KR20150119311A

KR20150119311A - 인공 토양 입자, 및 인공 토양 입자의 제조 방법

Info

Publication number: KR20150119311A
Application number: KR1020157025239A
Authority: KR
Inventors: 노부요시 이시자카
Original assignee: 도요 고무 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2013-05-09
Filing date: 2014-04-11
Publication date: 2015-10-23
Also published as: JP2014217329A; WO2014181635A1; US20160083555A1; CN105101780A; EP2995193A1; JP5755282B2

Abstract

지금까지는 그다지 검토되지 않았던 인공 토양 입자의 구조와 특성의 관계에 주목하고, 다양한 가능성을 가지는 신규한 인공 토양 입자, 및 그 제조 기술을 확립한다. 세공(細孔)(2)을 가지는 복수의 필러(filler)(1)가 결합재(5)로 결합된 인공 토양 입자(10)로서, 필러(1)와 결합재(5)와의 경합(競合)에 의해 형성되는 자기(自己) 조직화 구조를 가진다. 자기 조직화 구조에는, 복수의 필러(1)가 3차원적으로 결합한 3차원 네트워크 구조나, 복수의 필러(1)가 소정 방향으로 배열한 라멜라(lamella) 구조가 있다.

Description

인공 토양 입자, 및 인공 토양 입자의 제조 방법{ARTIFICIAL SOIL PARTICLES, AND PROCESS FOR PRODUCING ARTIFICIAL SOIL PARTICLES}

본 발명은, 세공(細孔)을 가지는 복수의 필러(filler)가 결합재로 결합된 인공 토양 입자, 및 인공 토양 입자의 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 생육 조건이 콘트롤된 환경 하에서 야채 등의 식물을 재배하는 식물 공장이 증가하고 있다. 종래의 식물 공장은, 양상추 등의 이파리 야채의 수경(水耕) 재배가 중심이었지만, 최근에는 수경 재배에는 적합하지 않은 근채류(根菜類)에 대해서도 식물 공장에서의 재배를 시도하는 움직임이 있다. 근채류를 식물 공장에서 재배하기 위해서는, 토양으로서의 기본 성능이 우수하고, 품질이 높고, 또한 취급이 용이한 인공 토양을 개발할 필요가 있다.

여기서, 토양의 기본 성능이나 품질은, 그 토양을 구성하는 토양 입자의 구조에 크게 영향을 받는다. 이는 인공 토양에 대해서도 마찬가지이며, 예를 들면, 인공 토양을 구성하는 인공 토양 입자의 다공질(多孔質) 구조의 형태에 따라, 보수성(保水性)이나 보비성(保肥性) 등의 특성이 변화한다. 즉, 인공 토양 입자의 구조와 그 특성의 사이에는 밀접한 관계가 있다. 따라서, 인공 토양 입자의 구조를 자유롭게 제어할 수 있다면, 다양한 특성을 가지는 인공 토양을 개발하는 것이 가능하게 된다.

그러나, 지금까지 개발되어 온 인공 토양에 있어서는, 인공 토양 입자의 구조 제어에 대하여 거의 검토되어 있지 않고, 인공 토양 입자의 구조와 특성의 관계에 대해서도 충분히 밝혀져 있지 않다. 지금까지 개발된 종래의 인공 토양으로서, 예를 들면, 특허 문헌 1에 나타낸 바와 같은, 분상(粉狀)의 제올라이트(zeolite)를 수용성 고분자로 이루어지는 결합재로 결합하여 단립화(團粒化)한 단립 구조 제올라이트가 있지만, 이것은, 건조 시의 열로 제올라이트 표면에 부착되어 있는 수분을 기화시킴으로써 입자를 다공질화한 것이다. 특허 문헌 1의 인공 토양은, 수분의 기화 속도에 의존하여 입자 구조가 결정되므로, 인공 토양 입자의 구조를 정밀하게 제어하는 것은 용이하지 않다.

일본공개특허 제2000-336356호 공보

인공 토양의 개발에 있어서는, 천연 토양과 동등한 식물 육성력을 달성하면서, 예를 들면, 재배 대상의 식물에 대하여 수분이나 양분을 적절하게 공급할 수 있는 콘트롤 기능이 요구된다. 즉, 인공 토양에는, 토양으로서의 기본 성능을 양호한 밸런스로 발휘하는 것이 요구된다. 이 때문에, 향후의 인공 토양의 개발에 있어서는, 인공 토양 입자의 구조와 특성의 관계를 해명하고, 또한 그와 같은 지견에 기초하여, 인공 토양 입자의 구조 제어를 행하는 것이 기대된다.

본 발명은, 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이며, 지금까지는 그다지 검토되지 않았던 인공 토양 입자의 구조와 특성의 관계에 주목하고, 다양한 가능성을 가지는 신규한 인공 토양 입자, 및 그 제조 기술을 확립하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 인공 토양 입자의 특징적 구성은,

세공을 가지는 복수의 필러가 결합재로 결합된 인공 토양 입자로서,

상기 필러와 상기 결합재와의 경합(競合)에 의해 형성되는 자기(自己) 조직화 구조를 가지는 것에 있다.

인공 토양 입자의 형성 과정에 있어서, 인공 토양 입자의 주원료인 필러는, 엔트로피 증대의 법칙에 따라, 통상이라면 시간의 경과와 함께 무질서한 상태로 향하지만, 본 구성의 인공 토양 입자는, 결합재를 사용하여 필러를 입자화하는 과정에서, 필러와 결합재가 경합하므로, 일정한 질서를 가지는 자기 조직화 구조가 형성된다. 이 자기 조직화 구조는, 일종의 특이적인 구조이며, 인공 토양 입자의 특성에 영향을 미치는 것이 된다. 그리고, 인공 토양 입자의 자기 조직화 구조는, 필러를 입자화할 때의 조건에 의해 제어 가능하다.

따라서, 본 구성의 인공 토양 입자는, 종래의 인공 토양의 개념과는 다른 신규한 인공 토양으로서 이용 가능하며, 다양한 가능성을 가지는 부가 가치가 높은 인공 토양으로서 기대되는 것이 된다.

본 발명에 따른 인공 토양 입자에 있어서,

상기 자기 조직화 구조는, 복수의 필러가 3차원적으로 결합한 3차원 네트워크 구조인 것이 바람직하다.

본 구성의 인공 토양 입자에 의하면, 자기 조직화 구조로서 형성되는 3차원 네트워크 구조는, 그 3차원 골격이 높은 강도를 가지므로, 인공 토양 입자의 구조를 안정화시키는 것에 기여할 수 있다. 또한, 3차원 네트워크 구조의 3차원 골격의 사이에 형성되는 극간(隙間)에 다양한 물질을 담지(擔持)할 수 있으므로, 담지 물질의 특성을 최대한으로 살린 인공 토양을 실현할 수 있다.

본 발명에 따른 인공 토양 입자에 있어서,

상기 자기 조직화 구조는, 복수의 필러가 소정 방향으로 배열한 라멜라(lamella) 구조인 것이 바람직하다.

본 구성의 인공 토양 입자에 의하면, 자기 조직화 구조로서 형성되는 라멜라 구조는, 특정한 방향으로 이방성을 가지므로, 특정한 조건에 대하여 뛰어난 특성을 발휘할 수 있는 인공 토양을 실현할 수 있다.

본 발명에 따른 인공 토양 입자에 있어서,

상기 필러의 사이에 연통공(連通孔)이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

본 구성의 인공 토양 입자에 의하면, 필러의 사이에 형성한 연통공에 필러의 세공과는 다른 기능을 가지게 할 수 있으므로, 다기능 인공 토양을 실현할 수 있다.

본 발명에 따른 인공 토양 입자에 있어서,

상기 세공은 서브 ㎚ 오더 내지 서브 ㎛ 오더의 사이즈를 가지고, 상기 연통공은 서브 ㎛ 오더 내지 서브 ㎜ 오더의 사이즈를 가지는 것이 바람직하다.

본 구성의 인공 토양 입자에 의하면, 필러의 세공의 사이즈가 서브 ㎚ 오더 내지 서브 ㎛ 오더이므로, 상기 세공에 식물의 품질을 향상시키기 위해 필요한 양분을 효과적으로 받아들일 수 있다. 또한, 연통공의 사이즈가 서브 ㎛ 오더 내지 서브 ㎜ 오더이므로, 상기 연통공에 식물의 생육에 불가결한 수분을 효과적으로 흡수(吸收)할 수 있다. 이와 같이, 세공과 연통공이 상이한 사이즈로 구성되어 있으므로, 토양으로서의 기본 성능의 밸런스가 우수한 다기능 인공 토양을 실현할 수 있다.

본 발명에 따른 인공 토양 입자에 있어서,

상기 세공이 이온 교환능을 가지는 것이 바람직하다.

본 구성의 인공 토양 입자에 의하면, 이온 교환능에 의해 세공에 비료 성분을 담지할 수 있고, 장기간에 걸쳐 보비력(保肥力)을 발휘할 수 있는 인공 토양을 실현할 수 있다.

본 발명에 따른 인공 토양 입자에 있어서,

0.2∼10 ㎜의 평균 입경(粒徑)을 가지는 것이 바람직하다.

본 구성의 인공 토양 입자에 의하면, 평균 입경을 0.2∼10 ㎜로 함으로써, 특히 근채류의 재배에 적합한, 취급이 용이한 인공 토양을 실현할 수 있다.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 인공 토양 입자의 제조 방법의 특징적 구성은,

세공을 가지는 복수의 필러가 결합재로 결합된 인공 토양 입자의 제조 방법으로서,

상기 필러와 상기 결합재와의 경합에 의해 상기 필러를 자기 조직화시키는 형성 공정을 포함하는 것에 있다.

본 구성의 인공 토양 입자의 제조 방법에 의하면, 전술한 인공 토양 입자와 마찬가지의 우수한 작용 효과를 얻을 수 있다. 즉, 본 구성의 인공 토양 입자의 제조 방법에서는, 결합재를 사용하여 필러를 입자화하는 과정에서, 필러와 결합재가 경합하므로, 일정한 질서를 가지는 자기 조직화 구조가 형성된다. 이 자기 조직화 구조는, 일종의 특이적인 구조이며, 인공 토양 입자의 특성에 영향을 주는 것이 된다. 그리고, 인공 토양 입자의 자기 조직화 구조는, 필러를 입자화할 때의 조건에 의해 제어 가능하다.

따라서, 본 구성의 인공 토양 입자의 제조 방법에 의해 제조된 인공 토양 입자는, 종래의 인공 토양의 개념과는 다른 신규한 인공 토양으로서 이용 가능하며, 다양한 가능성을 가지는 부가 가치가 높은 인공 토양으로서 기대되게 된다.

도 1은, 본 발명의 인공 토양 입자를 개념적으로 나타낸 설명도이다.
도 2는, 필러와 바인더로서의 알긴산염과의 경합에 의해 인공 토양 입자에 형성되는 자기 조직화 구조를 예시하는 모식도이다.
도 3은, 인공 토양 입자의 세공과 연통공의 위치 관계를 개념적으로 나타낸 모델도이다.
도 4는, 인공 토양 단립체(團粒體)의 모식도이다.

이하에서, 본 발명에 따른 인공 토양 입자, 및 인공 토양 입자의 제조 방법에 따른 실시형태를 도 1∼도 4에 기초하여 설명한다. 그리고, 인공 토양 입자의 제조 방법에 대해서는, 인공 토양 입자의 설명 중에서 언급한다. 단, 본 발명은, 이하에서 설명하는 실시형태나 도면에 기재되는 구성으로 한정되는 것을 의도하지 않는다.

<인공 토양 입자의 구성>

도 1은, 본 발명의 인공 토양 입자(10)를 개념적으로 나타낸 설명도이다. 도 1의 (a)는, 필러(1)로서, 다공질 천연 광물인 제올라이트(1a)를 사용한 인공 토양 입자(10)를 예시한 것이다. 도 1의 (b)는, 필러(1)로서, 층상(層狀) 천연 광물인 하이드로탈사이트(1b)를 사용한 인공 토양 입자(10)를 예시한 것이다. 그리고, 도 1 중에 나타내는 기호 x, y 및 z는, 후술하는 세공(2), 연통공(3) 및 인공 토양 입자(10)의 사이즈를 각각 나타내고 있지만, 도면 상에서의 x, y 및 z의 크기는 실제 사이즈 관계를 반영한 것은 아니다.

인공 토양 입자(10)는, 복수의 필러(1)가 바인더(결합재)로 결합된 것이다. 도 1에서는, 필러(1)의 구조를 알기 쉽게 하기 위하여, 바인더의 도시는 생략하고 있다. 인공 토양 입자(10) 중의 복수의 필러(1)는, 이들이 서로 접촉하고 있는 것은 필수적인 것은 아니며, 1 입자 내에서 바인더를 통하여 일정 범위 내의 상대적인 위치 관계를 유지하고 있으면 된다. 인공 토양 입자(10)를 구성하는 필러(1)는, 표면으로부터 내부에 걸쳐 다수의 세공(2)을 가진다. 세공(2)은, 다양한 형태를 포함한다. 예를 들면, 필러(1)가, 도 1의 (a)에 나타낸 제올라이트(1a)의 경우, 상기 제올라이트(1a)의 결정 구조 중에 존재하는 공극(空隙)(2a)이 세공(2)이며, 도 1의 (b)에 나타낸 하이드로탈사이트(1b)의 경우, 상기 하이드로탈사이트(1b)의 층 구조 중에 존재하는 층간(層間)(2b)이 세공(2)이다. 즉, 본 발명에 있어서 「세공」이란, 필러(1)의 구조 중에 존재하는 공극부, 층간부, 공간부 등을 의도하며, 이들은 「구멍 형상」의 형태로 한정되는 것은 아니다.

필러(1)의 세공(2)의 사이즈(도 1에 나타낸 공극(2a) 또는 층간(2b)의 사이즈 x의 평균값)는, 서브 ㎚ 오더 내지 서브 ㎛ 오더가 된다. 예를 들면, 필러(1)가, 도 1의 (a)에 나타낸 제올라이트(1a)의 경우, 상기 제올라이트(1a)의 결정 구조 중에 존재하는 공극(2a)의 사이즈(직경)는, 0.3∼1.3 ㎚ 정도이다. 필러(1)가, 도 1의 (b)에 나타낸 하이드로탈사이트(1b)의 경우, 상기 하이드로탈사이트(1b)의 층 구조 중에 존재하는 층간(2b)의 사이즈(거리)는, 0.3∼3.0 ㎚ 정도이다. 이 외에, 필러(1)로서, 후술하는 유기 다공질 재료를 사용할 수도 있으며, 그 경우의 세공(2)의 사이즈 x는, 0.1∼0.8 ㎛ 정도가 된다. 필러(1)의 세공(2)의 사이즈는, 측정 대상의 상태에 따라, 가스 흡착법, 수은 압입법(壓入法), 소각(小角) X선 산란법, 화상 처리법 등을 사용하고, 또는 이들 방법을 조합하여, 최적인 방법에 의해 측정된다.

필러(1)는, 인공 토양 입자(10)가 충분한 보비력을 가지도록, 세공(2)이 이온 교환능을 가지는 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 이온 교환능을 가지는 재료로서, 양이온 교환능을 가지는 재료, 음이온 교환능을 가지는 재료, 또는 양자(兩者)의 혼합물을 사용할 수 있다. 또한, 이온 교환능을 가지지 않는 다공질 재료(예를 들면, 고분자 발포체, 유리 발포체 등)를 별도로 준비하고, 상기 다공질 재료의 세공에 상기한 이온 교환능을 가지는 재료를 압입이나 함침(含浸) 등에 의해 도입하고, 이것을 필러(1)로서 사용하는 것도 가능하다. 양이온 교환능을 가지는 재료로서, 양이온 교환성 광물, 부식(腐植), 및 양이온 교환 수지를 예로 들 수 있다. 음이온 교환능을 가지는 재료로서, 음이온 교환성 광물, 및 음이온 교환 수지를 예로 들 수 있다.

양이온 교환성 광물은, 예를 들면, 몬모리로나이트, 벤토나이트, 바이델라이트, 헥토라이트, 사포나이트, 스티븐사이트 등의 스멕타이트계 광물, 운모계 광물, 버미큘라이트, 제올라이트 등이 있다. 양이온 교환 수지는, 예를 들면, 약산성 양이온 교환 수지, 강산성 양이온 교환 수지가 있다. 이들 중, 제올라이트 또는 벤토나이트가 바람직하다. 양이온 교환성 광물 및 양이온 교환 수지는, 2종 이상을 조합하여 사용하는 것도 가능하다. 양이온 교환성 광물 및 양이온 교환 수지에서의 양이온 교환 용량은, 10∼700 meq/100 g으로 설정되고, 바람직하게는 20∼700 meq/100 g으로 설정되고, 더욱 바람직하게는 30∼700 meq/100 g으로 설정된다. 양이온 교환 용량이 10 meq/100 g 미만인 경우, 충분히 양분을 받아들이지 못하고, 받아들여진 양분도 관수(灌水) 등에 의해 조기에 유실할 우려가 있다. 한편, 양이온 교환 용량이 700 meq/100 g을 초과하도록 보비력을 과잉으로 크게 해도, 효과는 크게 향상되지 않아, 경제적이지 않다.

음이온 교환성 광물은, 예를 들면, 하이드로탈사이트, 마나세아이트, 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 광물이 있다. 음이온 교환 수지는, 예를 들면, 약염기성 음이온 교환 수지, 강염기성 음이온 교환 수지가 있다. 이들 중, 하이드로탈사이트가 바람직하다. 음이온 교환성 광물 및 음이온 교환 수지는, 2종 이상을 조합하여 사용하는 것도 가능하다. 음이온 교환성 광물 및 음이온 교환 수지에서의 음이온 교환 용량은, 5∼500 meq/100 g으로 설정되고, 바람직하게는 20∼500 meq/100 g으로 설정되고, 더욱 바람직하게는 30∼500 meq/100 g으로 설정된다. 음이온 교환 용량이 5 meq/100 g 미만인 경우, 충분히 양분을 받아들이지 못하고, 받아들여진 양분도 관수 등에 의해 조기에 유실할 우려가 있다. 한편, 음이온 교환 용량이 500 meq/100 g을 초과하도록 보비력을 과잉으로 크게 해도, 효과는 크게 향상되지 않아, 경제적이지 않다.

<필러의 입상화법(粒狀化法)>

인공 토양 입자(10)는, 복수의 필러(1)를 집합하여 입상화함으로써 형성된다. 필러(1)를 입상화하는 데 있어서서는, 예를 들면, 바인더로서 고분자 겔화제가 사용된다. 고분자 겔화제는, 겔화 반응에 의해 필러(1)끼리를 결합한다. 고분자 겔화제의 겔화 반응으로서, 예를 들면, 알긴산염과 다가 금속 이온과의 겔화 반응, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)의 겔화 반응, 카라기난(carrageenan) 등의 다당류의 이중 나선 구조화 반응에 의한 겔화 반응이 있다. 이 중, 알긴산염과 다가 금속 이온과의 겔화 반응은, 후술하는 본 발명의 특징인 「자기 조직화 구조」를 형성하는 수단으로서 적합하다. 알긴산염의 하나인 알긴산 나트륨은, 알긴산의 카르복실기가 Na 이온과 결합한 형태의 중성염이다. 알긴산은 물에 불용(不溶)이지만, 알긴산 나트륨은 수용성이다. 알긴산 나트륨 수용액을 다가 금속 이온(예를 들면, Ca 이온)의 수용액 중에 첨가하면, 알긴산 나트륨의 분자 사이에서 이온 가교(架橋)가 일어나 겔화한다. 겔화 반응은, 예를 들면, 이하의 공정에 의해 행할 수 있다. 처음에, 알긴산염을 물에 용해시켜 알긴산염 수용액을 조제하고, 알긴산염 수용액에 필러(1)를 첨가하고, 이것을 충분히 교반하여, 알긴산염 수용액 중에 필러(1)가 분산한 혼합액을 형성한다. 다음으로, 혼합액을 다가 금속 이온 수용액 중에 적하하고, 혼합액에 포함되는 알긴산 염을 입상에 겔화시킨다.

여기서, 알긴산염과 다가 금속 이온과의 겔화 반응에 주목하면, 겔화 반응의 진행중에, 알긴산염의 분자 사이에서의 이온 가교와, 알긴산염 수용액 중에서의 필러(1)의 분산력의 사이에서 상호 작용에 의해, 양자는 경합하면서 조직화된다. 그러면, 엔트로피 증대의 법칙에 따라, 통상이라면 필러(1)는 시간의 경과와 함께 무질서한 상태(즉, 랜덤인 상태)를 향하지만, 본 실시형태의 인공 토양 입자(10)는, 필러(1)와 결합재인 알긴산염이 경합하면서 입자가 형성되므로, 입자 중에 일정한 질서를 가지는 자기 조직화 구조가 형성된다. 이 자기 조직화 구조는, 일종의 특이적인 구조이며, 최종적으로 형성한 인공 토양 입자(10)의 특성에 영향을 주게 된다.

도 2는, 필러(1)와 바인더(5)로서의 알긴산염과의 경합에 의해 인공 토양 입자(10)에 형성되는 자기 조직화 구조를 예시하는 모식도이다. 점선 원 중에 인공 토양 입자(10)의 일부를 확대하여 나타내고 있다. 도 2의 (a)는, 자기 조직화에 의해, 복수의 필러(1)가 바인더(5)를 통하여 3차원적으로 결합한 3차원 네트워크 구조를 형성한 것이다. 3차원 네트워크 구조는, 필러(1)의 결합에 의한 3차원 골격이 높은 강도를 가지므로, 인공 토양 입자(10)의 구조를 안정화시킬 수 있다. 또한, 3차원 네트워크 구조의 3차원 골격의 사이에 형성되는 극간(3)(도 1의 연통공(3)에 상당)에 다양한 물질을 담지할 수 있으므로, 담지 물질의 특성을 최대한으로 살린 인공 토양을 실현할 수 있다. 도 2의 (b)는, 자기 조직화에 의해, 복수의 필러(1)가 바인더(5)를 통하여 소정 방향으로 배열한 라멜라 구조를 형성한 것이다. 라멜라 구조는, 특정한 방향으로 이방성을 가지므로, 특정한 조건에 대하여 뛰어난 특성을 발휘할 수 있는 인공 토양을 실현할 수 있다. 또한, 라멜라 구조의 사이에 형성되는 극간(3)(도 1의 연통공(3)에 상당)에 다양한 물질을 담지하는 것도 가능하다.

바인더(5)로서 사용되는, 겔화 반응에 사용 가능한 알긴산염은, 예를 들면, 알긴산 나트륨, 알긴산 칼륨, 알긴산 암모늄이 있다. 이들 알긴산염은, 2종 이상을 조합하여 사용하는 것도 가능하다. 알긴산염 수용액의 농도는, 0.1∼5 중량%로 하고, 바람직하게는 0.2∼5 중량%로 하고, 더욱 바람직하게는 0.2∼3 중량%로 한다. 알긴산염 수용액의 농도가 0.1 중량% 미만인 경우, 겔화 반응이 일어나기 어려워지고, 5 중량%를 초과하면, 알긴산염 수용액의 점도가 지나치게 커지기 때문에, 필러(1)를 첨가한 혼합액의 교반이나, 혼합액을 다가 금속 이온 수용액 중에 적하하는 것이 곤란하게 된다.

알긴산염 수용액을 적하하는 다가 금속 이온 수용액은, 알긴산염과 반응하여 겔화가 일어나는 2가 이상의 금속 이온 수용액이면 된다. 그와 같은 다가 금속 이온 수용액의 예로서, 염화 칼슘, 염화 바륨, 염화 스트론튬, 염화 니켈, 염화 알루미늄, 염화 철, 염화 코발트 등의 다가 금속의 염화물 수용액, 질산 칼슘, 질산 바륨, 질산 알루미늄, 질산 철, 질산 동, 질산 코발트 등의 다가 금속의 질산염 수용액, 락트산 칼슘, 락트산 바륨, 락트산 알루미늄, 락트산 아연 등의 다가 금속의 락트산염 수용액, 황산 알루미늄, 황산 아연, 황산 코발트 등의 다가 금속의 황산염 수용액을 들 수 있다. 이들 다가 금속 이온 수용액은, 2종 이상을 조합하여 사용하는 것도 가능하다. 다가 금속 이온 수용액의 농도는, 1∼20 중량%로 하고, 바람직하게는 2∼15 중량%로 하고, 더욱 바람직하게는 3∼10 중량%로 한다. 다가 금속 이온 수용액의 농도가 1 중량% 미만인 경우, 겔화 반응이 일어나기 어려워지고, 20 중량%를 초과하면, 금속염의 용해에 시간이 걸리고, 또한 과잉의 재료를 사용하는 것이 되기 때문에, 경제적이지 않다.

<자기 조직화 구조의 제어>

필러(1)와 바인더(5)로서의 알긴산염과의 경합에 의해에 발현하는 인공 토양 입자(10)의 자기 조직화 구조는, 필러(1)를 입자화(겔화)할 때의 조건에 의해 제어할 수 있는 것으로 여겨진다. 인공 토양 입자(10)의 자기 조직화 구조를 제어하기 위한 조건으로서, 예를 들면, 이하의 조건을 생각할 수 있다.

도 2의 (a)에 나타낸 3차원 네트워크 구조를 형성하기 위해서는, 필러(1)를 분산시킨 알긴산 나트륨 수용액을 염화 칼슘 수용액에 적하할 때, 알긴산 나트륨의 분자 사이에서의 이온 가교(겔화) 속도가 알긴산염 수용액 중에서의 필러(1)의 분산력에 대하여 극단적으로 커지지 않도록, 알긴산염 나트륨 수용액 및 염화 칼슘 수용액의 농도, 및 필러(1)의 첨가량을 조정한다. 이 경우에, 필러(1)와 바인더(5)로서의 알긴산 나트륨과의 경합에 의하여, 필러(1)끼리가 접촉된 상태로 양호한 타이밍으로 알긴산 나트륨의 겔화 반응이 일어나, 골격 강도가 우수한 3차원 네트워크 구조가 형성된다.

도 2의 (b)에 나타낸 라멜라 구조를 형성하기 위해서는, 필러(1)를 분산시킨 알긴산 나트륨 수용액을 염화 칼슘 수용액에 적하할 때, 염화 칼슘 수용액에 물리적 또는 화학적인 구배를 발생시킨다. 예를 들면, 염화 칼슘 수용액을 일정 방향으로 유동시키고, 이 상태에서, 염화 칼슘 수용액에 필러(1)를 분산시킨 알긴산 나트륨 수용액을 적하한다. 이 경우에, 필러(1)와 알긴산 나트륨이 전단력(剪斷力)을 받으면서 경합하고, 겔화하므로, 유동 방향으로 필러(1)가 배향한 라멜라 구조가 형성된다. 또한, 염화 칼슘 수용액에 농도 구배나 온도 구배를 설치한 상태에서, 필러(1)를 분산시킨 알긴산 나트륨 수용액을 적하한다. 이 경우에, 바인더(5)로서의 알긴산 나트륨의 겔화 반응은 농도 구배나 온도 구배를 따라 진행하므로, 농도 구배나 온도 구배를 따라 필러(1)가 배향한 라멜라 구조가 형성된다.

<인공 토양 입자의 다공 구조>

자기 조직화 구조를 가지는 인공 토양 입자(10)는, 세공(2)을 가지는 필러(1)의 사이에 연통공(3)이 형성된 다공질 입자이다. 인공 토양 입자(10)의 입경(도 1에 나타낸 인공 토양 입자(10)의 사이즈 z의 평균값)은, 0.2∼10 ㎜이며, 바람직하게는 0.5∼5 ㎜이며, 더욱 바람직하게는 1∼5 ㎜이다. 인공 토양 입자(10)의 입경이 0.2 ㎜ 미만인 경우, 인공 토양 입자(10) 사이의 간극(間隙)이 작아지게 되어 배수성이 저하됨으로써, 재배하는 식물이 뿌리로부터 산소를 흡수하기 어려워지게 될 우려가 있다. 한편, 인공 토양 입자(10)의 입경이 10 ㎜를 초과하면, 인공 토양 입자(10) 사이의 간극이 커져서 배수성이 지나치게 과잉으로 되어, 식물이 수분을 흡수하기 어려워지거나, 인공 토양 입자(10)가 성기게 되어 식물이 옆으로 쓰러질 우려가 있다. 인공 토양 입자(10)의 입경의 조정은, 예를 들면, 체(sieve)에 의한 분급(分級)으로 행할 수 있다. 연통공(3)의 사이즈(도 1에 나타낸 인접하는 필러(1) 사이의 거리 y의 평균값)는, 필러(1)나 바인더의 종류, 조성(組成), 조립(造粒) 조건에 따라 변화할 수 있지만, 서브 ㎛ 오더 내지 서브 ㎜ 오더가 된다. 예를 들면, 필러(1)가, 도 1의 (a)에 나타낸 제올라이트(1a), 또는 도 1의 (b)에 나타낸 하이드로탈사이트(1b)이며, 고분자 겔화제를 사용한 경우, 연통공(3)의 사이즈는, 0.1∼20 ㎛이다. 연통공(3)의 사이즈는, 측정 대상의 상태에 따라, 가스 흡착법, 수은 압입법, 소각 X선 산란법, 화상 처리법 등을 사용하고, 또는 이들 방법을 조합하여, 최적인 방법에 의해 측정할 수 있다. 인공 토양 입자(10)의 입경은, 예를 들면, 광학 현미경 관찰 및 화상 처리법을 사용하여 측정할 수 있다. 본 실시형태에서는, 이하의 측정법에 의해, 연통공(3)의 사이즈, 및 인공 토양 입자(10)의 입경을 측정하였다. 먼저, 측정 대상의 인공 토양 입자를 스케일과 함께 현미경으로 관찰하고, 그 현미경 화상을 화상 처리 소프트웨어(2차원 화상 해석 처리 소프트웨어 「WinROOF」, 미타니 상사 주식회사 제조)를 사용하여 취득한다. 화상으로부터 100개의 인공 토양 입자를 선택하고, 연통공 또는 인공 토양 입자의 윤곽을 트레이스한다. 트레이스한 도형의 주위 길이로부터, 상당원의 직경을 산출한다. 각각의 연통공 또는 인공 토양 입자로부터 구한 상당원의 직경(100개)의 평균을 평균 사이즈(단위: 픽셀)로 한다. 그리고, 평균 사이즈를 현미경 화상 중의 스케일과 비교하여, 단위 길이(㎛ 오더 내지 ㎜ 오더)로 변환하여, 연통공의 사이즈 또는 인공 토양 입자의 입경을 산출한다.

인공 토양 입자(10)에 존재하는 세공(2) 및 연통공(3)은, 연통공(3)이 외부로부터 수분 및 양분을 받아들이고, 또한 세공(2)이 연통공(3)으로부터 양분을 받는 것이 가능하도록, 세공(2)이 연통공(3)의 주위에 분산 배치되어 있다.

도 3은, 인공 토양 입자(10)의 세공(2)과 연통공(3)의 위치 관계를 개념적으로 나타낸 모델도이다. 그리고, 도 3은, 도 1 및 도 2에 나타낸 인공 토양 입자(10)의 내부 구조를 모델화한 것이지만, 실제 인공 토양 입자(10)의 내부 구조가 그대로 반영된 것은 아니다. 본 발명의 인공 토양 입자(10)에 있어서, 세공(2)이 연통공(3)의 주위에 분산 배치되어 있다는 것은, 세공(2)이 연통공(3)에 접속하고 있고, 또한 연통공(3)에 접속하는 세공(2)이 실질적으로 연통공(3)의 주위 전체에 존재하고 있는 것을 의미한다. 예를 들면, 도 3의 (a)를 보면, 사이즈 x의 다수의 세공(2)이 사이즈 y의 연통공(3)에 접속하고 있고, 또한 다수의 세공(2)이 연통공(3)의 길이 전체를 따라 존재하고 있는 상태가 표시되어 있다. 이 세공(2)과 연통공(3)의 특정한 위치 관계는, 세공(2) 및 연통공(3)의 대략 반수 이상으로 있으면 된다. 그리고, 도 3의 (a)에서는, 지면의 사정에 의해, 세공(2)과 연통공(3)의 특정한 위치 관계를 2차원적으로 나타내고 있지만, 실제 인공 토양 입자(10)에는 3차원적으로 확대되어 전술한 특정한 위치 관계가 형성되어 있다. 세공(2)과 연통공(3)의 특정한 위치 관계를 출현시키기 위한 조건은, 현재로서는 아직 충분히 밝혀져 있지 않지만, 이 특정한 위치 관계도 인공 토양 입자(10)에 형성되는 자기 조직화 구조의 일종으로 여겨진다. 이 자기 조직화 구조를 형성하기 위해서는, 예를 들면, 필러(1)로서 결정성이 높은 재료를 선택하거나, 필러(1)로서 특이한 결정 구조를 가지는 재료를 선택하거나, 필러(1)로서 복수 종류를 특정한 조합으로 사용하거나, 필러(1)가 가지는 결정 구조나 층 구조를 제어하거나, 필러(1)에 배향성을 부여하는 처리를 하거나, 필러(1)를 입상화할 때 특정한 첨가제를 첨가하거나, 필러(1)의 조립법(입상화 조건)을 최적화한다. 이로써, 자기 조직화 조직을 더욱 강하게 출현시킬 수 있는 것으로 여겨진다.

<인공 토양 입자의 보수성 및 보비성의 메커니즘>

본 발명의 인공 토양 입자(10)는, 세공(2)과 연통공(3)이 상이한 사이즈로 구성되어 있으므로, 토양으로서의 기본 성능(보수성 및 보비성)의 밸런스가 우수한 다기능 인공 토양을 실현할 수 있다. 여기서, 인공 토양 입자(10)가 가지는 보수성 및 보비성의 메커니즘을, 도 3을 참조하면서 상세하게 설명한다. 도 3에서는, 인공 토양 입자(10)에 외부로부터 수분 W, 및 양분 K, N, P가 받아들여지는 모습을 (a), (b), (c)의 순으로 단계적으로 나타내고 있다. 여기서, 양분 K는 칼륨분, 양분 N은 질소분, 양분 P는 인분을 나타내고 있다.

인공 토양 입자(10)에 외부로부터 아직 수분 W, 및 양분 K, N, P가 받아들여져 있지 않은 상태에서는, 도 3의 (a)에 나타낸 바와 같이, 인공 토양 입자(10)의 연통공(3) 및 상기 연통공(3)에 접속하는 세공(2)은 공극으로 되어 있다. 인공 토양 입자(10)가 양분 K, N, P를 포함한 수분 W에 접촉하면, 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 먼저 연통공(3)에 수분 W, 및 양분 K, N, P가 받아들여진다. 연통공(3)이 충분히 습윤 상태로 되면, 도 3의 (c)에 나타낸 바와 같이, 연통공(3)에 받아들여진 수분 W, 및 양분 K, N, P 중, 양분 K, N, P가 연통공(3)으로부터 세공(2)으로 이동한다. 본 발명의 인공 토양 입자(10)에서는, 주로 세공(2)에 양분 K, N, P가 받아들여지고, 연통공(3)에서 수분 W가 보지(保持)되므로, 주로 세공(2)에 보비성을 담당시키고, 연통공(3)에 보수성을 담당시키고 있다. 이와 같이, 세공(2)과 연통공(3)에 상이한 기능을 분담시킴으로써, 보수성과 보비성의 밸런스가 우수한 기능적인 인공 토양 입자(10)로 만들 수 있다. 또한, 이와 같은 인공 토양 입자(10)를 사용한 인공 토양은, 재배 대상의 식물에 대하여 수분 W나 양분 K, N, P를 적절하게 공급할 수 있으므로, 메인터넌스에 손이 많이 가지 않고, 취급이 용이하게 된다.

<인공 토양 입자의 물성>

인공 토양 입자(10)의 세공(2) 및 연통공(3)은, 연통공(3)의 전체 용적이 세공(2)의 전체 용적보다 크게 되도록 구성되는 것이 바람직하다. 이는, 연통공(3)의 보수성을 충분히 확보하고, 또한 연통공(3)으로부터 세공(2)으로의 양분의 이동이 원활하게 행해지도록 하기 위해서이다. 또한, 연통공(3)의 전체 용적이 세공(2)의 전체 용적보다 크게 되면, 인공 토양 입자(10)가 경량으로 되므로, 부피 밀도(bulk density)가 작아져, 인공 토양으로서의 취급도 용이하게 된다. 연통공(3)의 전체 용적을 세공(2)의 전체 용적보다 크게 하기 위해서는, 도 2의 (a)에 나타낸 3차원 네트워크 구조로 하는 것이 유효하다. 3차원 네트워크 구조를 가지는 인공 토양 입자(10)는, 부피 밀도가 낮고 경량이면서 구조적으로도 안정되어 있으므로, 근채류의 재배에 필요한 강도가 확보된 인공 토양으로서 바람직하게 이용할 수 있다. 또한, 내부에 가지는 다수의 공극 때문에, 보수성, 보비성, 배수성, 통기성 등의 토양으로서의 기본 성능이 양호하게 되어, 부가 가치가 높은 인공 토양으로 만들 수 있다.

인공 토양 입자(10)의 강도는, 반복 압축 하중의 부가에 의한 용적 변화율로 평가할 수 있다. 본 발명의 인공 토양 입자(10)는, 반복 압축 하중 25 KPa의 부가 후의 용적 변화율이 20% 이하가 되도록 설계된다. 바람직한 용적 변화율은 15% 이하이다. 용적 변화율이 20%를 초과하면, 플랜터 등에 인공 토양을 충전하거나, 모종을 이식(移植)할 때, 인공 토양 입자(10)가 쉽게 분쇄되어, 인공 토양 입자(10)의 구조(필러(1)의 세공(2)이 복수의 필러(1) 사이의 연통공(3)의 주위에 분산 배치되고, 또한 필러(1)가 3차원 네트워크형으로 결합한 구조)가 없어질 우려가 있다. 그 결과, 보수성과 보비성의 밸런스가 무너진다. 또한, 인공 토양 입자(10)의 구조가 없어지면, 인공 토양이 다짐(compaction)이 쉽게 일어나기 때문에, 근채류의 재배에 악영향을 미칠 수 있다.

본 발명의 인공 토양 입자(10)는 근채류의 재배에 적합한 것이지만, 인공 토양로서 우수한 보수성을 가지고 있으므로, 지금까지 주로 수경 재배되고 있던 이파리 야채의 육성에 적용하는 것도 가능하다. 여기서, 인공 토양의 보수성은, 통수 보수량에 의해 평가할 수 있다. 통수 보수량은, 인공 토양 입자 100 mL당의 보수량(%)으로서 구해진다. 본 발명의 인공 토양 입자(10)는, 필러(1)의 세공(2)이 복수의 필러(1) 사이의 연통공(3)의 주위에 분산 배치되고, 또한 필러(1)가 3차원 네트워크형으로 결합한 독특한 구성을 가지므로, 통수 보수량을 20∼70 %로 설정할 수 있다. 통수 보수량이 20%보다 낮으면 식물이 성장하는 데 충분한 수분을 보지하는 것이 곤란하게 되고, 70%를 초과하면 인공 토양의 통기성이 악화되어, 식물의 생육에 악영향을 미칠 가능성이 있다. 통기성에 대해서는, 건조 상태에서의 인공 토양의 기상율(氣相率)로 나타낼 수 있다. 본 발명의 인공 토양 입자(10)를 사용한 인공 토양의 기상율은, 20∼80 %로 되도록 설정할 수 있다. 바람직한 기상율은 40∼80 %이며, 더욱 바람직한 기상율은 50∼80 %이다. 기상율이 20% 미만인 경우, 식물의 뿌리로의 공기의 공급량이 부족하고, 80%를 초과하면, 보수성을 충분히 확보할 수 없게 될 우려가 있다.

인공 토양 입자(10)를 설계하는 데 있어서, 연통공(3)의 보수성을 더욱 높이는 것도 가능하다. 연통공(3)의 보수성을 향상시키는 하나의 방법으로서, 인공 토양 입자(10)의 연통공(3)에 보수성 재료를 도입하는 것을 예로 들 수 있다. 보수성 재료는, 예를 들면, 연통공(3) 전체에 보수성 재료를 충전하거나, 연통공(3)의 표면을 보수성 재료의 막으로 코팅함으로써 도입 가능하다. 이 때, 연통공(3) 중 적어도 일부에 보수성 재료가 존재하고 있으면 된다. 보수성 재료의 도입은, 예를 들면, 보수성이 있는 고분자 재료를 용매에 용해하여 고분자 용액을 조제하고, 상기 고분자 용액을 인공 토양 입자(10)에 함침시킴으로써 행해진다.

보수성 재료로서 사용 가능한 고분자 재료는, 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.

보수성 재료인 상기 고분자 재료를 용해시키는 용매는, 사용하는 고분자 재료에 따라 용해성이 높은 것, 즉 고분자 재료와 용매에서 용해도 파라미터(SP값)가 근접하게 되는 조합이 적절하게 선택된다. 예를 들면, 고분자 재료의 SP값과 용매의 SP값의 차이가 5 이하로 되도록 한 조합(예: SP값이 약 10인 니트로셀룰로오스와 SP값이 약 14.5인 메탄올의 조합)이 선택된다. 이와 같은 용매의 예로서, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 부탄올, 아세트산 에틸, 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤을 들 수 있다. 이들 용매는, 2종 이상을 조합하여 사용하는 것도 가능하다.

연통공(3)의 보수성을 향상시키는 다른 방법으로서, 인공 토양 입자(10)를 조제할 때에 있어서, 원료인 필러(1)의 일부 또는 전부에 보수성 필러를 사용하는 것을 예로 들 수 있다. 이 경우에, 생성한 인공 토양 입자(10)는, 그 자체가 보수성을 가지는 것이 되므로, 보수성을 향상시키기 위한 특별한 후처리는 불필요하게 된다. 보수성 필러에는 친수성 필러나 다공질 입상물(粒狀物)을 사용할 수 있고, 친수성 필러의 예로서는, 제올라이트, 스멕타이트계 광물, 운모계 광물, 탈크, 실리카, 복수산화물 등을 들 수 있고, 다공질 입상물의 예로서는, 발포 유리, 다공질 금속, 다공질 세라믹, 고분자 다공체, 친수성 섬유 등을 들 수 있다.

<인공 토양 단립체>

본 발명의 인공 토양 입자(10)는, 또한 단립화하여 인공 토양 단립체의 형태로 인공 토양으로서 이용하는 것도 가능하다. 도 4는, 인공 토양 단립체(100)의 모식도이다. 여기서는, 도 1의 (a)에 나타낸 제올라이트(1a)를 사용한 인공 토양 입자(10)를 단립화한 인공 토양 단립체(100)를 예시한다.

인공 토양 단립체(100)는, 복수의 인공 토양 입자(10)가 이어진 클러스터 구조를 가지고 있다. 클러스터 구조는, 복수의 인공 토양 입자(10)를 2차 바인더로 접착함으로써 얻어진다. 단립화에 사용하는 2차 바인더는, 인공 토양 입자(10)의 형성에서 사용한 바인더(1차 바인더)와 동일한 것을 사용할 수 있지만, 상이한 종류의 바인더라도 상관없다. 인공 토양 단립체(100)의 사이즈(도 4에 나타낸 인공 토양 단립체(100)의 사이즈 w의 평균값)는, 0.4∼20 ㎜이며, 바람직하게는 0.5∼18 ㎜이며, 더욱 바람직하게는 1∼15 ㎜이다. 인공 토양 단립체(100)의 사이즈가 0.4 ㎜ 미만인 경우, 인공 토양 단립체(100)를 구성하는 인공 토양 입자(10) 사이의 간극이 작아지게 되어 배수성이 저하되는 것에 의해, 재배하는 식물이 뿌리로부터 산소를 흡수하기 어려워지게 될 우려가 있다. 한편, 인공 토양 단립체(100)의 사이즈가 20 ㎜를 초과하면, 배수성이 지나치게 과잉으로 되는 것에 의해 식물이 수분을 흡수하기 어려워지거나 인공 토양 단립체(100)가 성기게 되어 식물이 옆으로 쓰러질 우려가 있다. 인공 토양 단립체(100)의 사이즈는, 예를 들면, 광학 현미경 관찰 및 화상 처리법을 사용하여 측정된다. 본 실시형태에서는, 연통공(3)의 사이즈, 및 인공 토양 입자(10)의 입경과 마찬가지로, 전술한 화상 처리를 사용한 측정법에 의해, 인공 토양 단립체(100)의 사이즈를 측정하였다.

본 발명의 인공 토양 입자(10)를 단립화하여 얻어진 인공 토양 단립체(100)는, 보수성과 보비성의 밸런스가 우수하고, 재배 대상의 식물에 대하여 수분이나 양분을 적절하게 공급할 수 있다. 따라서, 본 발명의 인공 토양 단립체(100)는, 메인터넌스에 손이 많이 가지 않고, 취급이 용이한 인공 토양으로서 유용하다.

실시예

이하에서, 본 발명의 자기 조직화 구조를 가지는 인공 토양 입자에 관한 실시예에 대하여 설명한다. 실시예로서, 알긴산 나트륨 수용액과 염화 칼슘 수용액의 겔화 반응을 이용하여, 필러와 알긴산 나트륨과의 경합에 의해 형성된 자기 조직화 구조를 가지는 인공 토양 입자를 조제하였다. 또한, 실시예의 인공 토양 입자를 단립화하여 인공 토양 단립체를 조제하였다. 인공 토양 입자, 및 인공 토양 단립체의 특성에 대해서는, 이하의 (1)∼(7)에 나타낸 방법에 의해 평가했다.

(1) 입경

인공 토양 입자 또는 인공 토양 단립체를 체에 의해 사전에 소정의 입경으로 분급하고, 분급한 것에 대하여 상기 실시예에서 설명한 화상 처리를 사용한 측정법으로 입경을 측정하고, 이것을 시료로서 사용하였다.

(2) 공경(孔徑)

인공 토양 입자를 구성하는 필러의 세공의 공경을 가스 흡착법에 의해 측정하였다. 복수의 필러의 사이에 형성되는 연통공의 공경에 대해서는, 상기 실시예에서 설명한 화상 처리를 사용한 측정법에 의해 측정하였다.

(3) 양이온 교환 용량

후지히라공업주식회사에서 제조한 범용 추출·여과 장치 「CEC-10 Ver.2」를 사용하여 인공 토양 입자의 추출액을 제작하고, 이것을 양이온 교환 용량 측정용 시료로 하였다. 그리고, 후지히라공업주식회사에서 제조한 토양·작물체 종합 분석 장치 「SFP-3」을 사용하여, 인공 토양 입자의 양이온 교환 용량(CEC)을 측정하였다.

(4) 음이온 교환 용량

인공 토양 입자 2 g에 0.05 M 질산 칼슘 용액 20 mL를 첨가하고, 1시간 교반했다. 용액을 실온에서 1분간 원심분리(10,000 rpm)하고, 상청(上淸)을 측정용 시료로 하였다. 측정용 시료에 대하여, 자외 가시 분광 광도계를 사용하여 파장 410 ㎚의 흡광도를 측정하고, 질산 칼슘 농도를 구하였다. 구한 질산 칼슘 농도와 블랭크의 질산 칼슘 농도의 차이로부터, 질산태 질소의 중량당의 흡착량을 산출하고, 이것을 비중으로 환산하고, 용적당의 음이온 교환 용량(AEC)으로 하였다.

(5) 강도

인공 토양 입자의 강도를, 반복 압축 하중의 부가에 의한 용적 변화율에 의해 평가했다. 용적 변화율은, 이하의 방법으로 구하였다. 토양 평가용의 시료 원통(내경(內徑): 약 5 cm, 높이: 약 5 cm, 용적: 100 mL)에 샘플로서 인공 토양 100 mL를 충전하고, 시료 원통보다 직경이 약간 작은 원통형의 추(중량: 5 kg)를 천천히 샘플 상에 탑재하였다. 그 상태에서 60초간 방치하고, 추를 제거하였다. 이들 조작을 10회 반복하였다(반복 압축 하중 25 KPa). 반복 압축 하중의 부여가 완료되면, 샘플을 그대로 60초간 방치하고, 메스실린더 등을 사용하여 샘플의 용적 V를 측정하고, 용적 변화율 ΔV를 이하의 식[1]으로부터 구하였다.

ΔV(%) = (100-V)/100×100 ···[1]

(6) 보수량

릴리스한 크로마토그래프 관에 인공 토양 입자 100 mL를 충전하고, 상부로부터 200 mL의 물을 천천히 주수(注水)했을 때의 인공 토양의 보수량을 통수 보수량으로 하였다.

(7) 기상율

인공 토양 입자로 이루어지는 인공 토양을 수도수(水道水)에 24시간 침지하여 포화함수(飽和含水) 상태로 한 시료를 작성하고, 이 시료를 또한 1시간 정치(靜置)했다. 시료의 중량수을 흘러내리게 한 후, 형상을 가능한 한 유지하면서 100 mL시료용 원통에 채취하고, 다이키이화공업주식회사에서 제조한 디지털 실용적(實容積) 측정 장치 「DIK-1150」에 세팅하여 기상율을 측정하였다.

[인공 토양 입자]

알긴산 나트륨 0.5 중량% 수용액 100 중량부에 주식회사 에코웰에서 제조한 인공 제올라이트 「류큐 라이트 600」 10 중량부, 및 와코순약공업주식회사에서 제조한 시약 하이드로탈사이트 10 중량부를 첨가하여 혼합하였다. 혼합액을 5% 염화 칼슘 수용액 중에 1적(滴)/초의 속도로 적하하였다. 적하된 액적이 입자상(粒子狀)으로 겔화한 후, 입자상 겔을 회수하여 수세하고, 55℃로 설정한 건조기로 24시간 건조시켰다. 건조를 마친 입자형 겔을 체거름하여 분급하고, 2 ㎜ 오버, 4 ㎜ 언더로 한 인공 토양 입자를 얻었다. 얻어진 인공 토양 입자는, 3차원 네트워크 구조를 가지는 것이였다. 이 인공 토양 입자의 양이온 교환 용량은 14 meq/100 cc이며, 음이온 교환 용량은 15 meq/100 cc였다. 또한, 이 인공 토양 입자를 사용한 인공 토양의 강도(용적 변화율)는 13%이며, 보수량(통수 보수량)은 26%이며, 기상율은 33%였다.

[인공 토양 단립체]

3차원 네트워크 구조를 가지는 인공 토양 입자 100 중량부와, 2차 바인더로서 코니시 주식회사에서 제조한 아세트산 비닐 수지계 접착제 「본드(등록상표) 목공용」 5 중량부를 혼합하고, 혼합물을 조립기(造粒機)에 도입하여 단립화하여, 인공 토양 단립체를 얻었다. 얻어진 인공 토양 단립체는, 입경이 3∼18 ㎜이며, 복수의 인공 토양 입자가 이어진 클러스터 구조를 가지는 것이였다.

[산업상의 이용가능성]

본 발명의 인공 토양 입자, 및 인공 토양 입자의 제조 방법은, 식물 공장 등에서 사용되는 인공 토양에 이용 가능하지만, 그 외의 용도로서, 시설 원예용 토양, 녹화용 토양, 성형 토양, 토양 개량제, 인테리어용 토양 등에도 이용 가능하다.

1: 필러
2: 세공
3: 연통공(극간)
5: 바인더(결합재)
10: 인공 토양 입자
100: 인공 토양 단립체

Claims

세공(細孔)을 가지는 복수의 필러(filler)가 결합재로 결합된 인공 토양 입자로서,
상기 필러와 상기 결합재와의 경합(競合)에 의해 형성되는 자기(自己) 조직화 구조를 가지는 인공 토양 입자.
제1항에 있어서,
상기 자기 조직화 구조는, 복수의 필러가 3차원적으로 결합한 3차원 네트워크 구조인, 인공 토양 입자.
제1항에 있어서,
상기 자기 조직화 구조는, 복수의 필러가 소정 방향으로 배열한 라멜라(lamella) 구조인, 인공 토양 입자.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필러의 사이에 연통공(連通孔)이 형성되어 있는, 인공 토양 입자.
제4항에 있어서,
상기 세공은 서브 ㎚ 오더 내지 서브 ㎛ 오더의 사이즈를 가지고, 상기 연통공은 서브 ㎛ 오더 내지 서브 ㎜ 오더의 사이즈를 가지는, 인공 토양 입자.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세공이 이온 교환능을 가지는, 인공 토양 입자.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
0.2∼10 ㎜의 평균 입경(粒徑)을 가지는, 인공 토양 입자.
세공을 가지는 복수의 필러가 결합재로 결합된 인공 토양 입자의 제조 방법으로서,
상기 필러와 상기 결합재와의 경합에 의해 상기 필러를 자기 조직화시키는 형성 공정을 포함하는 인공 토양 입자의 제조 방법.