에 의해 섬유 괴상체의 강도가 유지되어, 보수성과 강도를 양립시킬 수 있다. 또한, 코어부는, 통수성 막을 통하여, 외부 환경으로부터 수분을 받아들일 수 있고, 그리고 외부 환경으로의 수분의 방출이 가능하므로, 본 구성의 섬유 괴상체는, 인공 토양 입자 등의 수분의 이동을 수반하는 용도에 있어서, 우수한 적응성을 나타낼 수 있다.

본 발명에 따른 섬유 괴상체에 있어서,

상기 통수성 막은, 다공질 구조를 구비하고 있는 것이 바람직하다.

본 구성의 섬유 괴상체는, 다공질 구조를 구비한 통수성 막으로 코어부를 피복하고 있으므로, 코어부와 외부 환경의 사이의 통수성이 높아지고, 또한 외기가 통수성 막의 다공질 구조를 통과할 수 있으므로, 양호한 통기성도 실현할 수 있다.

본 발명에 따른 섬유 괴상체에 있어서,

상기 통수성 막은, 상기 코어부의 외표부(外表部)의 40% 이상을 피복하는 것이 바람직하다.

본 구성의 섬유 괴상체는, 코어부의 외표부의 40% 이상이 통수성 막에 의해 피복되어 있으므로, 섬유 괴상체의 강도 및 내구성(耐久性)을 일정 이상으로 유지하면서, 코어부와 외부 환경의 사이에서의 수분의 급격한 이동을 방지하여, 적절한 수분 컨트롤을 실현하는 것이 가능하게 된다.

본 발명에 따른 섬유 괴상체에 있어서,

상기 코어부는, 보수성 재료를 가지는 것이 바람직하다.

본 구성의 섬유 괴상체는, 코어부가 보수성 재료를 가지므로, 코어부가 본래 가지는 섬유 사이의 공극에 의한 보수성에 더하여, 보수성 재료에 의한 보수력를 구비할 수 있다. 그 결과, 섬유 괴상체 전체로서 보수력이 더욱 높아져, 건조에 강한 섬유 괴상체로 만들 수 있다.

본 발명에 따른 섬유 괴상체에 있어서,

상기 코어부 및 상기 통수성 막 중 적어도 어느 한쪽에 이온 교환능이 부여되어 있는 것이 바람직하다.

본 구성의 섬유 괴상체는, 코어부 및 통수성 막 중 적어도 어느 한쪽에 이온 교환능이 부여되어 있으므로, 높은 이온 교환 용량을 가지고 있다. 이와 같은 이온 교환능을 가지는 섬유 괴상체는, 외부 환경으로부터 코어부에 받아들여진 수분에 포함되는 특정한 이온을 흡착할 수 있으므로, 각종 용도에 이용하는 것이 가능하게 된다.

본 발명에 따른 섬유 괴상체에 있어서,

1∼10 ㎜의 입경(粒徑)을 가지는 것이 바람직하다.

본 구성의 섬유 괴상체는, 1∼10 ㎜의 입경을 가지므로, 섬유 괴상체 사이에 적절한 간극(間隙)이 형성되고, 양호한 통기성과 배수성 등을 실현할 수 있다.

본 발명에 따른 섬유 괴상체에 있어서,

상기 코어부에 수분이 포화 상태로 유지되어 있는 습윤 상태와, 상기 코어부에 수분이 포화 상태로 유지되어 있지 않은 통기 가능 상태의 사이에서, 수분 유지량을 조정 가능하게 구성되어 있는 것이 바람직하다.

본 구성의 섬유 괴상체는, 코어부에 수분이 포화 상태로 유지되어 있는 습윤 상태와, 코어부에 수분이 포화 상태로 유지되어 있지 않은 통기 가능 상태의 사이에서, 수분 유지량을 조정 가능하게 구성되어 있으므로, 예를 들면, 외부 환경에 수분이 많이 존재하는 경우에는 코어부에 외부 환경의 수분을 흡수시키고, 외부 환경에 수분이 적은 경우에는 코어부에서 유지하고 있는 수분을 외부 환경으로 방출시킬 수 있다. 이와 같이, 본 구성의 섬유 괴상체는, 코어부와 외부 환경의 사이에서, 수분을 적절하게 이동시킬 수 있으므로, 수분의 컨트롤성이 우수한 인공 토양 입자로서의 용도에 적합하다.

본 발명에 따른 섬유 괴상체에 있어서,

상기 섬유는, 길이가 0.2∼0.5 ㎜인 단섬유(短纖維)인 것이 바람직하다.

본 구성의 섬유 괴상체는, 섬유로서 길이가 0.2∼0.5 ㎜인 단섬유를 사용함으로써, 섬유를 집합하여 코어부를 형성하면, 섬유 사이에 형성되는 공극의 사이즈를 고르게 맞출 수 있다. 그 결과, 섬유 괴상체의 특성(흡수성, 통수성, 통기성 등)이 안정된다.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 인공 토양의 특징적 구성은,

상기 어느 하나의 섬유 괴상체를 인공 토양 입자로서 사용한 것에 있다.

본 구성의 인공 토양은, 인공 토양 입자로서 사용하는 섬유 괴상체가 보수성과 강도를 겸비하고 있고, 통기성도 양호하므로 천연 토양의 대체품으로서 바람직하게 이용할 수 있다.

도 1은, 본 발명에 따른 섬유 괴상체를 모식적으로 나타낸 설명도이다.
도 2는, 본 발명의 실시 형태에 따른 섬유 괴상체를 예시하는 사진이다.
도 3은, 본 발명에 따른 섬유 괴상체를 인공 토양 입자로서 사용한 인공 토양에 식물을 심은 상태를 모식적으로 나타낸 설명도이다.
도 4는, 본 발명에 따른 섬유 괴상체를 사용한 인공 토양의 수분 유지 곡선을 예시하는 그래프이다.
도 5는, 본 발명에 따른 섬유 괴상체의 표면을 촬영한 현미경 사진이다.

이하에서, 본 발명에 따른 섬유 괴상체, 및 상기 섬유 괴상체를 인공 토양 입자로서 사용한 인공 토양에 대한 실시 형태를 도 1∼도 5에 기초하여 설명한다. 다만, 본 발명은, 이하에서 설명하는 실시 형태나 도면에 기재되는 구성으로 한정되는 것을 의도하지 않는다.

<섬유 괴상체>

도 1은, 본 발명에 따른 섬유 괴상체(1)를 모식적으로 나타낸 설명도이다. (A)는 섬유 괴상체(1)의 외관도이며, (B)는 섬유 괴상체(1)의 단면도이다. 도 2는, 본 발명의 실시 형태에 따른 섬유 괴상체(1)를 예시하는 사진이다. (A)는 섬유 괴상체(1)가 집합된 상태의 사진이며, (B)는 1개의 섬유 괴상체(1)의 확대 사진이다. 섬유 괴상체(1)는, 섬유(2)를 집합하여 구성한 코어부(3)와, 코어부(3)를 피복하는 통수성 막(4)을 구비하고 있다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 코어부(3)는, 섬유(2)가 복잡하게 집합된 상태로 조립(造粒)된 것이며, 구형으로 형성되어 있다. 코어부(3)는 통수성 막(4)으로 피복되고, 이로써, 섬유 괴상체(1)가 구성된다. 본 실시 형태에서는, 섬유 괴상체(1)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 구형에 가까운 입체 형상으로 구성되어 있지만, 예를 들면, 편평한 럭비 볼 형상, 돌기를 가지는 별사탕 형상, 다면체 형상, 일정 이상의 두께를 가지는 판형, 부정 형상 등으로 구성하는 것도 가능하다.

코어부(3)의 형성에 사용하는 섬유(2)의 형태는, 장섬유(長纖維) 또는 단섬유이다. 단섬유에는 섬유 길이가 극히 작은 분말형 섬유도 포함된다. 장섬유 또는 단섬유를 조립함으로써, 섬유(2)가 집합된 코어부(3)가 형성된다. 조립 시에, 필요에 따라 수지나 풀 등의 바인더를 사용하는 것도 가능하다. 코어부(3)의 내부의 집합된 섬유(2) 사이에는 공극(5)이 형성되어 있다. 섬유 괴상체(1)는, 공극(5)에 수분을 유지할 수 있다. 따라서, 공극(5)의 상태(예를 들면, 공극(5)의 크기, 개수, 형상 등)는, 섬유 괴상체(1)가 유지할 수 있는 수분량, 즉 보수성에 관한 것이다. 공극(5)의 상태는, 코어부(3)를 조립할 때의 섬유(2)의 사용량(밀도), 섬유(2)의 종류, 굵기, 길이 등을 변경함으로써 조정 가능하다. 그리고, 섬유(2)의 사이즈는, 굵기가 5∼100 ㎛ 정도인 것이 바람직하고, 길이가 0.5∼10 ㎜ 정도인 것이 바람직하다. 또한, 섬유(2)로서 사전에 절단된 단섬유를 사용하는 것도 가능하며, 이 경우에, 단섬유의 길이는 0.2∼0.5 ㎜ 정도인 것이 바람직하다.

섬유 괴상체(1)는, 코어부(3)에 수분을 충분히 유지할 수 있도록, 섬유(2)로서 친수성 섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 이로써, 섬유 괴상체(1)의 보수성을 한층 높일 수 있다. 섬유(2)의 종류는, 천연 섬유 또는 합성 섬유 중 어느 쪽일 수도 있으며, 섬유 괴상체(1)의 사용 목적에 따라, 적절하게 선택된다. 바람직한 친수성 섬유로서, 천연 섬유에서는, 면, 양모, 레이온, 셀룰로오스 등을 예로 들 수 있고, 합성 섬유에서는, 비닐론, 우레탄, 나일론, 아세테이트 등을 예로 들 수 있다. 이들 섬유 중에서, 면 및 비닐론이 더욱 바람직하다. 섬유(2)로서, 천연 섬유와 합성 섬유를 섬유 혼합한 것을 사용하는 것도 가능하다.

코어부(3)는, 외표부가 통수성 막(4)으로 피복된다. 통수성 막(4)은, 물이 통과할 수 있는 미세공(微細孔)을 가지는 막이다. 또는, 수분이 한쪽으로부터 침투하고 다른 쪽으로 이동 가능한 침투성 막으로 만들 수도 있다. 통수성 막(4)은, 섬유 괴상체(1)의 코어부(3)와 외부 환경의 사이의 통수성을 확보하면서, 일정한 차폐성 및 강성을 확립하고 있다. 여기서, 「외부 환경」이란, 섬유 괴상체(1)의 외측의 환경을 의도한다. 외부 환경에는 수분이 존재할 수 있다. 코어부(3)의 외표부의 40% 이상, 바람직하게는 60% 이상을 통수성 막(4)에 의해 피복함으로써, 섬유 괴상체(1)의 강도 및 내구성을 일정 이상으로 유지하면서, 코어부(3)와 외부 환경의 사이에서의 수분의 급격한 이동을 방지하여, 적절한 수분 컨트롤을 실현하는 것이 가능하게 된다. 또한, 통수성 막(4)의 막 두께나 재질을 변경함에 의해서도, 섬유 괴상체(1)의 보수성을 조정하는 것이 가능하게 된다. 통수성 막(4)은, 외부 환경으로부터 수분을 받아들일 수 있고, 그리고 외부 환경으로의 수분의 방출이 가능하므로, 통수성 막(4)을 구비한 섬유 괴상체(1)는, 인공 토양 입자 등의 수분의 이동을 수반하는 용도에 있어서, 우수한 적응성을 나타낼 수 있다.

통수성 막(4)은, 코어부(3)를 구성하는 섬유(2)의 얽힘 부분(섬유(2)끼리 접촉하는 부분)을 보강하도록, 코어부(3)의 외표부로부터 약간 내측에 침투한 상태가 될 때까지 두께를 형성할 수도 있다. 이로써, 섬유 괴상체(1)의 강도 및 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다. 통수성 막(4)의 막 두께는, 1∼500 ㎛로 설정되고, 10∼200 ㎛로 설정되는 것이 바람직하고, 20∼100 ㎛로 설정되는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 통수성 막(4)은, 코어부(3)와 외부 환경의 사이의 충분한 통기성을 확보하기 위하여, 다공질 구조를 구비하고 있다. 예를 들면, 도 1의 (A)에 나타낸 바와 같이, 통수성 막(4)에는 코어부(3)와 외부 환경을 연통시키는 연통공(6)이 형성된다. 연통공(6)은 통수성 막(4)이 본래 가지는 미세공보다 큰 사이즈를 가지므로, 연통공(6)은 당연히 수분도 통과 가능하며, 그 결과 코어부(3)와 외부 환경의 사이의 통수성도 향상된다. 그리고, 본 실시 형태에서는 통수성 막(4)을 다공질 구조로 하고, 통수성 막(4)에 직접 연통공(6)을 형성하고 있지만, 천연 광물이나 합성 고분자 발포재 등의 다공질 필러(filler)를 통수성 막(4)에 혼합하고, 다공질 필러를 통하여 연통공(6)을 형성할 수도 있다. 통수성 막(4)에 형성되는 연통공(6)의 직경은, 1∼2000 ㎛로 설정되고, 10∼900 ㎛로 설정되는 것이 바람직하고, 300∼900 ㎛로 설정되는 것이 더욱 바람직하다.

통수성 막(4)의 재질은, 물에 불용성이며 산화되기 어려운 것이 바람직하고, 예를 들면, 수지 재료가 있다. 이와 같은 수지 재료로서, 예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀계 수지, 폴리염화 비닐, 폴리염화 비닐리덴 등의 염화 비닐계 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스테르계 수지, 폴리스티렌 등의 합성 수지계 수지가 있다. 이들 중에서, 폴리에틸렌이 바람직하다. 또한, 수지 재료 대신, 폴리에틸렌글리콜, 아크릴아미드 등의 고분자 겔화제, 알긴산염이나 카라기난 등의 천연 다당류계 겔화제, 천연 고무나 실리콘 고무 등의 고무계 코팅제 등을 사용하는 것도 가능하다.

섬유 괴상체(1)를 설계하는데 있어서, 코어부(3)의 보수성을 더욱 높이는 것도 가능하다. 예를 들면, 코어부(3)가 보수성 재료를 가지도록 구성한다. 이 경우에, 섬유 괴상체(1)는, 코어부(3)가 본래 가지는 섬유(2) 사이의 공극(5)에 의한 보수성에 더하여, 보수성 재료에 의한 보수력를 구비할 수 있다. 보수성 재료를 코어부(3)에 도입하는 방법으로서, 예를 들면, 섬유(2)를 조립하여 코어부(3)를 형성할 때 보수성 재료를 첨가한다. 또한, 섬유(2)의 표면을 보수성 재료로 코팅하는 방법도 유효하다. 이들 방법에 의해 코어부(3)에 도입된 보수성 재료는, 코어부(3)의 공극(5)에서 노출되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우에, 섬유 괴상체(1)는 공극(5)의 보수력이 크게 향상되므로, 예를 들면, 사막 등의 건조한 환경에 첨가하는 토양 개량재로서 바람직하게 이용할 수 있다.

보수성 재료는, 흡수성을 가지는 고분자 보수재를 사용할 수 있다. 예를 들면, 폴리아크릴산염계 폴리머, 폴리술폰산염계 폴리머, 폴리아크릴아미드계 폴리머, 폴리비닐알코올계 폴리머, 폴리알킬렌옥사이드계 폴리머 등의 합성 고분자계 보수성 재료, 폴리아스파라긴산염계 폴리머, 폴리글루타민산염계 폴리머, 폴리알긴산염계 폴리머, 셀룰로오스계 폴리머, 전분 등의 천연 고분자계 보수성 재료가 있다. 이들 보수성 재료는, 2종 이상을 조합하여 사용하는 것도 가능하다. 또한, 보수성 재료로서, 세라믹스 등의 다공질재를 사용하는 것도 가능하다.

<섬유 괴상체의 제조 방법>

섬유 괴상체(1)의 제조 방법으로서는, 예를 들면, 면 또는 비닐론 등의 섬유(2)를 카딩 장치 등으로 가지런하게 정렬하고, 3∼10 ㎜ 정도의 길이로 절단하고, 절단한 섬유(2)를 전동(轉動) 조립, 유동층 조립, 교반 조립, 압축 조립, 압출 조립 등의 방법에 의해 입상(粒狀)으로 조립하여, 코어부(3)를 형성한다. 조립 시에, 섬유(2)에 수지나 풀 등의 바인더를 혼합하면, 코어부(3)를 효율적으로 형성할 수 있다. 바인더는, 유기 바인더 또는 무기 바인더 중 어느 쪽도 사용 가능하다. 유기 바인더는, 예를 들면, 폴리올레핀계 바인더, 폴리비닐알코올계 바인더, 폴리우레탄계 바인더, 폴리아세트산 비닐계 바인더 등의 합성 수지계 바인더, 전분, 카라기난, 잔탄검, 젤란검, 알긴산 등의 다당류, 아교 등의 동물성 단백질 등의 천연물계 바인더가 있다. 무기 바인더는, 예를 들면, 물유리(liquid glass) 등의 규산계 바인더, 인산 알루미늄 등의 인산염계 바인더, 붕산 알루미늄 등의 붕산염계 바인더, 시멘트 등의 수경성(水硬性) 바인더가 있다. 유기 바인더 및 무기 바인더는, 2종 이상을 조합하여 사용하는 것도 가능하다. 그리고, 섬유(2)로서 얽히기 쉬운 것(예를 들면, 굴곡한 섬유)을 사용하는 경우, 조립 공정을 행하는 것만으로 섬유(2)가 서로 용이하게 얽히기 때문에, 이 경우에는 특히 바인더를 사용하지 않아도 코어부(3)의 형성이 가능하게 된다.

다음으로, 조립한 코어부(3)를 용기로 옮기고, 코어부(3)의 체적(점유 용적)의 절반 정도의 물을 첨가하여, 코어부(3)의 공극(5)에 물을 스며들게 한다. 또한, 물을 스며들게 한 코어부(3)에, 코어부(3)의 체적의 1/3∼1/2의 폴리에틸렌 에멀젼을 첨가한다. 폴리에틸렌 에멀젼에는, 안료, 향료, 살균제, 항균제, 악취 제거제, 살충제 등의 첨가물을 혼합해 두는 것도 가능하다. 그리고, 코어부(3)의 외표부에 폴리에틸렌 에멀젼이 균일하게 부착되도록 전동시키면서, 코어부(3)의 외표부로부터 폴리에틸렌 에멀젼을 함침시킨다. 이 때, 코어부(3)의 중심부에는 물이 스며들어 있으므로, 폴리에틸렌 에멀젼은 코어부(3)의 외표부 부근에서 머문다. 그 후, 폴리에틸렌 에멀젼이 부착된 코어부(3)를 오븐에서 60∼80 ℃에서 건조시키고, 이어서, 100℃에서 폴리에틸렌을 용융시켜, 코어부(3)의 외표부 부근의 섬유(2)에 폴리에틸렌을 융착시켜 통수성 막(4)을 형성한다. 이로써, 코어부(3)는 외표부가 폴리에틸렌의 통수성 막(4)으로 피복되고, 강도 및 내구성을 가지는 섬유 괴상체(1)가 완성된다. 통수성 막(4)은, 폴리에틸렌이 용융할 때 폴리에틸렌 에멀젼에 포함되어 있던 용매가 증발하여, 다공질 구조가 형성된다. 다공질 구조는, 코어부(3)와 외부 환경을 연통하는 연통공(6)으로서 기능한다. 얻어진 섬유 괴상체(1)는, 필요에 따라, 건조 및 분급(分級)이 행해져서, 입경이 조정된다.

코어부(3)를 조립하는데 있어서, 섬유(2)로서 단섬유를 사용하는 경우에는, 단섬유를 교반 혼합 조립 장치에서 교반하면서 폴리에틸렌 에멀젼을 소량씩 투입하여 조립한다. 이로써, 코어부(3)를 형성하는 단섬유끼리 일부에서 고정화되어 견고한 코어부(3)를 형성할 수 있다. 그리고, 단섬유에 먼저 물을 첨가하여 조립하고, 그 후, 폴리에틸렌 에멀젼을 첨가하여 코어부(3)를 완성하는 것도 가능하다.

<섬유 괴상체를 사용한 인공 토양>

도 3은, 본 발명에 따른 섬유 괴상체(1)를 인공 토양 입자로서 사용한 인공 토양(10)에 식물을 심은 상태를 모식적으로 나타낸 설명도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 섬유 괴상체(1)는, 복수의 섬유 괴상체(1)가 집합된 단립(團粒) 구조의 상태로, 섬유 괴상체(1) 사이에 일정한 간극(11)을 형성한다. 이 간극(11)은, 공기 및 물이 통과할 수 있으므로, 식물에 필요한 수분을 유지하면서 여분의 수분을 배출할 수 있다. 인공 토양(10)이 습윤 상태로 된 경우, 간극(11)으로부터 여분의 수분을 배출하고, 인공 토양(10)이 건조 상태로 된 경우에는, 간극(11)의 모세관 현상에 의해, 주위에 존재하는 수분을 빨아들일 수 있다. 이와 같이, 인공 토양(10)은, 인접하는 섬유 괴상체(1) 사이에 형성되는 간극(11)에 의해, 식물에 필요한 수분을 확보하면서, 여분의 수분을 배수할 수 있어, 우수한 통기성 및 배수성을 실현하고 있다. 또한, 간극(11)은, 식물의 뿌리(20)가 성장하기 위한 공간을 제공하므로, 식물의 뿌리(20)가 뻗어나가기 용이하며, 나아가서는 식물의 성장을 촉진시킬 수 있다.

인공 토양(10)에 사용하는 섬유 괴상체(1)의 입경은, 재배 대상의 식물에 따라 적절하게 선택되지만, 바람직하게는 1∼10 ㎜이며, 보다 바람직하게는 2∼8 ㎜이며, 더욱 바람직하게는 2∼5 ㎜이다. 섬유 괴상체(1)의 입경이 전술한 범위이면, 섬유 괴상체(1) 사이에 적절한 간극이 형성되어, 양호한 통기성과 배수성 등을 실현할 수 있다. 섬유 괴상체(1)의 입경이 1 ㎜ 미만인 경우, 간극(11)의 사이즈가 작아져, 간극(11)의 모세관력에 의해 수분이 과잉으로 유지되게 된다. 그 결과, 배수성이 저하되는 것에 의해 식물의 뿌리(20)로부터 산소를 흡수하기 어려워져, 뿌리가 썩을 우려가 있다. 또한, 섬유 괴상체(1)의 입경이 1 ㎜ 미만이 되면, 생성뙨 입자는 섬유 그 자체와 성상(性狀)이 별로 다르지 않게 되므로, 섬유 괴상체(1)로서 기능하는 것이 곤란하게 될 가능성이 있다. 한편, 섬유 괴상체(1)의 입경이 10 ㎜를 초과하는 입자는 제작이 곤란하고, 만일 입경이 10 ㎜를 초과하는 입자를 얻을 수 있다고 해도, 간극(11)의 사이즈가 커져서 배수성이 지나치게 과잉으로 되어 식물이 충분한 수분을 흡수하기 어려워지거나, 인공 토양(10)이 성기게 되어 식물이 옆으로 쓰러질 우려가 있다. 섬유 괴상체(1)의 입경은, 체거름(sieving)에 의해 조정할 수 있다. 섬유 괴상체(1)의 입경은, 이하의 측정법에 의해 구해진다. 먼저, 측정 대상의 섬유 괴상체를 스케일과 함께 카메라 또는 현미경으로 관찰하고, 그 화상을 화상 처리 소프트웨어(2차원 화상 해석 처리 소프트웨어 「WinROOF」, 미타니 상사 주식회사 제조)를 사용하여 취득한다. 화상으로부터 100개의 섬유 괴상체를 선택하고, 섬유 괴상체의 윤곽을 트레이싱한다. 트레이싱한 도형의 둘레 길이로부터, 상당원의 직경을 산출한다. 각각의 섬유 괴상체로부터 구한 상당원의 직경(100개)의 평균을 평균 사이즈(단위: 픽셀)로 한다. 그리고, 평균 사이즈를 화상 중의 스케일과 비교하여, 단위 길이(㎛오더 내지 ㎜오더)로 변환하여, 섬유 괴상체의 입경을 산출한다. 또한, 섬유 괴상체(1)를 구성하는 섬유(2)의 사이즈, 통수성 막(4)의 막 두께, 통수성 막(4)에 형성되는 연통공(6)의 직경에 대해서도, 이 화상 처리를 사용한 측정법에 의해 구할 수 있다.

섬유 괴상체(1)는, 코어부(3)를 통수성 막(4)으로 피복하고 있으므로, 우수한 보수성 및 통기성을 실현하고 있다. 섬유 괴상체(1)는, 코어부(3)에 수분이 포화 상태로 유지되어 있는 습윤 상태와, 코어부(3)에 수분이 포화 상태로 유지되어 있지 않은 통기 가능 상태의 사이에서, 수분 유지량을 조정 가능하다. 습윤 상태란, 더 이상 수분을 유지할 수 없는 상태이며, 예를 들면, 후술하는 pF 값이 0에 가까운 상태를 의미한다. 통기 가능 상태란, 수분을 유지할 수 있는 상태이며, 예를 들면, pF 값이 0보다 큰 2∼7 정도인 상태를 의미한다. 예를 들면, 도 3에 나타낸 바와 같이, 식물의 뿌리(20)는, 인접하는 섬유 괴상체(1)의 간극(11)으로 신장(伸長)하여, 인공 토양(10)의 간극(11)에 존재하는 수분을 빨아들인다. 섬유 괴상체(1)는, 수분의 받아들임 및 방출이 가능하므로, 외부 환경이 건조 상태가 되면, 섬유 괴상체(1)의 코어부(3)로부터 통수성 막(4)을 통하여 식물의 뿌리(20)에 수분을 공급할 수 있다. 즉, 적어도 일부의 물이 섬유 괴상체(1)로부터 외부 환경에 방출되고, 그 물의 방출에 의해 형성된 섬유 괴상체(1)의 공극(5)에 연통공(6)을 통하여 공기가 침입한다. 이 때, 식물의 뿌리(20)로부터 분기(分岐)된 모세근(21)은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 섬유 괴상체(1)의 연통공(6)으로부터 코어부(3)에 용이하게 침입할 수 있게 된다. 섬유 괴상체(1)의 내부에 물이 잔존하는 경우, 그 물은 코어부(3)의 공극(5)에 유지되어 있으므로, 섬유 괴상체(1)로부터 외부 환경에 쉽게 방출되지 않지만, 섬유 괴상체(1)의 내부에 침입한 식물의 모세근(21)은 코어부(3)의 공극(5)에 도달하고, 이 유지되어 있는 나머지 물도 적극적으로 빨아들이는 것이 가능하게 된다. 이와 같이, 섬유 괴상체(1)를 사용한 인공 토양(10)은, 인공 토양(10) 중에 유지된 수분을 식물이 유효하게 이용할 수 있으므로, 장기간 물을 주지 않아도 식물이 시들지 않게 되어 육성 불량 등을 방지할 수 있다.

본 발명의 섬유 괴상체(1)는, 인공 토양(10)으로서 우수한 보수성을 가지고 있으므로, 지금까지 주로 수경 재배되고 있던 잎채소의 육성에 적용할 수도 있다. 여기서, 인공 토양(10)의 보수성은 pF 값을 지표로서 나타낼 수 있다. pF 값이란, 물기둥의 높이로 나타낸 토양 수분의 흡인압의 상용로그값을 일컬으며, 토양 중의 수분이 토양의 모세관력에 의해 끌어당겨지는 강도의 정도를 나타낸 값이다. pF 값이 2.0일 때, 물기둥 100 cm의 압력(압력 수두(pressure hydraulic head))에 상당한다. 또한, pF 값은 토양의 습한 정도를 나타내는 지표(指標)이기도 하며, 토양이 충분히 수분을 포함하고 있으면 pF 값은 낮아지고, 식물의 뿌리(20)가 수분을 흡수하기 쉬운 상태로 된다. 한편, 토양이 건조하면 pF 값은 높아지고, 식물의 뿌리(20)가 수분을 흡수하기 위해서는 큰 힘을 요한다. 토양 중의 간극에 공기가 존재하지 않고, 모두 물로 충전되어 있는 상태가 pF 값 0이고, 100℃의 열건(熱乾) 상태의 토양이며, 토양과 화합한 물밖에 존재하지 않는 상태가 pF 값 7이 된다.

일반적인 토양의 경우, 식물을 재배 가능한 pF 값은 1.5∼2.7의 범위이지만, 식물을 충분히 생육시키기 위해서는 pF 값을 1.7∼2.7의 범위, 바람직하게는 1.7∼2.3의 범위로 설정한다. pF 값이 1.7∼2.7의 범위에 있어서, 체적 함수율이 10 mL/100 mL(즉, 체적함수율 10%)보다 작은 토양이면, 주는 물의 양과 타이밍을 맞추기 어려워, 항상 가습 상태로 되거나, 즉시 건조 상태로 되어, 뿌리가 썩거나, 물 부족으로 식물이 쉽게 고사하게 된다. 본 발명의 섬유 괴상체(1)는, 코어부(3)에 많은 물을 유지할 수 있으므로, 장기간에 걸쳐 건조하지 않으며, 식물을 충분히 생육시키는 것이 가능하다. 또한, pF 값이 1.5 이하인 상황이라도, 섬유 괴상체(1)의 사이에 충분한 공극이 존재하고, 통기성이 확보되어 있으므로, 일반 토양과 같은 물을 지나치게 많이 주는 것에 의해 뿌리가 쉽게 썩지 않게 된다. 주는 물의 양과 타이밍을 신경 쓰지 않고, 듬뿍 물을 주었다고 하더라도, 지중 환경은 거의 일정하였다. 이로써, 근채류 뿐만 아니라 잎 채소의 재배도 가능해지며, 인공 토양(10)으로서의 용도가 확대된다.

도 4는, 본 발명에 따른 섬유 괴상체(1)를 사용한 인공 토양의 수분 유지 곡선을 예시하는 그래프이다. 섬유 괴상체(1)를 인공 토양 입자로서 사용한 경우에서의 압력 수두(cmH₂O)와 체적함수율(%)의 관계를 나타낸 것이다. 이 그래프에서는, [a] 입자 직경이 비교적 작은 0.75∼2 ㎜의 섬유 괴상체(○), [b] 입자 직경이 비교적 큰 4 ㎜ 이상의 섬유 괴상체(□), 및 [c] 입자 직경의 분포가 넓은 0.75∼10 ㎜의 섬유 괴상체(△)의 3 종류에 대하여, 각 섬유 괴상체를 인공 토양 입자로서 사용한 경우의 수분 유지 곡선을 나타내고 있다. 예를 들면, [b]의 그래프를 보면, 압력 수두가 50 cmH₂O 이하의 pF 값이 낮은 영역에 있어서, 체적함수율의 변동 폭이 약 5%로부터 30% 초과까지 브로드(broad)하게 넓어지고 있는 것을 알 수 있다. 인공 토양으로의 관수(灌水) 시에 이 브로드한 영역을 이용하면, 섬유 괴상체(1)의 코어부(3)에서의 수분 유지량을 「습윤 상태」와 「통기 가능 상태」의 사이에서 폭 넓게 조정할 수 있다. 또한, [a]∼[c]의 그래프의 비교에서는, 섬유 괴상체(1)의 입자 직경을 변경함으로써, 동일한 압력 수두에서도 체적함수율을 조정할 수 있는 것에 대하여 시사되어 있다. 예를 들면, 압력 수두 100 cmH₂O에 상당하는 pF 값 2.0에서는, 섬유 괴상체의 입자 직경을 0.75∼4 ㎜의 범위에서 변경하면, 체적함수율로서 약 0∼9 %의 범위에서 섬유 괴상체(1)의 코어부(3)에서의 수분 유지량(즉, 보수성)을 「습윤 상태」와 「통기 가능 상태」의 사이에서 조정할 수 있다.

섬유 괴상체(1)를 천연 토양에 대신하는 인공 토양(10)으로서 사용하는 경우, 섬유 괴상체(1)에, 식물의 양분인 질산태 질소(NO₃ ^-), K^＋, Ca² ^＋, Mg² ^＋ 등을 유지하는 능력을 구비하는 것이 바람직하다. 이들 양분을 유지하는 능력을 충분히 구비하고 있지 않은 경우, 예를 들면, 화학 비료 등을 인공 토양(10)에 공급해도 관수 등에 의해 양분이 유출되어 식물이 유효하게 양분을 이용하지 못하고, 생육 불량으로 될 우려가 있다.

천연 토양은, 양이온을 받아들이는 성질을 가지고 있으므로, K^＋, Ca² ^＋, Mg² ^＋, 및 암모니아태 질소(NH₄ ^＋)를 유지하는 능력, 즉 보비성(保肥性)을 구비하고 있다. 식물은 질소원으로서 암모니아태 질소를 유효하게 이용할 수 없지만, 천연 토양에는 질화균이 항상 존재하므로, 이 질화균이 암모니아태 질소를 식물에 필요한 질산태 질소로 변환하고, 식물에 공급하고 있다. 따라서, 섬유 괴상체(1)를 천연 토양에 대신하는 인공 토양(10)으로서 사용하는 경우에는, 섬유 괴상체(1)에 이온 교환능을 부여하고, 보비성을 구비할 필요가 있다.

여기서, 식물에 필요한 양분은, 질산태 질소(NO₃ ^-), K⁺, Ca² ^＋, Mg² ⁺이므로, 섬유 괴상체(1)는 이들 양분을 유지하기 위하여, 양(兩) 이온의 흡착능을 가질 필요가 있다. 따라서, 섬유 괴상체(1)를 형성할 때, 양이온 교환 필러 및 음이온 교환 필러를 첨가하고, 외부 환경으로부터 받아들여진 수분에 포함되는 질산태 질소(NO₃ ^-), K^＋, Ca² ^＋, Mg² ^＋를 포함하는 이온을 섬유 괴상체(1) 내에 흡착 가능하도록 한다. 그리고, NO₃ ^-는, 하천이나 지하수의 오염 물질이지만, 섬유 괴상체(1)에 음이온 교환 필러를 첨가하면, 질산태 질소의 양분을 많이 공급하더라도, NO₃ ^-를 섬유 괴상체(1) 내에 유지할 수 있으므로, 수환경(水環境)으로의 유출은 억제된다.

섬유 괴상체(1)에 이온 교환능을 부여하기 위하여, 코어부(3)의 공극(5) 및 통수성 막(4) 중 적어도 어느 한쪽에, 양이온 교환 필러 및 음이온 교환 필러를 첨가하는 것이 바람직하다. 코어부(3)에 이온 교환능을 부여하는 경우에는, 섬유(2)를 조립할 때 양이온 교환 필러 및 음이온 교환 필러를 혼합하여 조립하면 되고, 통수성 막(4)에 이온 교환능을 부여하는 경우에는, 피복하는 합성 수지 또는 겔화제에 양이온 교환 필러 및 음이온 교환 필러를 혼합하고, 코어부(3)의 외표부에 피복하면 된다. 또한, 양이온 교환 필러 및 음이온 교환 필러를 코어부(3) 및 통수성 막(4)의 각각에 첨가할 수도 있고, 양이온 교환 필러 및 음이온 교환 필러를 따로따로 코어부(3) 및 통수성 막(4)에 첨가할 수도 있다.

양이온 교환 필러는, 예를 들면, 몬모릴로나이트, 벤토나이트, 바이델라이트, 헥토라이트, 사포나이트, 스티븐사이트 등의 스멕타이트계 광물, 운모계 광물, 버미큘라이트, 제올라이트, 부식(腐植), 양이온 교환 수지 등이 있다. 상기 양이온 교환 수지는, 예를 들면, 약산성 양이온 교환 수지, 강산성 양이온 교환 수지가 있다. 이들 중에서, 본 실시 형태에 사용하는 양이온 교환 필러로서는, 제올라이트, 또는 벤토나이트가 바람직하다. 양이온 교환 필러는, 2종 이상을 조합하여 사용하는 것도 가능하다.

양이온 교환 필러에서의 양이온 교환 용량은, 일반적으로, 5∼50 meq/100 g 정도로 설정된다. 양이온 교환 용량이 5 meq/100 g보다 작으면, 섬유 괴상체(1)의 내부에 양분을 충분히 받아들이지 못하며, 받아들여지지 않았던 양분이 관수 등에 의해 유실될 우려가 있다. 한편, 양이온 교환 용량을 50 meq/100 g보다 크게 해도, 보비력은 크게는 향상되지 않아, 경제적이지 않다.

음이온 교환 필러는, 예를 들면, 하이드로탈사이트, 마나세이트, 파이로오라이트, 쉐그렌석(sjogrenite), 녹청(綠靑) 등의 주골격으로서 복수산화물(複水酸化物)을 가지는 천연 층상 복수산화물, 합성 하이드로탈사이트 및 하이드로탈사이트 유사 물질, 알로페인(allophane), 이모골라이트, 카올린 등의 점토 광물, 음이온 교환 수지 등이 있다. 상기 음이온 교환 수지는, 예를 들면, 약염기성 음이온 교환 수지, 강염기성 음이온 교환 수지 등이 있다. 이들 중에서, 본 실시 형태에 사용하는 음이온 교환 필러로서는, 하이드로탈사이트가 바람직하다. 음이온 교환 필러는, 2종 이상을 조합하여 사용하는 것도 가능하다.

음이온 교환 필러에서의 음이온 교환 용량은, 일반적으로, 5∼50 meq/100 g 정도로 설정된다. 음이온 교환 용량이 5 meq/100 g보다 작으면, 섬유 괴상체(1)의 내부에 양분을 충분히 받아들이지 못하고 받아들여지지 않았던 양분이 관수 등에 의해 유실될 우려가 있다. 한편, 음이온 교환 용량을 50 meq/100 g보다 크게 해도, 보비력은 크게는 향상되지 않아, 경제적이지 않다.

또한, 섬유 괴상체(1)의 통수성 막(4)에 질화균, VA균근균 등의 식물의 육성에 유용한 미생물을 고정화하고, 이 섬유 괴상체(1)를 인공 토양(10)에 사용할 수도 있다. 이로써, 식물의 성장을 촉진시킬 수 있다. 섬유 괴상체(1)에 질화균을 고정화한 경우에는, 양분으로서, 질산태 질소가 아닌 암모니아태 질소만을 부여하는 것도 가능하게 된다. 이로써, 비료로서 고가의 질산태 질소를 사용할 필요가 없어지므로, 식물의 재배 비용을 낮출 수 있다.

섬유 괴상체(1)를 인공 토양 입자로서 사용한 인공 토양(10)은, 천연 토양을 전혀 사용하고 있지 않음에도 불구하고, 토양으로서의 기본 성능(보수성, 배수성, 통기성, 보비성)을 발휘할 수 있다. 따라서, 병해충이나 미생물 등에 오염될 걱정이 없기 때문에, 가정 내나, 폐쇄형 식물 공장 등의 옥내에서 안전하게 사용할 수 있다. 또한, 폐쇄형 식물 공장에서는, 수경 재배가 행해지는 경우가 많으므로, 지금까지는 근채류나 초장(草丈)이 높은 식물을 재배하는 것은 곤란했지만, 인공 토양(10)은 성장한 식물의 뿌리(20)를 지지할 수 있으므로, 근채류나 초장이 높은 식물의 재배도 용이하게 된다.

또한, 본 실시 형태의 섬유 괴상체(1)는, 양이온 교환 필러 및 음이온 교환 필러를 구비하고 있으므로, 수환경 중에 존재하는 인산 이온, 암모늄 이온 등의 양이온이나, 질산 이온 등의 음이온을 제거하여, 수환경을 개선할 수 있다. 따라서, 섬유 괴상체(1)는, 배수 처리 등의 수처리에도 바람직하게 이용할 수 있다.

실시예

본 발명의 섬유 괴상체는, 특히 인공 토양 입자로서 바람직하게 사용할 수 있다. 이에, 인공 토양 입자를 상정한 섬유 괴상체의 실시예에 대하여 설명한다. 실시예로서 9종류의 섬유 괴상체를 제작하였다(실시예 1∼9). 이 9종류의 섬유 괴상체 중, 실시예 1∼3에 따른 섬유 괴상체에 대하여, 인공 토양 입자에 요구되는 특성을 평가했다. 평가 항목은, 후술하는 「시험·평가 방법」에서 설명하는 11항목이다. 실시예 1∼3에 따른 섬유 괴상체의 제작 수순을 이하에서 설명한다. 또한, 비교 대상으로서, 인공 토양이 아닌 토양(비교예 1∼3)의 특성을 실시예 1∼3과 마찬가지로 평가했다. 비교예 1 및 2는 시판중인 반 인공 토양이며, 비교예 3은 시판 중인 천연 토양이다.

[실시예 1]

섬유 괴상체를 구성하는 섬유로서, 천연 섬유인 면을 사용하였다. 면을 카딩 장치에서 가지런하게 정렬하고, 3∼10 ㎜ 정도의 길이로 절단하여, 회전하는 2장의 판에 넣고 굴려서 구형의 코어부를 형성하였다. 구형의 코어부에 체적의 절반 정도의 물을 첨가하여, 섬유 중에 물을 스며들게 했다. 이어서, 폴리에틸렌 에멀젼(세폴젼(등록상표) G315, 스미토모 세카 주식회사 제조, 농도 40 중량%)을 체적의 1/2이 되도록 부가하여 외표부에 에멀젼이 균일하게 부착되도록 굴리면서 함침시켰다. 에멀젼이 함침한 코어부를 오븐에서 60℃에서 건조한 후, 100℃에서 에멀젼 중의 폴리에틸렌을 용융시켜 섬유에 융착시킴으로써, 코어부의 외표부가 다공질 폴리에틸렌의 통수성 막으로 피복된 섬유 괴상체를 제작하였다. 완성된 섬유 괴상체의 입경은, 1∼10 ㎜의 범위 내였다.

[실시예 2]

섬유 괴상체를 구성하는 섬유로서, 합성 섬유인 비닐론 단섬유(주식회사 크라레 제조)를 사용하였다. 비닐론 단섬유는, 길이가 0.5 ㎜, 섬유 직경이 25㎛이며, 외관상 용적은 1000 cc였다. 비닐론 단섬유를 교반 혼합 조립 장치(유한 회사 G-Labo 제조)로 교반하고, 전동시키면서 실시예 1에서 사용한 폴리에틸렌 에멀젼을 약 10배로 희석한 것을 부가하여 조립하고, 내부에 폴리에틸렌 에멀젼을 함침시킨 입자형의 코어부를 형성하였다. 이어서, 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 폴리에틸렌 에멀젼을 체적의 1/2이 되도록 부가하여 외표부에 에멀젼이 균일하게 부착되도록 굴리면서 함침시켰다. 에멀젼이 함침한 코어부를 오븐에서 60℃에서 건조한 후, 100℃에서 에멀젼 중의 폴리에틸렌을 용융시켜 섬유에 융착시킴으로써, 코어부를 형성하는 비닐론 단섬유끼리를 고정화하고, 또한 코어부의 외표부가 다공질 폴리에틸렌의 통수성 막으로 피복된 섬유 괴상체를 제작하였다. 완성된 섬유 괴상체의 입경은, 1∼10 ㎜의 범위 내였다.

여기서, 본 실시예의 섬유 괴상체의 표면을 촬영한 현미경 사진을 도 5에 나타내었다. (A)는 섬유 괴상체의 표면의 일부를 촬영한 사진이며, (B)는 (A)의 확대 사진이다. (A)를 보면, 섬유 괴상체는 코어부의 표면 전체가 폴리에틸렌의 통수성 막으로 덮혀 있고, 주위보다 약간 어둡게 찍힌 타원으로 둘러싼 영역이 코어부로의 연통공이 되어 있다. 또한, (B)를 보면, 코어부를 형성하는 비닐론 단섬유의 표면에 미세한 폴리에틸렌 입자가 응집하여 통수성 막이 형성되어 있다. 폴리에틸렌 입자의 사이는 완전히는 막혀 있지 않고, 이로써, 통수성 막의 표면 전체에 수분이 통과할 수 있는 미세공이 형성되어 있다. 통수성 막의 표면에 수분이 부착되면, 그 수분은 즉시 내부에 흡수된다. 통수성 막의 막 두께를 크게 한 경우라도 마찬가지이다. 이러한 사실로부터, 통수성 막의 표면에는 무수한 미세공이 존재하고 있는 것이 추인(推認)된다.

[실시예 3]

외관상 용적으로 1000 cc의 셀룰로오스 단섬유(길이 0.2∼0.3 ㎜, 레텐마이어사 제조, 「아보셀(등록상표)」)를 섬유로서 사용하고, 실시예 2와 동일한 수순에 의해, 코어부의 외표부가 다공질 폴리에틸렌의 통수성 막으로 피복된 섬유 괴상체를 제작하였다. 완성된 섬유 괴상체의 입경은, 1∼5 ㎜의 범위 내였다.

<시험·평가 방법>

(1) 보수성: 크로마토관에 시험 대상의 토양을 충전하고, 토양 전체가 물에 잠기도록 물을 주입하고, 1시간 정치한 후, 크로마토관의 하부로부터 물을 빼고, 3분간 크로마토관으로부터 낙수하지 않게 되었을 때의 보수량을 측정하고, 시험 대상의 토양 100 cc에 대한 보수량으로 환산하여 보수성으로 하였다. 그리고, 보수량은, 크로마토관에 시험 대상의 토양을 140 cc 충전하고, 상부로부터 물을 가하여 소정 시간 후의 중량을 측정하고, 사전에 측정해 둔 시험 대상의 토양의 중량을 빼는 것에 의해 측정하였다.

(2) 산수(散水; 물뿌림) 보수량: 크로마토관에 시험 대상의 토양을 충전하고, 산수 110 ml(10 ml×5회＋20 ml×3회)를 3분∼5분 간격으로 크로마토관의 상부로부터 주입하고, 3분간 크로마토관으로부터 낙수하지 않게 되었을 때의 보수량을 측정하고, 시험 대상의 토양 100 cc에 대한 보수량으로 환산하여 살수 보수량으로 하였다. 보수량의 측정은, 상기 (1)과 동일하게 행하였다.

(3) 흡수 속도: 보수성에 대한 산수 보수량의 비율을 흡수 속도(%)로 하였다.

(4) 통기성: 크로마토관에 시험 대상의 토양을 충전하고, 시험 대상의 토양의 포화 함수(含水) 시에 있어서, 크로마토관의 하부로부터 상부를 향해 공기를 1 L/분, 0.06 MPa로 유입하고, 출구의 유량을 측정하여 통기성으로 하였다.

(5) 경량성: 시험 대상의 토양을 건조한 후, 100 cc당 건조 중량을 구하여 경량성으로 하였다.

(6) 입자 강도: 시험 대상의 토양 입자에 무게 2.5 kg의 하중을 가하여, 토양 입자가 변형되거나 파괴되는 것을 육안 관찰에 의해 평가했다. 토양 입자의 외관에 변화가 없는 경우, 「없음」으로 했다.

(7) 단수(斷水) 생육성: 하부에 구멍을 뚫은 150 cc의 용기에 시험 대상의 토양을 넣고, 포화 함수 후에 발아 10일 후의 래디시(radish)를 이식(移植)하고, 관수하지 않고 래디시가 시들 때까지의 날짜(생존 기간)를 관찰했다.

(8) 옮겨 심기 작업성: 식물을 옮겨 심기 또는 씨를 뿌릴 때, 시험 대상의 토양에 의해, 손이나 바닥이 더러워진 상태를 평가했다.

(9) 산수 시 배수 상태: 시험 대상의 토양에 산수했을 때, 배수에 착색이나 고형분이 유출되는지의 여부를 관찰했다.

(10) 경시(經時) 변화: 식물의 재배에 사용한 시험 대상 토양의 입자 형상의 경시 변화를 육안 관찰에 의해 평가했다.

(11) 외관(인상): 투명한 용기에 시험 대상의 토양을 넣고, 색이나 형상에 대하여 외관의 인상을 육안 관찰에 의해 평가했다.

실시예 1∼3의 섬유 괴상체(인공 토양), 및 비교예 1∼3의 시판 토양의 평가 결과를 표 1에 정리하여 나타내었다.

[표 1]

표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1∼3의 인공 토양은, 비교예 1 및 비교예 2의 반 인공 토양과 비교하여, 보수성 및 산수 보수성에 있어서 높은 값을 나타낸다. 특히, 실시예 3의 인공 토양은, 보수성 및 산수 보수성의 측정값이 매우 높아, 극히 우수하였다. 인공 토양의 장점인 흡수 속도에 대해서는, 실시예 1∼3의 인공 토양은, 비교예 1의 반 인공 토양보다 우수한 결과가 되었고, 실시예 1 및 2의 인공 토양은, 비교예 2의 반 인공 토양에 대하여 거의 동등한 결과가 되었다. 인공 토양의 장점인 통기성에 관해서는, 실시예 1∼3의 인공 토양은, 비교예 1 및 비교예 2과 동등한 결과가 되었다. 또한, 실시예 1∼3의 인공 토양은, 비교예 3의 천연 토양과 비교하여, 흡수 속도 및 통기성에 있어서 높은 값을 나타내고, 천연 토양의 장점인 보수성 및 산수 보수성에 있어서도 동등하거나 그 이상의 결과를 나타내었다. 또한, 실시예 1∼3의 인공 토양은, 단수 생육성에 있어서도 비교예 1보다 우수한 결과가 되고, 비교예 2 및 비교예 3에 대해서 거의 동등한 결과이므로, 식물에 필요한 물의 유지 능력이 높은 것이 나타났다. 이들 결과로부터, 실시예 1∼3의 인공 토양은, 천연 토양의 장점인 보수성과 반 인공 토양의 장점인 통기성을 겸비하고 있어 천연 토양의 대체품으로서 바람직하게 이용할 수 있는 것이 나타났다.

입자 강도에 대해서는, 실시예 1∼3의 인공 토양은 강도가 강하고, 경시 변화도 적으므로, 재이용에도 적합한 것으로 여겨진다. 또한, 실시예 1∼3의 인공 토양은, 비교예 1∼3의 토양과 비교하여 경량이며, 특히 실시예 3의 인공 토양은 극히 경량이므로, 건물의 옥상이나 아파트의 베란다 등에 있어서 바람직하게 이용할 수 있는 것이다. 또한, 실시예 1∼3의 인공 토양은, 옮겨 심기 작업성이 양호할 뿐만 아니라 산수 시의 배수에 거의 더러움이 없고, 외관이 백색으로 청결감이 있어, 안료에 의해 착색도 행할 수 있으므로, 인테리어성이 높은 실내용 인공 토양으로서 바람직하게 이용할 수 있다.

<보비성을 가지는 섬유 괴상체>

본 발명의 섬유 괴상체에 있어서, 보비성을 부여할 수 있다면, 원래 보수성이 높은 섬유 괴상체에 보비성이 더해져, 토양으로서의 밸런스가 우수한 인공 토양 입자로 만들 수 있다. 이에, 실시예 4∼9로서, 섬유에 이온 교환성 필러를 첨가하여 조립한 섬유 괴상체(인공 토양 입자)를 제작하고, 각 섬유 괴상체의 보비성을 양이온 교환 용량(CEC)으로서 평가했다. 양이온 교환 용량(CEC)의 평가 시에는, 후지히라공업 주식회사에서 제조한 범용 추출·여과 장치 「CEC-10 Ver.2」를 사용하여 인공 토양 입자의 추출액을 제작하고, 이것을 양이온 교환 용량 측정용 시료로 하였다. 양이온 교환 용량 측정용 시료를 후지히라공업 주식회사에서 제조한 토양·작물체 종합 분석 장치 「SFP-3」에 제공하여, 인공 토양 입자의 양이온 교환 용량(CEC)을 측정하였다. 실시예 4∼9에 따른 섬유 괴상체의 제작 수순, 및 양이온 교환 용량(CEC)의 측정 결과를 이하에서 설명한다.

[실시예 4]

외관상 용적으로 1000 cc의 비닐론 단섬유(길이 0.5 ㎜, 섬유 직경 25㎛, 주식회사 크라레 제조)를 섬유로서 사용하였다. 비닐론 단섬유를 교반 혼합 조립 장치(유한 회사 G-Labo 제조)로 교반, 전동시키면서 실시예 1에서 사용한 폴리에틸렌 에멀젼을 약 10배로 희석한 것과, 이온 교환 필러로서 제올라이트(주식회사 에코웰 제조, 「류큐 라이트」) 100 cc를 부가하여 조립하고, 내부에 폴리에틸렌 에멀젼을 함침시키고, 또한 제올라이트를 담지시킨 입자형의 코어부를 형성하였다. 이어서, 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 폴리에틸렌 에멀젼을 체적의 1/2이 되도록 부가하여 외표부에 에멀젼이 균일하게 부착되도록 굴리면서 함침시켰다. 에멀젼이 함침한 코어부를 오븐에서 60℃에서 건조한 후, 100℃에서 에멀젼 중의 폴리에틸렌을 용융시켜 섬유에 융착시킴으로써, 코어부를 형성하는 비닐론 단섬유끼리를 고정화하고, 또한 코어부의 외표부가 다공질 폴리에틸렌의 통수성 막으로 피복된 섬유 괴상체를 제작하였다. 완성된 섬유 괴상체의 입경은, 1∼10 ㎜의 범위 내였다. 이 섬유 괴상체의 양이온 교환 용량(CEC)은, 4.1 meq/100 g이었다.

[실시예 5]

외관상 용적으로 1000 cc의 비닐론 단섬유(길이 0.5 ㎜, 섬유 직경 25㎛, 주식회사 크라레 제조)를 섬유로서 사용하였다. 비닐론 단섬유를 교반 혼합 조립 장치(유한 회사 G-Labo 제조)로 교반, 전동시키면서 실시예 1에서 사용한 폴리에틸렌 에멀젼을 약 10배로 희석한 것을 부가하여 조립하고, 내부에 폴리에틸렌 에멀젼을 함침시킨 입자형의 코어부를 형성하였다. 이어서, 이온 교환 필러로서 제올라이트(주식회사 에코웰 제조, 「류큐 라이트」) 30 cc와, 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 폴리에틸렌 에멀젼을 체적의 1/2이 되도록 교호적(交互的)으로 부가하여 외표부에 제올라이트와 에멀젼이 균일하게 부착되도록 굴리면서 함침시켰다. 에멀젼이 함침한 코어부를 오븐에서 60℃에서 건조한 후, 100℃에서 에멀젼 중의 폴리에틸렌을 용융시켜 섬유에 융착시킴으로써, 코어부를 형성하는 비닐론 단섬유끼리를 고정화하고, 또한 코어부의 외표부가 다공질 폴리에틸렌의 통수성 막으로 피복된 섬유 괴상체를 제작하였다. 완성된 섬유 괴상체의 입경은, 1∼10 ㎜의 범위 내였다. 이 섬유 괴상체의 양이온 교환 용량(CEC)은, 2.5 meq/100 g이었다.

그리고, 이 섬유 괴상체에서의 간극의 사이즈 분포를 수은 압입법(壓入法)으로 측정한 바, 0.1㎛∼50㎛의 범위에 걸쳐 브로드한 사이즈 분포를 가지는 것이 확인되었다.

[실시예 6]

외관상 용적으로 1000 cc의 비닐론 단섬유(길이 0.5 ㎜, 섬유 직경 25㎛, 주식회사 크라레 제조)를 섬유로서 사용하였다. 비닐론 단섬유를 교반 혼합 조립 장치(유한 회사 G-Labo 제조)로 교반, 전동시키면서 실시예 1에서 사용한 폴리에틸렌 에멀젼을 약 10배로 희석한 것과, 이온 교환 필러로서 제올라이트(주식회사 에코웰 제조 「류큐 라이트」) 100 cc를 부가하여 조립하고, 내부에 폴리에틸렌 에멀젼을 함침시키고, 또한 제올라이트를 담지시킨 입자형의 코어부를 형성하였다. 이어서, 이온 교환 필러로서 제올라이트(주식회사 에코웰 제조, 「류큐 라이트」) 30 cc와, 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 폴리에틸렌 에멀젼을 체적의 1/2이 되도록 교호적으로 부가하여 외표부에 제올라이트와 에멀젼이 균일하게 부착되도록 굴리면서 함침시켰다. 에멀젼이 함침한 코어부를 오븐에서 60℃에서 건조한 후, 100℃에서 에멀젼 중의 폴리에틸렌을 용융시켜 섬유에 융착시킴으로써, 코어부를 형성하는 비닐론 단섬유끼리를 고정화하고, 또한 코어부의 외표부가 다공질 폴리에틸렌의 통수성 막으로 피복된 섬유 괴상체를 제작하였다. 완성된 섬유 괴상체의 입경은, 1∼10 ㎜의 범위 내였다. 이 섬유 괴상체의 양이온 교환 용량(CEC)은, 4.5 meq/100 g이었다.

[실시예 7]

외관상 용적으로 1000 cc의 셀룰로오스 단섬유(길이 0.2∼0.3 ㎜, 레텐마이어사 제조, 「아보셀(등록상표)」)를 섬유로서 사용하였다. 셀룰로오스 단섬유를 교반 혼합 조립 장치(유한 회사 G-Labo 제조)로 교반, 전동시키면서 실시예 1에서 사용한 폴리에틸렌 에멀젼을 약 10배로 희석한 것과, 이온 교환 필러로서 제올라이트(주식회사 에코웰 제조, 「류큐 라이트」) 100 cc를 부가하여 조립하고, 내부에 폴리에틸렌 에멀젼을 함침시키고, 또한 제올라이트를 담지시킨 입자형의 코어부를 형성하였다. 이어서, 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 폴리에틸렌 에멀젼을 체적의 1/2이 되도록 부가하여 외표부에 에멀젼이 균일하게 부착되도록 굴리면서 함침시켰다. 에멀젼이 함침한 코어부를 오븐에서 60℃에서 건조한 후, 100℃에서 에멀젼 중의 폴리에틸렌을 용융시켜 섬유에 융착시킴으로써, 코어부를 형성하는 셀룰로오스 단섬유끼리를 고정화하고, 또한 코어부의 외표부가 다공질 폴리에틸렌의 통수성 막으로 피복된 섬유 괴상체를 제작하였다. 완성된 섬유 괴상체의 입경은, 1∼5 ㎜의 범위 내였다. 이 섬유 괴상체의 양이온 교환 용량(CEC)은, 4.6 meq/100 g이었다.

[실시예 8]

외관상 용적으로 1000 cc의 셀룰로오스 단섬유(길이 0.2∼0.3 ㎜, 레텐마이어사 제조, 「아보셀(등록상표)」)를 섬유로서 사용하였다. 셀룰로오스 단섬유를 교반 혼합 조립 장치(유한 회사 G-Labo 제조)로 교반, 전동시키면서 실시예 1에서 사용한 폴리에틸렌 에멀젼을 약 10배로 희석한 것을 부가하여 조립하고, 내부에 폴리에틸렌 에멀젼을 함침시킨 입자형의 코어부를 형성하였다. 이어서, 이온 교환 필러로서 제올라이트(주식회사 에코웰 제조, 「류큐 라이트」) 30 cc와, 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 폴리에틸렌 에멀젼을 체적의 1/2이 되도록 교호적으로 부가하여 외표부에 제올라이트와 에멀젼이 균일하게 부착되도록 굴리면서 함침시켰다. 에멀젼이 함침한 코어부를 오븐에서 60℃에서 건조한 후, 100℃에서 에멀젼 중의 폴리에틸렌을 용융시켜 섬유에 융착시킴으로써, 코어부를 형성하는 셀룰로오스 단섬유끼리를 고정화하고, 또한 코어부의 외표부가 다공질 폴리에틸렌의 통수성 막으로 피복된 섬유 괴상체를 제작하였다. 완성된 섬유 괴상체의 입경은, 1∼5 ㎜의 범위 내였다. 이 섬유 괴상체의 양이온 교환 용량(CEC)은, 4.8 meq/100 g이었다.

[실시예 9]

외관상 용적으로 1000 cc의 셀룰로오스 단섬유(길이 0.2∼0.3 ㎜, 레텐마이어사 제조, 「아보셀(등록상표)」)를 섬유로서 사용하였다. 셀룰로오스 단섬유를 교반 혼합 조립 장치(유한 회사 G-Labo 제조)로 교반, 전동시키면서 실시예 1에서 사용한 폴리에틸렌 에멀젼을 약 10배로 희석한 것과, 이온 교환 필러로서 제올라이트(주식회사 에코웰 제조, 「류큐 라이트」) 100 cc를 부가하여 조립하고, 내부에 폴리에틸렌 에멀젼을 함침시키고, 또한 제올라이트를 담지시킨 입자형의 코어부를 형성하였다. 이어서, 이온 교환 필러로서 제올라이트(주식회사 에코웰 제조, 「류큐 라이트」) 30 cc와, 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 폴리에틸렌 에멀젼을 체적의 1/2이 되도록 교호적으로 부가하여 외표부에 제올라이트와 에멀젼이 균일하게 부착되도록 굴리면서 함침시켰다. 에멀젼이 함침한 코어부를 오븐에서 60℃에서 건조한 후, 100℃에서 에멀젼 중의 폴리에틸렌을 용융시켜 섬유에 융착시킴으로써, 코어부를 형성하는 셀룰로오스 단섬유끼리를 고정화하고, 또한 코어부의 외표부가 다공질 폴리에틸렌의 통수성 막으로 피복된 섬유 괴상체를 제작하였다. 완성된 섬유 괴상체의 입경은, 1∼5 ㎜의 범위 내였다. 이 섬유 괴상체의 양이온 교환 용량(CEC)은, 5.0 meq/100 g이었다.

이상과 같이, 이온 교환성 필러를 첨가한 실시예 4∼9의 인공 토양 입자는, 일정 이상의 양이온 교환 용량(CEC)을 가지고 있는 것이 확인되었다. 따라서, 섬유 괴상체를 베이스로 한 인공 토양 입자라도 보비성을 부여하는 것은 가능하며, 이 경우에, 보수성 및 보비성의 양쪽이 우수한 부가 가치가 높은 인공 토양을 제공하는 것이 가능하게 된다.

<다른 실시 형태>

상기 실시 형태에서는, 본 발명에 따른 섬유 괴상체(1)를 사용하는 예로서, 인공 토양(10)을 나타냈으나, 섬유 괴상체(1)를 수처리에 사용하는 것도 가능하다. 섬유 괴상체(1)는, 섬유(2)를 집합하여 이루어지는 코어부(3)와, 코어부(3)의 외표부를 피복하는 통수성 막(4)을 구비하고 있으므로, 분뇨 처리, 양식어의 수처리 등에 사용한 경우, 코어부(3)의 중심 부근에 혐기적인 미생물이 번식할 뿐만 아니라, 통수성 막(4)에 호기분적인 미생물이 효율적으로 번식하는 것이 가능하게 된다. 이로써, 통수성 막(4)에 번식한 질화균에 의해 암모니아태 질소를 질산태 질소로 변환하여, 코어부(3)의 중심 부근에 번식한 탈질균에 의해 질산태 질소를 질소 가스로 변환하여, 최종적으로 질소 가스를 계외로 배출할 수 있다. 이 경우에, 통수성 막(4)에는, 음이온 교환 필러를 첨가하는 것이 바람직하다. 미생물의 세포막은 음으로 대전(帶電)되어 있으므로, 음이온 교환 필러에 의해 통수성 막(4)에 미생물이 흡착되어 효율적으로 번식하여, 질소의 처리 능력을 높일 수 있다.

[산업상 이용가능성]

본 발명에 따른 섬유 괴상체, 및 상기 섬유 괴상체를 사용한 인공 토양은, 가정용 텃밭, 식물 공장, 옥내 녹화, 수처리, 분뇨 처리 등에 있어서 이용할 수 있다.

1: 섬유 괴상체
2: 섬유
3: 코어부
4: 통수성 막
5: 공극
6: 연통공(다공질 구조)
10: 인공 토양

Claims

섬유를 집합하여 이루어지는 코어부; 및
상기 코어부를 피복하는 통수성(通水性) 막(膜)
을 포함하는 섬유 괴상체(塊狀體).
제1항에 있어서,
상기 통수성 막은, 다공질 구조를 구비하고 있는, 섬유 괴상체.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 통수성 막은, 상기 코어부의 외표부(外表部)의 40% 이상을 피복하는, 섬유 괴상체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코어부는, 보수성(保水性) 재료를 가지는, 섬유 괴상체.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코어부 및 상기 통수성 막 중 적어도 어느 한쪽에 이온 교환능이 부여되어 있는, 섬유 괴상체.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
1∼10 ㎜의 입경(粒徑)을 가지는, 섬유 괴상체.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코어부에 수분이 포화 상태로 유지되어 있는 습윤 상태와, 상기 코어부에 수분이 포화 상태로 유지되어 있지 않은 통기 가능 상태의 사이에서, 수분 유지량을 조정 가능하게 구성되어 있는, 섬유 괴상체.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 섬유는, 길이가 0.2∼0.5 ㎜인 단섬유(短纖維)인, 섬유 괴상체.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 섬유 괴상체를 인공 토양 입자로서 사용한, 인공 토양.