CN105461885A - 一种用于植物培育的生物炭聚氨酯复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于植物培育的生物炭聚氨酯复合材料，由以下原料组分混合制成：聚醚多元醇30-35份，催化剂0.30-0.40份，泡沫稳定剂0.8-1.0份，植物培养基质材料45-75份，异氰酸酯15-25份。本发明能提供植物生长所需要空气和养分，比重小、韧性高、保水保肥效果好，且适合用于植物根系生长的特性；由于含有生物炭，产品还具有吸附空气中的PM2.5、净化雾霾等环保功能。

Description

一种用于植物培育的生物炭聚氨酯复合材料

技术领域

本发明涉及一种聚氨酯材料，特别涉及一种用于植物培育的生物炭聚氨酯复合材料。

背景技术

现代城市高楼林立，可供绿化的平面空间越来越少，建筑屋面、车库顶棚、墙体围墙、阳台、窗台等立体空间的绿化已成为改善城市生态环境的重要手段。发展立体绿化，能丰富城区园林绿化的空间结构层次和城市立体景观艺术效果，有助于进一步增加城市绿量，减少热岛效应，吸尘、减少噪音和有害气体，营造和改善城区生态环境。然而，传统绿化荷载重，新发展的轻基质营养土体大形散、保水保肥性差，用容器及金属固定，缺乏安全性，形式单一。如何研制出轻质、高效、安全、方便的人工固态基材以及各种功能型承载结构和种植盘，是直接影响绿化部分荷载的重量、植物生长状况之技术关键。

立体绿化的最大问题就是荷载。为使植物生长良好，同时尽量减轻荷载的重量，种植基盘内的种植基质一般要求具有稳定的理化性质；疏松透气，利于植物根系生长及排水；具有较强的保水保肥能力；容重较轻，不易产生病虫害等特点，所以一般采用人工轻质土而不是自然土。人工轻质土在国内外得到了广泛地运用，根据植物生长对养分、酸碱度等要求，选用含各种植物生长所需元素并且容重较小的人工轻量无机基质如蛭石、珍珠岩、泥炭，或者无机基质和有机基质按不同比例混合配比而成。由于草碳、泥炭等原料为不可再生资源，成本较高，目前世界各国都在研究用有机废弃物来代替泥炭、岩棉等，如加拿大用锯末，以色列用牛粪和葡萄渣，英国用椰子壳纤维等均获得良好效果。我国则开展了利用废弃笋壳、废弃山核桃外皮、甘蔗渣等各种农林有机废弃物制成有机栽培基质的研究。但是，成分不同的各种人工轻质土的缺点是形散需要容器，而且相对较重导致设计手法和植物选择比较单一，放置在承载结构上的容器易掉落存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于植物培育的生物炭聚氨酯复合材料，它能提供植物生长所需要空气和养分，比重小、韧性高、保水保肥效果好，且适合用于植物根系生长的特性；由于含有生物炭，产品还具有吸附空气中的PM2.5、净化雾霾等环保功能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于植物培育的生物炭聚氨酯复合材料，由以下原料组分混合制成：聚醚多元醇30-35份，催化剂0.30-0.40份，泡沫稳定剂0.8-1.0份，植物培养基质材料45-75份，异氰酸酯15-25份。

本发明针对现有技术的问题进行改进，将植物培养基质材料与聚氨酯进行复合。聚氨酯是主链上含有重复氨基甲酸酯基团的大分子化合物的统称，它是由有机二异氰酸酯或多异氰酸酯与二羟基或多羟基化合物加聚而成。本发明用聚氨酯的轻型、韧性等特点，把它作为植物生长材料的网状固定材料，通过对聚氨酯材料合成原料的合理选择及其与植物培养基质材料（生物炭、植物生长材料、保水材料等）的有机结合，生产出新型的生物炭聚氨酯复合材料，该材料具有轻型、适合植物根系生长、保水保肥性能佳、低碳环保等特点。它可制成具有承载结构和容器功能的植生板材，形成大小不同、形状各异、移动便利的绿化单元，提高安全性和设计的多样性，为城乡立体绿化提供一种重要的技术。

本发明首先对聚氨酯的合成原料（聚醚多元醇、异氰酸酯）进行特定组合，该组合反应获得的聚氨酯材料能够同植物培养基质材料很好的交联在一起，最终产品结构合理（空隙、持水性），适合植物根系生长。

本发明其次对植物培养基质材料进行特定配置，植物培养基质材料中采用生物炭（具有吸附空气中的PM2.5、净化雾霾等环保功能）、植物纤维（既具有保水功能，还能作为增强材料增加产品的牢固的）及吸水性树脂（保水性好）。

作为优选，所述聚醚多元醇由一种端胺基聚醚多元醇与二羟基聚醚多元醇、三羟基聚醚多元醇中的一种或两种组合而成。具体的，所述聚醚多元醇为2-3种聚醚多元醇的混合物。

本发明的聚醚多元醇中：端胺基聚醚多元醇占聚醚多元醇总重量的15-60%，该端胺基聚醚分子量在200-1000之间，胺值大于100mgKOH/g，其余聚醚多元醇为二羟基聚醚多元醇、三羟基聚醚多元醇中的一种或二种组合，二羟基聚醚多元醇、三羟基聚醚多元醇的分子量为1500-3500之间，羟值15-60mgKOH/g。

本发明这样特定组成的聚醚多元醇，生产的产品更适合植物种植。

作为优选，所述植物培养基质材料按重量份计由以下组分混合而成：生物炭颗粒30-50份，植物纤维材料50-70份，吸水性树脂1-3份。

本发明植物培养基质材料选择这样的组合同聚氨酯能相容，培养基质材料采用生物炭，性质较稳定，既具有一定的保水保肥性能，有具有较大的比表面积，适合于微生物和植物根系生长。纤维材料，适合植物根系生长，具有保水性，也可作为增强材料，增加产品的强度和软韧性。吸水性树脂，主要是保水作用。

作为优选，所述生物炭选自木炭、竹炭、稻壳炭、秸秆炭中的一种或几种。所述生物炭颗粒制备方法为：将生物原料在无氧或含氧量低于3%的条件下，450-700℃温度下裂解2-5小时，冷却、粉碎，过80目筛而得。生物原料选自木材、竹材、稻壳、秸秆等常见生物炭原料。

作为优选，所述植物纤维材料选自木纤维、椰壳纤维、竹纤维、泥炭纤维中的一种或几种。

作为优选，所述吸水性树脂选自丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物、纤维素与丙烯酸盐接枝或交联聚合物、纤维素与丙烯酰胺接枝或交联聚合物、淀粉-丙烯酸接枝共聚物中的一种。

作为优选，所述异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯、二苯甲烷二异氰酸酯、六甲基二异氰酸酯中的一种或几种。

作为优选，所述催化剂为三乙烯二胺、二乙烯三胺、三乙烯三胺、三乙醇胺中的一种或几种。

作为优选，所述泡沫稳定剂为聚醚改性硅油。

一种用于植物培育的生物炭聚氨酯复合材料的制备方法，步骤如下：

1）多元醇组份制备：将聚醚多元醇、催化剂、泡沫稳定剂混合，温度保持在20-35℃，搅拌混匀，制得多元醇组份；

（2）植物培养基质材料组分制备：植物培养基质材料放入去离子水中，在温度20-35℃条件下，搅拌混匀，最后得到含水量在60-200%的植物培养基质材料组分；

（3）生物炭聚氨酯复合材料制备：将步骤（2）得到的植物培养基质材料组分加入步骤（1）得到的多元醇组份中，搅拌混匀，再加入异氰酸酯，计时搅拌，8-20秒后，将混合物倒入模具中，在温度20-35℃条件下静止20-30分钟后脱模，再把脱模后产品放置在温度20-50℃、相对湿度小于60%的通风环境下熟化24-48小时后得到产品。

本发明的有益效果是：它能提供植物生长所需要空气和养分，比重小、韧性高、保水保肥效果好，且适合用于植物根系生长的特性；由于含有生物炭，产品还具有吸附空气中的PM2.5、净化雾霾等环保功能。此外，可以大幅减少立体绿化荷载，形成大小不同、移动便利的绿化单元，大幅降低建设费用和维护成本，从而解决了介质重而散、绿化模型单一、养护困难等问题，在森林城市建设中具有巨大的应用空间和发展前景。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

本发明的聚醚多元醇中：端胺基聚醚多元醇（市售）占聚醚多元醇总重量的15-60%，该端胺基聚醚分子量在200-1000之间，胺值大于100mgKOH/g，其余聚醚多元醇为二羟基聚醚多元醇（市售）、三羟基聚醚多元醇（市售）中的一种或二种组合，二羟基聚醚多元醇、三羟基聚醚多元醇的分子量为1500-3500之间，羟值15-60mgKOH/g。

实施例1：

一种用于植物培育的生物炭聚氨酯复合材料，配方为：由以下原料组分混合制成：聚醚多元醇30份，催化剂（三乙烯二胺）0.30份，泡沫稳定剂（聚醚改性硅油）0.8份，植物培养基质材料45份，异氰酸酯（甲苯二异氰酸酯）15份。

所述植物培养基质材料按重量份计由以下组分混合而成：生物炭颗粒30份，植物纤维材料（椰壳纤维，市售）50份，吸水性树脂（淀粉-丙烯酸接枝共聚物，市售）1份。所述生物炭颗粒（木炭）制备方法为：将木材在无氧，450℃温度下裂解5小时，冷却、粉碎，过80目筛而得。

一种用于植物培育的生物炭聚氨酯复合材料的制备方法，步骤如下：

（1）多元醇组份制备：将聚醚多元醇、催化剂、泡沫稳定剂混合，温度保持在20℃，充分搅拌15分钟，制得多元醇组份；

（2）植物培养基质材料组分制备：植物培养基质材料放入去离子水中，在温度20℃条件下，充分搅拌10分钟，最后得到含水量在60%的植物培养基质材料组分；

（3）生物炭聚氨酯复合材料制备：将步骤（2）得到的植物培养基质材料组分加入步骤（1）得到的多元醇组份中，搅拌10分钟，充分混合，再加入异氰酸酯，计时搅拌，8秒后，将混合物倒入模具中，在温度20℃条件下静止30分钟后脱模，再把脱模后产品放置在温度20℃、相对湿度小于60%的通风环境下熟化48小时后得到产品。

实施例2：

一种用于植物培育的生物炭聚氨酯复合材料，配方为：由以下原料组分混合制成：聚醚多元醇35份，催化剂（二乙烯三胺）0.40份，泡沫稳定剂（聚醚改性硅油）1.0份，植物培养基质材料75份，异氰酸酯（二苯甲烷二异氰酸酯）25份。

所述植物培养基质材料按重量份计由以下组分混合而成：生物炭颗粒50份，植物纤维材料（木纤维，市售）70份，吸水性树脂（丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物，市售）3份。所述生物炭颗粒（竹炭）制备方法为：将竹材在含氧量低于3%的条件下，700℃温度下裂解2小时，冷却、粉碎，过80目筛而得。

一种用于植物培育的生物炭聚氨酯复合材料的制备方法，步骤如下：

（1）多元醇组份制备：将聚醚多元醇、催化剂、泡沫稳定剂混合，温度保持在35℃，充分搅拌10分钟，制得多元醇组份；

（2）植物培养基质材料组分制备：植物培养基质材料放入去离子水中，在温度35℃条件下，充分搅拌5分钟，最后得到含水量在200%的植物培养基质材料组分；

（3）生物炭聚氨酯复合材料制备：将步骤（2）得到的植物培养基质材料组分加入步骤（1）得到的多元醇组份中，搅拌15分钟，充分混合，再加入异氰酸酯，计时搅拌，20秒后，将混合物倒入模具中，在温度35℃条件下静止20分钟后脱模，再把脱模后产品放置在温度50℃、相对湿度小于60%的通风环境下熟化24小时后得到产品。

实施例3：

一种用于植物培育的生物炭聚氨酯复合材料，配方为：由以下原料组分混合制成：聚醚多元醇33份，催化剂（三乙烯二胺0.2份+三乙烯三胺0.15份）0.35份，泡沫稳定剂（聚醚改性硅油）0.9份，植物培养基质材料60份，异氰酸酯（甲苯二异氰酸酯10份+六甲基二异氰酸酯10份）20份。

所述植物培养基质材料按重量份计由以下组分混合而成：生物炭颗粒40份，植物纤维材料（木纤维20份+竹纤维40份，市售）60份，吸水性树脂（丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物，市售）1-3份。所述生物炭颗粒（竹炭）制备方法为：将竹材在无氧条件下，500℃温度下裂解3小时，冷却、粉碎，过80目筛而得。

一种用于植物培育的生物炭聚氨酯复合材料的制备方法，步骤如下：

（1）多元醇组份制备：将聚醚多元醇、催化剂、泡沫稳定剂混合，温度保持在30℃，充分搅拌12分钟，制得多元醇组份；

（2）植物培养基质材料组分制备：植物培养基质材料放入去离子水中，在温度30℃条件下，充分搅拌8分钟，最后得到含水量在100%的植物培养基质材料组分；

（3）生物炭聚氨酯复合材料制备：将步骤（2）得到的植物培养基质材料组分加入步骤（1）得到的多元醇组份中，搅拌12分钟，充分混合，再加入异氰酸酯，计时搅拌，15秒后，将混合物倒入模具中，在温度30℃条件下静止25分钟后脱模，再把脱模后产品放置在温度30℃、相对湿度小于60%的通风环境下熟化35小时后得到产品。

具体制备例1

第一步，多元醇组份制备：将聚醚多元醇（型号3050）160克，端氨基聚醚多元醇（型号JEFFAMINED-400）160克，三乙烯二胺3.5克，硅油8.5克，分别放入容器中，在25℃温度下，搅拌混合，在容器内充分混合均匀，制得多元醇组份。

第二步，植物培养基质材料组分制备：将200克生物炭、300克竹纤维和3克丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物加入800克水中，在温度25℃条件下，充分搅拌10分钟，得到植物培养基质材料组分。

第三步，将步骤二得到的植物培养基质材料组分加入步骤一制得的多元醇组份中，搅拌15分钟，充分混合，再加入异氰酸酯（TDI-100），计时搅拌，10秒后，将混合物倒入正方形模具中，在温度25℃条件下静止20分钟后脱模，再把脱模后产品放置在25℃、相对湿度50%的通风环境下熟化25小时后得到产品。

本制备例中聚醚多元醇牌号为山东蓝星东大化工有限责任公司，型号3050；端氨基聚醚多元醇美国亨斯迈（Huntsman）公司，型号JEFFAMINED-400；三乙烯二胺，上海试剂厂，型号：CP；聚醚改性硅油，山东大易化工有限公司，型号DY-ET10；生物炭为竹质生物炭为粒径小于80目的500℃温度下裂解5小时，冷却、粉碎，过80目筛而得；植物纤维为竹纤维；甲苯二异氰酸酯为德国拜尔，型号TDI-100；丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物，任丘市绿丰化工厂。

本制备例生产的植物培育的生物炭聚氨酯复合材料容重0.33g/cm³，孔隙度61%，最大吸水率为255%，可在上面种植蔬菜、花卉、小灌木等植物。

具体制备例2

第一步，多元醇组份制备：将聚醚多元醇（型号DEP455S）150克，端氨基聚醚多元醇（型号D-400）170克，三乙烯三胺3.2克，硅油9克，分别放入容器中，在25℃温度下，搅拌混合，在容器内充分混合均匀，制得多元醇组份。

第二步，植物培养基质材料组分制备：将240克生物炭、260克椰壳纤维和3克丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物加入800克水中，在温度30℃条件下，充分搅拌10分钟，得到植物培养基质材料组分。

第三步，将步骤二得到的植物培养基质材料组分加入步骤一制得的多元醇组份中，搅拌20分钟，充分混合，再加入异氰酸酯，计时搅拌，15秒后，将混合物倒入正方形模具中，在温度30℃条件下静止20分钟后脱模，再把脱模后产品放置在45℃、相对湿度50%的通风环境下熟化24小时后得到产品。

本制备例的聚醚多元醇牌号为淄博德信联邦化学工业有限公司，型号DEP455S；端氨基聚醚多元醇无锡阿科力科技股份有限公司，型号D-400；三乙烯三胺，美国亨斯曼；聚醚改性硅油，上海晏迪新材料科技有限公司，型号:YD-3701；生物炭为稻壳炭，粒径小于80目，稻壳在600℃温度下裂解3小时，冷却、粉碎，过80目筛而得；植物纤维为椰壳纤维；丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联树脂，德国巴斯夫公司；甲苯二异氰酸酯TDI-80/20，德国拜尔。

本制备例生产的植物培育的生物炭聚氨酯复合材料容重0.41g/cm³，孔隙度64%，最大吸水率为213%，该基质可用于植物扦插、种子播种。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种用于植物培育的生物炭聚氨酯复合材料，其特征在于，由以下原料组分混合制成：聚醚多元醇30-35份，催化剂0.30-0.40份，泡沫稳定剂0.8-1.0份，植物培养基质材料45-75份，异氰酸酯15-25份。

2.根据权利要求1所述的生物炭聚氨酯复合材料，其特征在于：所述聚醚多元醇由一种端胺基聚醚多元醇与二羟基聚醚多元醇、三羟基聚醚多元醇中的一种或两种组合而成。

3.根据权利要求1所述的生物炭聚氨酯复合材料，其特征在于：所述植物培养基质材料按重量份计由以下组分混合而成：生物炭颗粒30-50份，植物纤维材料50-70份，吸水性树脂1-3份。

4.根据权利要求3所述的生物炭聚氨酯复合材料，其特征在于：所述生物炭选自木炭、竹炭、稻壳炭、秸秆炭中的一种或几种。

5.根据权利要求3所述的生物炭聚氨酯复合材料，其特征在于：所述植物纤维材料选自木纤维、椰壳纤维、竹纤维、泥炭纤维中的一种或几种。

6.根据权利要求3所述的生物炭聚氨酯复合材料，其特征在于：所述吸水性树脂选自丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物、纤维素与丙烯酸盐接枝或交联聚合物、纤维素与丙烯酰胺接枝或交联聚合物、淀粉-丙烯酸接枝共聚物中的一种。

7.根据权利要求1所述的生物炭聚氨酯复合材料，其特征在于：所述异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯、二苯甲烷二异氰酸酯、六甲基二异氰酸酯中的一种或几种。

8.根据权利要求1所述的生物炭聚氨酯复合材料，其特征在于：所述催化剂为三乙烯二胺、二乙烯三胺、三乙烯三胺、三乙醇胺中的一种或几种。

9.根据权利要求1所述的生物炭聚氨酯复合材料，其特征在于：所述泡沫稳定剂为聚醚改性硅油。

10.如权利要求1所述的一种用于植物培育的生物炭聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：

（1）多元醇组份制备：将聚醚多元醇、催化剂、泡沫稳定剂混合，温度保持在20-35℃，搅拌混匀，制得多元醇组份；

（2）植物培养基质材料组分制备：植物培养基质材料放入去离子水中，在温度20-35℃条件下，搅拌混匀，最后得到含水量在60-200%的植物培养基质材料组分；

（3）生物炭聚氨酯复合材料制备：将步骤（2）得到的植物培养基质材料组分加入步骤（1）得到的多元醇组份中，搅拌混匀，再加入异氰酸酯，计时搅拌，8-20秒后，将混合物倒入模具中，在温度20-35℃条件下静止20-30分钟后脱模，再把脱模后产品放置在温度20-50℃、相对湿度小于60%的通风环境下熟化24-48小时后得到产品。