一种可生物降解的质轻垒土及其制备方法
技术领域
本发明属于营养土的制备领域，尤其涉及一种可生物降解的质轻可塑营养土。
背景技术
营养土是为了满足幼苗生长发育而专门配制的含有多种矿质营养，疏松通气，保水保肥能力强，无病虫害的床土。为了满足花卉苗木生长发育的需要，根据各类品种对土壤的不同要求，用人工专门配置的含有丰富养料、具有良好排水和透气性能、能保湿保肥、干燥时不龟裂、潮湿时不粘结、浇水后不结皮的培养土。随着全球变暖，污染加剧，现代人们环保的意识的增强，进而带动园林绿化和花卉苗木行业的高速发展,而如何保证培养土不流失和飞散，可固化，增强土壤的保水能力的同时又保持培养土的通风透气性成为人们的研发方向。
近几年，大中城市为了促进绿化和保护环境，在屋顶、屋面、人造斜坡、高层墙面等高层地面进行绿化。目前比较普遍的方法是在塑料托盘里填营养土或者用无纺布包裹，然后整个植物连袋子一起放在屋顶和人造斜坡上，但这种方法带来建筑受力重，植物水土易流失，易板结，排水性不好等问题。
我国人口老龄化逐步加快，农村人口的逐步减少，农活的机械化和规模化正在不断推动，自动插秧机和抛秧技术得到广泛的采用。目前移栽时通常是将包裹着培养土的小苗从塑料模具中取出，放到自动插种机中去种植，但由于植物根系部分的培养土固定效果不佳，收到碰撞时易散开，使种植机的种植效率不高。我国沙漠化严重，植被恢复是治理石漠化灾害的根本途径，目前乔木种植基盘技术为植被恢复的主要研究方向，该技术可在不进行人工常态化浇水施肥的条件下实现乔木种植的早期成活及后续可持续生长，以基盘内的保水性营养土保障单株树木的成活、以树木根系进入基盘底部汲湿根后充分汲取岩石裂隙内的地下水，从而实现树木的后期可持续生长。但该技术的基盘营养土在移栽过程中，碰撞时易散开，影响种植效率。
中国发明专利CN105367216B公开了一种可塑性纤维培养土及其制备方法，该培养土可塑成型，改变土壤易散落的属性，并具有良好的持水率。但该培养土中含有双组分热熔粘结复合纤维，虽然可以循环利用，但属于非降解塑料，废弃在环境中易造成污染，不符合现在提倡的绿色环保理念。现有的生物炭棉是用生物炭、草炭、珍珠棉、进口缓释肥、高分子聚合物等制作的无土营养钵，能直接代替盆栽的基土和容器，具有干净、卫生、成活率高、管理方便、更换容易等优势，但其保水效果不好，必须在进行人工常态化浇水施肥的条件下才能正常种植植物，不适于缺水的环境下种植绿植，并且组成成分中含有非降解物质，废弃在环境中易造成污染。
发明内容
本发明提供了一种可生物降解的质轻垒土，主要目的是可塑成型，质轻，土壤不易散落，不污染环境，可种植各种不同的植物，并具有优良的保水性和透气性能，以适应立体绿化行业的可重复使用需求，也可以适应旱土机械化插种和沙漠化植物种植的可降解使用需求。
为了实现本发明的目的，本发明提供了一种可生物降解的质轻垒土，包括基土、植物纤维、硅藻土、沸石、凹凸棒石、蛭石和多孔复合材料，其中上述各组分的重量份数为基土15-30份、植物纤维20-40份、硅藻土10-20份、沸石5-10份、凹凸棒石10-20份、蛭石5-10份、多孔复合材料5-10份，其制备方法为：先将基土、植物纤维、硅藻土、沸石、凹凸棒石、蛭石和多孔复合材料搅拌混合均匀，然后进行低温灭菌处理，在120-140℃下加热加压制得所需形状的可生物降解的质轻垒土。
进一步的，所述植物纤维是由农作物的秸秆、木屑、水藻、竹屑或树叶等植物晒干后进行粉碎而制得，所述植物纤维的长度为3-6mm。
进一步的，所述硅藻土与沸石的粒径为2-4mm；所述凹凸棒石与蛭石的粒径为1-3mm。
进一步的，所述多孔复合材料的粒径为1-3mm。
进一步的，所述多孔复合材料是由PHB、脂肪族聚碳酸酯、植物纤维素和聚己内酯组成，其制备方法包括以下步骤：
(1)表面改性植物纤维素：将植物纤维素浸渍于2mol/L的NaOH溶液和硅烷浸渍剂中，在50-70℃下浸渍2-3h，经过滤，干燥，得到表面改性的纤维素；
(2)纤维素/聚己内酯混合：将上述表面改性的纤维素和聚己内酯混合均匀，在压力为5-8MPa,温度为80-100℃下反应1-2h，制得交联的纤维素/聚己内酯混合物；
(3)多孔复合材料：先将CO2通过挤出机筒上的注气口计量泵注入挤出机内，将挤出机内腔中的空气排净，继续通入CO2，然后将上述纤维素/聚己内酯混合物、脂肪族聚碳酸酯和PHB混合均匀后送入挤出机内腔中混合3-5min，挤出造粒，制得多孔复合材料。
进一步的，所述植物纤维素的制备方法为：将植物秸秆晒干后粉碎，在50％的硫酸溶液中水解30min，然后用NaOH溶液进行中和处理，再用蒸馏水清洗至中性，干燥，即得所需植物纤维素。
进一步的，所述步骤(1)中，所述NaOH溶液和所述硅烷浸渍剂的质量比为1:(2-3)。
进一步的，所述步骤(2)中，所述表面改性的纤维素与聚己内酯的质量比为1：(3-7)。
进一步的，所述步骤(3)中，所述纤维素/聚己内酯混合物、脂肪族聚碳酸酯和PHB的质量比为2：(0.5-1)：(3-6)。
进一步的，所述步骤(3)中，所述挤出机内腔温度设置为80-100℃，所述挤出机机头处熔体压力为6-10MPa。
本发明取得了以下有益效果：
1、本发明的多孔复合材料将植物纤维素进行改性，使表面改性的纤维素与聚己内酯能在高温高压下交联，制得三维网络结构的纤维素/聚己内酯混合物。聚己内酯具有很好的机械性能和热稳定性，还具有优良的韧性和相容性，可提高多孔复合材料的热稳定性，改善纤维素的韧性，加强与PHB和垒土基质的相融性。
2、本发明的多孔复合材料采用PHB、脂肪族聚碳酸酯与接枝淀粉/聚己内酯混合物共混制得，PHB与纤维素/聚己内酯交联共混，进一步改善了多孔复合材料的热塑性，使其加工出多种形状的成品；相容性好的脂肪族聚碳酸酯和聚己内酯使多孔复合材料组分之间相融性好，且能使多孔复合材料与垒土基质之间具有很好的相融性，有利于多孔复合材料的可塑稳定性，从而有效实现在垒土中的各项使用性能。
3、本发明采用物理发泡剂CO2将PHB、脂肪族聚碳酸酯与接枝淀粉/聚己内酯混合物在挤出机中进行发泡处理，生产过程易控制，且由于多孔复合材料的组分在挤出机中生成网络结构的共混物，该共混物在物理发泡剂CO2的作用下，制得孔径大、孔隙度高的多孔复合材料，因此该多孔复合材料单位体积的质量轻，则与垒土基质结合时，使垒土单位体积的质量减小，孔隙度增加。
4、本发明的植物纤维来自于弃用的农作物，合理利用资源，价格便宜，其长度设置为3-6mm，该尺寸的植物纤维与多孔复合材料的粒度有效配合，发生热熔粘结，从而两者之间形成三维网状结构，并具有良好的保水性和透气性。
5、本发明的硅藻土具有质轻、多孔和渗透性强的特性，本发明中硅藻土的粒径与垒土中其它成分结合，使垒土具有更好的保水性能，并且使垒土内部结构孔隙度达到最佳；沸石是一种含水的碱金属或碱金属的铝硅酸矿物，具有吸附性、离子交换性等特性，它能为植物提供所需的营养基质；凹凸棒石使垒土具有优良的吸附性，起到除虫杀菌的作用，并提供植物生长的必要微量元素；蛭石，具有质轻，良好的通气、持水、透水性能，并且阳离子代换量很高，能为植物提供所需的营养和保持良好的保水率。
6、本发明中的多孔复合材料组分的熔融温度和分解温度相差不大，脂肪族聚碳酸酯的热分解温度较低，因此塑性垒土加热处理时，加工温度要求较严格，一般控制120-140℃之间，这样有利于多孔复合材料与垒土各组分之间粘结效果较好，且多孔复合材料不会产生热分解；由于多孔复合材料能被环境微生物完全分解，其与垒土各组分结合，在一定的时间和条件下自然降解，不会给自然环境产生负担。
7、本发明中的多孔复合材料可与垒土基质相融，主要是利用了PHB、聚己内酯和脂肪族聚碳酸酯可加工成型特性，将其与改性纤维素共混，而制得可固化、质轻、且有可塑性的多孔复合材料。复合材料中由于改性纤维素的存在，以及发泡处理的多孔结构，使其具有优良保水性；本发明的多孔结构可与垒土各组分均匀结合，不易结球，并形成良好的植物生长孔隙。
8、本发明垒土具有很好的持水性能，无需再加入保水剂，节约成本，减少环境负担，保证了垒土原有的固化结构。
9、本发明的垒土能够固化成型，从而解决了土壤散落和遇水冲洗流失的问题，而且保证了植物所需垒土中的基础营养物质；本发明的垒土质轻，施工固化性好，保水性能佳等特性，能为立体绿化、高层绿化工程及沙漠化等生态环境修复得以实现，且不污染环境；本发明的垒土包裹小苗后，能进行旱土机械化插种入土壤中，无需回收，其可由土壤中的微生物降解，不污染环境，绿化环保。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合具体实施例对本发明可生物降解的质轻垒土的相关物理特性，如孔隙度、持水性、植物生长状况、垒土的稳定性、酸碱度值和土壤颗粒组成进行观测和计算。
1、质轻垒土孔隙度的测定：土壤的孔隙结构是土壤中水和空气的容纳空间，也是植物根系的生活空间，是植物生长状况的重要指标。
土壤孔隙度是指土壤空隙容积占土体容积的百分比，公式为：土壤孔隙度(％)＝(1-容重/比重)*100％，容重是指单位体积(包括空隙体积)内，自然干燥土壤的重量与同体积水的重量之比；比重是指单位体积的固体土粒(除去空隙的土粒实体)的重量与同体积水的重量之比。
2、持水性的测定：垒土块在水中浸泡30min使其充分吸水，拿出至无自由水流出后称重，等5个小时后再称量。将土样置于105℃±2℃的烘箱中烘至恒重，即可使其所含水分(包括吸湿水)全部蒸发殆尽，以此求算土壤水分含量。具体步骤参照按GB%207172-1987土壤水分测定法操作。
3、植物生长状况观测：在各实施例和对比例中，播种黄瓜30天后，观察幼苗的生长状况。
种植的黄瓜幼苗苗径壮实，难拔起，叶子茂盛翠绿，记为很好；黄瓜幼苗较壮实，不容易拔起和倒苗，叶子状态一般，记为好；黄瓜幼苗细小，较容易拔起，倒苗，叶子状态一般，记为一般；其它记为差。
4、酸碱度值得测定：取少量垒土块粉碎，将其在蒸馏水中搅拌均匀，充分溶解，然后将PH试纸浸泡在水中，观察PH试纸的颜色变化，待其颜色基本稳定不变化时，与标准比色卡的数字对应比较，准确读出土壤pH值的教字。
5、植物生长垒土的稳定性观测：种植黄瓜30天后拿起幼苗时，观测幼苗根块的整体性。
易提取，垒土块不散落，记为4；易提取，垒土块部分散落，记为3；不易提取，垒土块散落，记为2；不能提取，垒土块和砂砾一样完全散落，记为1。
6、土壤颗粒组成的测定：土壤是由粒径不同的各粒级颗粒组成的，各粒级颗粒的相对含量即颗粒组成，对土壤的水、热、肥、气状况都有深刻的影响。土壤颗粒分析即是测定土壤的颗粒组成，并以此确定土壤的质地类型。本试验采用手测质地方法，按国家标准GB7845-1987森林土壤颗粒组成(机械组成)的测定分级标准(下表)。
表1土壤颗粒分级标准
本发明中的多孔复合材料是由生物降解聚合物、聚己内酯、淀粉和纤维素组成，其制备方法包括以下步骤：
1)将植物秸秆晒干后粉碎，在50％的硫酸溶液中水解30min，然后用NaOH溶液进行中和处理，再用蒸馏水清洗至中性，干燥，即得植物纤维素。
2)表面改性植物纤维素：将上述植物纤维素浸渍于2mol/L的NaOH溶液和硅烷浸渍剂中，在50-70℃下浸渍2-3h，经过滤，干燥，得到表面改性的纤维素；其中，NaOH溶液和硅烷浸渍剂的质量比为1:(2-3)。
3)纤维素/聚己内酯混合：将上述表面改性的纤维素和聚己内酯混合均匀，在压力为5-8MPa,温度为80-100℃下反应1-2h，制得交联的纤维素/聚己内酯混合物；其中，表面改性的纤维素与聚己内酯的质量比为1：(3-7)。
4)多孔复合材料：先将CO2通过挤出机筒上的注气口计量泵注入挤出机内，将挤出机内腔中的空气排净，继续通入CO2，然后将上述纤维素/聚己内酯混合物、脂肪族聚碳酸酯和PHB混合均匀后送入挤出机内腔中混合3-5min，将挤出机内腔温度设置为80-100℃，挤出机机头处熔体压力为6-10MPa，挤出造粒，制得与垒土基质相融的多孔复合材料a1。其中，纤维素/聚己内酯混合物、脂肪族聚碳酸酯和PHB的质量比为2：(0.5-1)：(3-6)。
而本发明后续的实施例或对比例的多孔复合材料中，步骤2)中NaOH溶液和硅烷浸渍剂的质量比为1:2；步骤3)中表面改性的纤维素与聚己内酯的质量比为1：5；步骤4)中纤维素/聚己内酯混合物、脂肪族聚碳酸酯和PHB的质量比为2：1：5。
本发明的可生物降解的质轻垒土组分中的基土可以为下述实施例和对比例中的黄土，也可以为经过除菌处理的园土。
实施例1：可生物降解的质轻垒土A1的制备
(1)将秸秆晒干粉碎，制得长度为4mm的植物纤维粉，然后将该植物纤维粉30份、黄土20份、硅藻土15份、沸石5份、凹凸棒石15份、蛭石8份、上述的多孔复合材料7份的垒土基材混合，搅拌均匀。
(2)将步骤(1)中混合配置的垒土基材进行低温灭菌处理，在160-170℃下加热5min，用压型装置对塑性垒土进行压膜成型，制得塑性垒土块A1。然后塑性垒土块的孔隙度、持水性、植物生长状况、垒土的稳定性、酸碱度值和土壤颗粒组成，按上述测试方法进行检测，测得的检测结果见表2。
实施例2：可生物降解的质轻垒土A2的制备
A2的制备方法同实施例1中A1相同，具体步骤参照实施例1，值得注意的是，A2中的垒土基材配比为植物纤维粉40份、黄土15份、硅藻土10份、沸石5份、凹凸棒石15份、蛭石8份、多孔复合材料7份。检测结果见表2。
实施例3：可生物降解的质轻垒土A3的制备
A3的制备方法同实施例1中A1相同，具体步骤参照实施例1，值得注意的是，A3中的垒土基材配比为植物纤维粉20份、黄土30份、硅藻土15份、沸石5份、凹凸棒石15份、蛭石110份、多孔复合材料7份。检测结果见表2。
实施例4：可生物降解的质轻垒土A4的制备
A4的制备方法同实施例1中A1相同，具体步骤参照实施例1，值得注意的是，植物纤维粉是长度为3mm的秸秆晒干粉末。检测结果见表2。
实施例5：可生物降解的质轻垒土A5的制备
A5的制备方法同实施例1中A1相同，具体步骤参照实施例1，值得注意的是，植物纤维粉是长度为6mm的秸秆晒干粉末。检测结果见表2。
对比例1：培养土B1的制备
B1的制备方法同实施例1中A1相同，具体步骤参照实施例1，值得注意的是，植物纤维粉是长度为2mm的秸秆晒干粉末。检测结果见表2。
对比例2：培养土B2的制备
B2的制备方法同实施例1中A1相同，具体步骤参照实施例1，值得注意的是，植物纤维粉是长度为7mm的秸秆晒干粉末。检测结果见表2。
对比例3：培养土B3的制备
B3的制备方法同实施例1中A1相同，具体步骤参照实施例1，值得注意的是，B3中的培养土基材配比为植物纤维粉0份、黄土30份、硅藻土35份、沸石5份、凹凸棒石12份、蛭石10份、多孔复合材料8份。检测结果见表2。
对比例4：培养土B4的制备
B4的制备方法同实施例1中A1相同，具体步骤参照实施例1，值得注意的是，B4中的培养土基材配比为植物纤维粉30份、黄土20份、硅藻土15份、沸石5份、凹凸棒石15份、蛭石8份、多孔复合材料0份。检测结果见表2。
表2实施例1-5和对比例1-4的检测结果表
从表2可以看出，没有添加生物降解复合材料，培养土不具有可塑成型的特性，同时植物纤维粉对塑性垒土的空隙结构有着很大的影响，植物纤维粉添加量越大，则孔隙度相应增大，植物生长的稳定性下降。植物纤维粉的长度在3-6mm之间时，塑性垒土的综合性能最佳，最适宜生物生长。
本发明中，实施例1-5和对比例1-4中硅藻土的粒径为3mm，沸石的粒径为2-4mm，凹凸棒石与蛭石的粒径为1-3mm，多孔复合纤维的粒径为1-3mm。
下面实施例是对垒土基材中组分的含量对塑性垒土的影响。
实施例6：可生物降解的质轻垒土A6的制备
A6的制备方法同实施例1中A1相同，具体步骤参照实施例1，值得注意的是，A6中的垒土基材配比为植物纤维粉30份、黄土23份、硅藻土10份、沸石5份、凹凸棒石15份、蛭石10份、多孔复合材料7份。检测结果见表3。
实施例7：可生物降解的质轻垒土A7的制备
A7的制备方法同实施例1中A1相同，具体步骤参照实施例1，值得注意的是，A7中的垒土基材配比为植物纤维粉30份、黄土18份、硅藻土20份、沸石5份、凹凸棒石15份、蛭石5份、多孔复合材料7份。检测结果见表3。
实施例8：可生物降解的质轻垒土A8的制备
A8的制备方法同实施例1中A1相同，具体步骤参照实施例1，值得注意的是，A8中的垒土基材配比为植物纤维粉30份、黄土25份、硅藻土15份、沸石5份、凹凸棒石10份、蛭石8份、多孔复合材料7份。检测结果见表3。
实施例9：可生物降解的质轻垒土A9的制备
A9的制备方法同实施例1中A1相同，具体步骤参照实施例1，值得注意的是，A9中的垒土基材配比为植物纤维粉30份、黄土20份、硅藻土10份、沸石5份、凹凸棒石20份、蛭石8份、多孔复合材料7份。检测结果见表3。
实施例10：可生物降解的质轻垒土A10的制备
A10的制备方法同实施例1中A1相同，具体步骤参照实施例1，值得注意的是，A10中的垒土基材配比为植物纤维粉30份、黄土15份、硅藻土15份、沸石10份、凹凸棒石15份、蛭石8份、多孔复合材料7份。检测结果见表3。
实施例11：可生物降解的质轻垒土A11的制备
A11的制备方法同实施例1中A1相同，具体步骤参照实施例1，值得注意的是，A11中的垒土基材配比为植物纤维粉30份、黄土22份、硅藻土15份、沸石5份、凹凸棒石15份、蛭石8份、多孔复合材料5份。检测结果见表3。
实施例12：可生物降解的质轻垒土A12的制备
A12的制备方法同实施例1中A1相同，具体步骤参照实施例1，值得注意的是，A12中的垒土基材配比为植物纤维粉30份、黄土17份、硅藻土15份、沸石5份、凹凸棒石15份、蛭石8份、多孔复合材料10份。检测结果见表3。
对比例5：发明专利CN105367216B公开的可塑性纤维培养土，其具体实施例中实施例1制备的活性纤维块B5。将制得的活性纤维块B5进行如实施1中所述的检测项目和方法，检测结果见表3。
表3实施例6-12和对比例5的检测结果表
从表3的检测结果可以看出，本发明塑性垒土的最佳配比为植物纤维粉20份、黄土30份、硅藻土15份、沸石5份、凹凸棒石12份、蛭石10份、多孔复合材料8份，该配比的塑性垒土的综合性质最佳，是黄瓜的最佳生长土壤。根据植物的种类不同，可适当改变塑性垒土组分的含量，以获得植物的最佳生长状态。
实施例13：可生物降解的质轻垒土A13的制备
A13的制备方法同实施例1中A1相同，具体步骤参照实施例1，值得注意的是，硅藻土的粒径为2mm。检测结果见表4。
实施例14：可生物降解的质轻垒土A14的制备
A14的制备方法同实施例1中A1相同，具体步骤参照实施例1，值得注意的是，硅藻土的粒径为4mm。检测结果见表4。
对比例6：培养土B6
B6的制备方法同实施例1中A1相同，具体步骤参照实施例1，值得注意的是，硅藻土的粒径为1mm。检测结果见表4。
对比例7：培养土B7
B7的制备方法同实施例1中A1相同，具体步骤参照实施例1，值得注意的是，硅藻土的粒径为5mm。检测结果见表4。
表4实施例13-14和对比例6-7的检测结果表
从表4的检测结果可以看出，硅藻土的粒度对质轻垒土的孔隙结构和持水性都有一定的影响，硅藻土的粒径过大或过小，均不利于质轻垒土的稳定性，经比较分析发现，在硅藻土的粒度控制在2-4mm时，其质轻垒土能够更好的满足植物生长。
值得注意的是，本发明垒土的制备方法也可以是：将基土、植物纤维、硅藻土、沸石、凹凸棒石、蛭石和多孔复合材料搅拌混合均匀，进行低温灭菌处理，然后加足量的水使其处于充分饱和吸水状态，再在120-140℃下加热加压制得所需形状的可生物降解的质轻垒土。加工过程中加入水分，通过水分蒸发过程就更容易有利于三维网状结构的形成，使其有更高的孔隙度，有利于植物的生长。
在垒土里播种时，一般是在垒土加热处理(即多孔复合材料与垒土其它成分加热熔融)之后再播种。本发明的垒土可以播种，也可以扦插。
本发明垒土固化成型后有以下适合种植的植物：西瓜、丝瓜、辣椒、葡萄、百合、牡丹、菊花、玫瑰、茄子、豆角、苦瓜、桂花、月季等，可根据植物所需营养不同，而改变垒土成分的含量。
本发明的可生物降解的质轻垒土具有可固化成型、可生物降解的特性，其具有优良的保水性能和通风透气性，有利于植物生长，可应用在立体绿化、环境修复的领域，也可以应用在屋顶绿化、墙面绿化，以及沙漠化治理方面。质轻垒土可以重复利用，也可以在环境中生物降解，不会污染环境，绿化环保。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
