NO832937L - Vannabsorberende polymer - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører plantevekst-blandinger som omfatter et porøst vekstmedium og vannsvellbart, vann-uløselig polymer-materiale. Det er kjent at inkludering av slikt materiale kan forbedre vann-retensjonen og andre egenskaper hos vekstmediet, med det resultat at den endelige blanding er mer effektiv for plantevekst enn mediet uten polymer-tilsetningen.

Polyetylenoksyd som er blitt tverrbundet under innvirk-ning av ioniserende stråling, er eksemplifisert for dette formål i U.S.-patentskrift nr. 3 336 129, hvilket også nevner muligheten av å bruke polyakrylamid og kopolymerer av akrylamid og akrylsyre. Polyalkylenoksyd som er kjemisk tverrbundet med 0,5 til 12% tverrbindingsmiddel, er beskrevet i U.S.-patentskrift nr. 3 734 876. Vann-uløselige, tverrbundne, anioniske akrylamid-kopolymerer er beskrevet som vann-reten-sjons-hjelpemidler for jordbunnen i britisk patentskrift nr. 2 054 706A og i europeisk patentskrift nr. 0 037 138. Tverrbindingsmidlet er N, N-metylenbisakrylamid, og den

eneste mengde som er nevnt i det britiske patentskriftet,

er 5 vekt%, basert på polymervekten, mens den anvendte mengde i det europeiske patentskriftet er 5% i eksemplene, men et område på 1 til 11% er nevnt. Da akrylamid-kopolymerene er beskrevet som anioniske, følger det at de inneholder anioniske grupper, antagelig akrylsyre-grupper.

Andre publikasjoner har anbefalt sterkt ioniske polymerer. I britisk patentskrift nr. 1 591 415 er for eksempel anbefalt visse polyelektrolytter, og i to publikasjoner som er utkommet etter prioritetsdatoen for denne søknad, PCT-publikasjoner 83/00482 og 83/00498, er det beskrevet anvendelse av kopolymerer av akrylamid og akrylsyresalt i et molforhold på 70:30 til 95:5 som er tverrbundet slik at mindre enn 30 vekt%

av den tørre polymer er vannløselig, og slik at gelen kan absorbere utløsbart minst 15 ganger sin egen vekt. Andre produkter som er nevnt i disse skrifter, er Viterra 2, som er beskrevet som en svært lett tverrbundet 70:30 polyakrylamid-kaliumakrylatkopolymer, og Agrohyd G12H som er angitt å være et svært kraftig tverrbundet polyakrylamid som ikke inneholder mer enn 5 mol% akrylat-grupper på grunn av hydrolyse av akrylamidet. Vi antar at Agrohyd G12H er et produkt i samsvar med britisk patentskrift nr. 2 054 706A.

Det som det legges vekt på i alle disse dokumenter

er å oppnå høy vannabsorpsjon. For eksempel er det i PCT-publikasjon 83/00498 angitt at Viterra 2 har fremragende evne til å absorbere fuktighet, men det er forkastet på

grunn av at det har et svært høyt innhold av vannløselig materiale på grunn av utilstrekkelig tverrbinding. Agrohyd G12H er forkastet fordi dets evne til å absorbere fuktighet

er lav, trolig på grunn av den kraftige tverrbinding. Produktene i publikasjon 83/00498 er angitt å tilveiebringe en effektiv balanse av egenskaper mellom disse to ytterpunkter. De spesielle materialer som er eksemplifisert i denne publikasjon som materialer som gir disse ønskelige egenskaper,

er kopolymerer av akrylamid og akrylsyre tverrbundet med metylenbisakrylamid hvor mengden av akrylsyre og tverrbindingsmiddel er henholdsvis 25% og 1200 ppm i eksempel 1, 10%

og 500 ppm i eksempel 2 og fra 0 til 50% og 1000 ppm i eksempel 6. Formålet i denne publikasjon er å forbedre "retensjonen", som er definert som mengden av vandig fosfatholdig plantenærings løsning som er absorbert av polymeren. Det er angitt at retensjonen forbedres med økende andel av akrylsyre i polymeren, og påvisningen i publikasjonen viser at akrylamid-homopolymeren tverrbundet med 1000 ppm tverrbindingsmiddel har svært dårlig "retensjon".

Den generelle stilling på fagområdet har derfor vært

å vende seg mot polymerer som har en løselig komponent og som har maksimal absorpsjon (eller retensjon) av vandig løsning som tilføres til dem, og det er blitt erkjent at akrylamid-akrylat-kopolymerer er meget effektive.

Vi har nå innsett at disse antagelser er feilaktige

og at maksimal vannabsorpsjon av polymeren vanligvis ikke er forbundet med optimale resultater i marken. For det første, så er de meningsfulle vann-absorpsjons-verdier slike som er registrert i jordbunnen, og ikke i laboratoriet,

på grunn av det ioniske forhold som er fremherskende i jordbunnen. For det annet, så er de høyeste vann-absorpsjons-verdier ofte fulgt av fysikalsk ustabilitet, med det resultat at polymerpartiklene brytes ned til pulver under gjentatt bløting og tørking. For det tredje, så kan nærværet av løselige ioniske komponenter være toksiske mot plantevekst, spesielt i frø-trinnet. For det fjerde, og viktigst, så

er den kritiske egenskap som er vesentlig, ikke vann-absorp-

sjonen i polymeren, men forskjellen mellom vann-absorpsjonen i polymeren og vann-fastholdelsen i polymeren. Vann-absorpsjonen i polymeren er den mengde vann som absorberes av polymeren når jordbunnen, i hvilken den er blandet, blir gjennombløtet med vann. Verdien for vann-fastholdelsen er den mengde vann som holdes av polymeren når plantene som vokser i jordbunnen som inneholder polymeren, begynner å visne. Det er således en indikasjon på hvor mye vann som holdes innelukket i polymeren i jordbunnen. Høy vann-absorps jon er ofte forbundet med høy vann-fastholdelse,

og det vannet som fastholdes i polymeren under tørke-forhold har ingen verdi for planteveksten.

Det har vært vårt formål å finne opp et additiv for

et plantevekstmedium som gir forbedrede resultater sammenlignet med de kjente additiver, og ved oppfinnelsen har vi oppnådd dette delvis som et resultat av den forbedrede forståelse som er beskrevet ovenfor om de egenskaper som er nødvendige for et slikt additiv.

En polymer i henhold til denne oppfinnelse for anvendelse som et additiv for plantevekstmedia, er et partikkelformet,

i alt vesentlig ikke-ionisk polyakrylamid som er tverrbundet med ca. 10 til ca. 600 ppm, basert på polymer-vekten, av tverrbindingsmiddel.

Polymeren må ikke inneholde noen betydelige mengder

av anioniske eller kationiske grupper. For eksempel må

den totale mengde av slike grupper, innbefattet slike som er dannet ved tilfeldig hydrolyse av monomeren eller polymeren, ikke være mer enn 4 mol%, og fortrinnsvis ikke mer enn 2 mol%. I alminnelighet er den totale mengde fra 0

til 1 mol%.

Polymeren er fortrinnsvis dannet fra akrylamid alene (sammen med tverrbindingsmiddel), men den kan også være

dannet fra en blanding av akrylamid og andre ikke-ioniske etylenisk umettede monomerer, for eksempel metakrylamid eller polyvinylpyrrolidon eller polyalkylenoksyd. Mengden av hver av slike andre monomerer er vanligvis under 25 mol%.

For å oppnå de beste resultater bør mengden av tverrbindingsmiddel være mellom 20 og 500 ppm. Vanligvis er mengden under 300, fortrinnsvis under 200 og mest foretrukket under 100 ppm. Mengden er vanligvis over 30 ppm. Spesielt

gode resultater er oppnådd med tverrbindings-mengder på

ca. 50 ppm, for eksempel i området 30 til 80 ppm.

Det foretrukne additiv er polyakrylamid-homopolymer

(dannet ved polymerisering av kommersielt rent akrylamid)

tverrbundet med ca. 50 ppm tverrbindingsmiddel.

Tverrbindingsmidlet er vanligvis metylenbisakrylamid (MBA), men det kan i stedet anvendes lignende mengder av

andre tverrbindingsmidler. Vanligvis vil tverrbindingsmidlet være vannløselig siden polymeren «vanligvis blir dannet i løsning.

Polymerpartiklene kan dannes ved kjente metoder. For eksempel kan de dannes ved invers suspensjons- eller emul-sjons-polymerisasjon, fulgt av separering av de tørkede partikler, men de blir mest foretrukket dannet ved gelpoly-merisasjon fulgt av pulverisering. Gelen kan pulveriseres og så tørkes, eller den kan tørkes og så pulveriseres. Partiklene har i alminnelighet en størrelse på mindre enn

5 mm, og vanligvis mindre enn 3 eller 2 mm. Vanligvis er

det ønskelig at partiklene skal være så små som mulig, men dersom de er for små kan støving være et problem under be-handling, og derfor er partiklene vanligvis minst 0,05 mm. Foretrukne materialer har en partikkelstørrelse på fra 0,05 til 1, og mest foretrukket 0,05 til 0,5 mm.

Når polymer-partiklene som anvendes ved oppfinnelsen svelles med vann, blir de vanligvis seige og klebrige, mens sterkere tverrbundne polymerer er mye mindre klebrige.

Det er kjent at tverrbundne polymerer vanligvis inneholder

noe løselig materiale, men det synes som om den lave grad av tverrbinding ved oppfinnelsen fører til en spesielt ønskelig kombinasjon av uløselige og løselige bestanddeler, og at dette på sin side fører til klebrighet. Det synes trolig at de uløselige partikler i henhold til oppfinnelsen inneholder vannløselig polymer. Partiklene kan imidlertid be-traktes som uløselige, siden, under normale anvendelsesfor-hold, vannmengden i plantevekstblandingen vil være utilstrekkelig til å utlute noen betydelig mengde av løselig polymer ut fra og bort fra partiklene.

Plantevekstblandingen kan dannes ved å tilsette det partikkelformede materiale til det porøse vekstmedium.

En stor mangfoldighet av vekstmedier kan anvendes. Et syn-tetisk vekstmedium, så som et flak av hydrofil mineralull, kan anvendes, men vekstmediet er fortrinnsvis partikkelformet, for eksempel torv, jord eller sand. Blandingen kan anvendes som en potteblanding, for eksempel i potter eller esker, eller den kan settes til jorden og graves inn i over-flate jorden .

Oppfinnelsen er spesielt nyttig når det porøse vekstmedium er sand, sandaktig jord eller annet medium som, uten tilsetning av polymer-materiale, ville ha svært dårlige vann-reten-sjons-egenskaper. Selv om partiklene gir en forbedring når de settes til for eksempel kompost av god kvalitet,

så er forbedringen mye klarere, spesielt når mengden av tverrbindingsmiddel er under 100 ppm, når vekstmediet er et dårlig materiale, så som sand eller annen mager jord. Oppfinnelsen er spesielt nyttig når frø er plantet i jord

som ikke får regelmessig vanntilførsel.

Polymeren kan bestå av bare homopolymeren, eller polymeren kan være blandet med næringsstoff eller andre komponenter som er nyttig for plantevekst.

Den mengde polymer som tilsettes vekstmediet vil avhenge av vekstmediet og anvendelses-forholdene, men den ligger vanligvis i området 0,1 til 5 vekt%, og mest foretrukket 0,1 til 1 vekt%.

For å anvendes i de etterfølgende eksempler (som illu-strerer utnyttelse av oppfinnelsen), ble det fremstilt en rekke tverrbundne polyakrylamider ved å sette en egnet mengde av metylenbisakrylamid til en 25 %ig vandig akrylamid-løsning ved pH 4-6. Mens det ble spylt med nitrogen ble det så

tilsatt 1 ppm Fe^<+>(tilsatt som jernammoniumsulfat) og 50

ppm ammoniumpersulfat (basert på monomer). Polymerisasjonen fortsatte. De resulterende geler ble enten oppslemmet i aceton ved anvendelse av en mekanisk desintegrator og partiklene fjernet og tørket, eller de ble oppsmuldret direkte og tørket. Begge metoder gav partikler i størrelsesområdet 0,5 til

5,0 mm.

Eksempler 1- 6

Hvert av produktene, med forskjellige mengder av tverrbindingsmidler, ble blandet med John Innes frøplante-kompost i en grad av 20 g/l. Reddik-frø ble plantet i hver potte, og alle pottene mottok like volumdeler vann opprinnelig og ved etterfølgende vanninger. Etter 10 dager ble prøvene undersøkt, og høyden på frøplantene ble målt. Tabell 1 viser resultatene (PAM er polyakrylamid, og MBA er metylen-bisakrylamid).

Eksempler 7- 11

Polymerene fra eksemplene 3 og 6 ble undersøkt ved polymer-tilsetningsmengder på 3 og 15 g/l. Fem potter med diameter 7,5 cm ble fylt med John Innes forbindelse innehol-dende polymeren, og reddikfrø ble plantet. Pottene ble anbrakt under kunstig lys. 100 ml-porsjoner av vann ble tilsatt. 25 ml-alikvoter av vann ble tilsatt til hver med 3 dagers intervaller. Frøplantene ble undersøkt etter 10 og 16 dager med hensyn til høyde. Resultatene er angitt i tabell 2.

Eksempler 12 - 21

Disse tester var beregnet på å vurdere vann-retensjons-evnen til polymerene i god og i dårlig jord. Den gode jorden var John Innes frøplante-kompost, og den dårlige jord var sand. Tiden etter en endelig vanning og inntil reddikene visnet, ble notert. Polymer ble tilsatt med 20 g/l, og like volumdeler vann ble tilsatt ved regelmessige intervaller inntil plantene nådde et fire-blads-trinn. Vanningen ble avbrutt, og tiden inntil frøplantene visnet, ble notert. Resultatene er vist i tabell 3.

Eksempel 22

En serie av tester på veksten av reddik-frøplanter ble utført ved anvendelse av akrylamid-homopolymer tverrbundet med 50, 500 eller 5000 ppm metylen-bisakrylamid og med kopolymerer av 90% akrylamid og 10% natriumakrylat eller 70% akrylamid og 30% natriumakrylat igjen med 50, 500 eller 5000 ppm metylenbisakrylamid. Veksten av frøplanter i det samme vekstmedium, men uten tilsetning av noen polymer,

ble også observert. Alle testene med akrylamidhomopolymer gav bedre vekst enn sammenligningsprøven. Alle testene med akrylamid-akrylsyre-kopolymerer gav dårligere resultater, og det var virkelig ingen frøplante-vekst i det hele tatt med 90:10-kopolymeren tverrbundet med 50 ppm tverrbindingsmiddel eller 70 :,30-kopolymerer tverrbundet med 50, 500 eller 5000 ppm tverrbindingsmiddel. Homopolymerene tverrbundet med 50 og 500 ppm gav den beste frøplante-vekst, og optimale resultater ble oppnådd med 50 ppm tverrbindingsmiddel og en partikkelstørrelse under 335 pm.

Eksempel 23

Det ble dannet en rekke ikke-ioniske akrylamid-polymerer, med varierende MBA-nivå fra 0 til 50.000 ppm.

Til en serie potter ble det satt en blanding av hver polymer etter tur (1,6 g) og sand (200 g). I hver potte ble det plantet 10 reddik-frø. Hele forsøket ble gjentatt.

Vanning ble utført på hver av dagene 1 til 4 ved forsøket. I hvert tilfelle ble vann tilsatt inntil det begynte å renne bort fra bunnen av potten, og da ble potten veid. Etter 4 dager hadde hver potte nådd sin felt-kapasitet. Felt-kapasiteten er mengden av vann som er absorbert i mediet, innbefattet polymeren.

Etter 4. dag ble pottene hensatt for å tørke ut, og

de ble veid ved hyppige intervaller. Visne-tiden for reddiken ble notert for hver potte, og vann-innholdet når 50% reddik-visning var funnet. Den nedskrevne verdi, kalt visne-punktet, er en indikasjon på den mengden vann som fastholdes i polymeren og som er utilgjengelig for frøplantene. Den kritiske egenskap for polymeren er det tilgjengelige vanninnhold, oppnådd ved å trekke visnepunktet fra felt-kapasiteten. Resultatene er vist nedenfor:

Claims (8)

1. Polymer for anvendelse som additiv til et plantevekstmedium og som er en partikkelformet akrylamid-polymer, karakterisert ved at polymeren er et i alt vesentlig ikke-ionisk polyakrylamid som er tverrbundet med fra 10 til Jj&a-rj 600 ppm, basert på po ly me r-ve kt en, av tverrbindingsmiddel .

2. Polymer i henhold til krav 1, karakterisert ved at mengden av tverrbindingsmiddel er fra 20 til 100 ppm.

3. Polymer i henhold til krav 1, karakterisert ved at mengden av tverrbindingsmiddel er ca. 50 ppm.

4. Polymer i henhold til hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at tverrbindingsmidlet er metylenbisakrylamid.

5. Polymer i henhold til hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at partiklene har en størrelse på fra 0,05 til 1 mm.

6. Polymer i henhold til hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at partiklene hovedsakelig har en størrelse på fra 0,05 til 0,5 mm.

7. Plantevekstmedium, karakterisert ved at det er blitt inkorporert en polymer i henhold til hvilket som helst av de foregående krav.

8. Fremgangsmåte ved hvilken planter dyrkes i et plantevekstmedium, karakterisert ved at det er blitt inkorporert en polymer i henhold til hvilket som helst av kravene 1 til 7.