TWI382043B

TWI382043B - Artificial Intelligence Fertilizer Capsule and Its Making Method

Info

Publication number: TWI382043B
Application number: TW97141474A
Authority: TW
Inventors: Chin San Wu
Original assignee: Univ Kao Yuan
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2013-01-11
Also published as: TW201016755A

Description

人工智慧型肥料膠囊及其製作方法

本發明是有關於一種人工智慧型肥料膠囊及其製作方法，特別是有關於一種利用生物可完全分解性塑膠來製作之膠囊。

目前，塑膠具有價格低廉、質量輕、性質優異及加工容易的優點，使得塑膠已經成為人類日常生活上不可或缺的材料，主要的產品包括聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚酯、尼龍和其他工程塑膠等。

這些塑膠製品帶來人們生活上許多便利和舒適；但是塑膠不像鐵、木材、紙張等材質在土壤中會腐蝕、分解。大部分的塑膠都極為安定，經過相當長的時間也不會分解，不管是在陸地上或海洋上，都已形成嚴重的環保問題，要求有一個較清淨的環境就成為發展完全生物分解性高分子的最大原動力。其中，先後有光分解性塑膠及部分生物可分解性塑膠被研發出來。

光分解是指高分子吸收紫外光以及在氧作用下引起高分子老化而產生光引發斷鍵反應和自由基氧化斷鍵反應，當高分子製品曝露於陽光時，光敏感基會促進高分子吸收紫外光進行光分解，打斷高分子內碳與碳間的共價鍵，由於高分子鏈的斷裂會弱化它原有的物理特性，導致高分子的物性下降，而質量不會因為碎裂而改變，高分子仍無法分解。

部分生物可分解性高分子是指塑料的一部分受微生物作用而失去原有形狀的一類塑料，主要是在通用高分子中混入物質的生物可分解特性，使其材料喪失其性能與形狀，並能通過各種分解機制而獲得一部份完全生物可分解性高分子之特性。由於高分子經生物分解的過程純粹是消化澱粉及生物發酵物等可為生物所分解的部份，製品中殘留的高分子材質物性跟質量不會改變，所以並非完全具有生物可分解性，在可為生物所分解的部份被分解之後，殘餘的高分子在環境中仍然需要存在一段相當長的時間，對環境而言，依然具有相當的破壞性。

另外，據資料顯示，目前台灣地區農田單位面積的肥料使用量偏高，許多農民過量且不當施用肥料，有造成土壤品質劣化，及污染環境如地下水受氮肥污染，使硝酸鹽(NO₃)濃度過高等不良效果。而一般施用肥料之方法，常造成施肥淺。肥料易揮發、流失或難以到達作物根部，不利於作物吸收，造成肥料利用率低。過量的使用肥料不僅僅會造成資源上的浪費，甚至會造成植物生長品質不佳。

因此如何製作出對環境不造成污染之生物可完全分解性塑膠，且能改善肥料利用率過低之問題，並能降低成本，實是一個亟待解決的問題。

有鑑於習知技藝之各項問題，為了能夠兼顧解決之，本發明人基於多年研究開發與諸多實務經驗，提出一種人工智慧型肥料膠囊及其製作方法，以作為改善上述缺點之實現方式與依據。

有鑑於此，本發明之目的就是在提供一種人工智慧型肥料膠囊及其製作方法，以解決上述塑膠會對環境造成污染及肥料利用率較低之問題。

根據本發明之目的，提出一種人工智慧型肥料膠囊，包含有：天然高分子材料，此天然高分子材料於此人工智慧型肥料膠囊中之含量為1 wt%~50 wt%；人工合成可分解性高分子材料，此人工合成可分解性高分子材料於此人工智慧型肥料膠囊中之含量為50 wt%~99 wt%；以及生物可分解添加材料，此生物可分解添加材料於此人工智慧型肥料膠囊中之含量為0wt%~50wt%。

此外，本發明更提出一種人工智慧型肥料膠囊之製作方法，其步驟為提供天然高分子材料、人工合成可分解性高分子材料及生物可分解添加材料，接著使此天然高分子材料、此人工合成可分解性高分子材料及此生物可分解添加材料進行混練程序以得一混合物，最後使此混合物進行一塑膠造粒程序以產生人工智慧型肥料膠囊。

此外，更包含根據目的物而使用一押出型、射出成型、熱壓成型、中空成型、發泡成型等之加工程序，以製成此人工智慧型肥料膠囊之母粒或成型品。

茲為使貴審查委員對本發明之技術特徵及所達到之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明如後。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之人工智慧型肥料膠囊及其製作方法，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

請參閱第1圖，其係為本發明之人工智慧型肥料膠囊之製作方法之步驟流程圖。圖中，此方法將以下列步驟來說明：步驟11：提供天然高分子材料、人工合成可分解性高分子材料及一生物可分解添加材料；其中，天然高分子材料係可為聚麩胺酸、木質素、纖維素、玻尿酸、幾丁質或幾丁聚醣等，且可利用化學改質或共聚合等方式製得。

而人工合成可分解性高分子材料係可為聚脂肪族聚酯、酯脲、聚酰胺、芳香族聚酯及聚醚等及其共聚物，或以聚己內酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二酯(PBS)等來實施。

其中，生物可分解添加材料係可為一澱粉。

步驟12：使此天然高分子材料、此人工合成可分解性高分子材料及此生物可分解添加材料進行混練程序以得混合物；其中，混練程序更可利用布斯混合器、萬馬力混合器、雙螺桿押出機、力拿混合器、加壓混合器、滾輪、反應槽等之混練器具。

步驟13：使此混合物進行塑膠造粒程序以產生此人工智慧型肥料膠囊。

其中，天然高分子材料於此人工智慧型肥料膠囊中之含量為1 wt%~50 wt%，而人工合成可分解性高分子材料於此人工智慧型肥料膠囊中之含量為50 wt%~99 wt%，生物可分解添加材料於此人工智慧型肥料膠囊中之含量為0wt%~50wt%。

更包含根據一目的物而使用一押出型、射出成型、熱壓成型、中空成型、發泡成型等之加工程序，以製成人工智慧型肥料膠囊之母粒或成型品。例如經由一發泡成型加工程序所製得之塑膠母粒，可作為易碎物品或高價值農產品之包覆材，以降低對環境造成污染之塑膠使用量。

以下利用本發明之人工智慧型肥料膠囊之各材料之不同比例來做熱性質、機械性質及對植物生長速率影響之測試，其中天然高分子材料係以聚麩胺酸(poly-γ-glutamic acid，以下以PGA來作為簡稱)來實施，而人工合成可分解性高分子材料係以聚己內酯(Poly ε-caprolactone，以下以PCL來作為簡稱)，生物可分解添加材料係以澱粉(Starch)來實施。

此外，聚麩胺酸(PGA)可利用Bacillus anthracis(炭疽桿菌)、Bacillus licheniformis(苔癬樣桿菌)、Bacillus megatarium(巨桿菌)或Bacillus subtilis(枯草桿菌)等所產生，本實施例係利用溶磷菌(Bacillus subtilis DYU1)來產生所需要之聚麩胺酸，再經由純化及乾燥等程序以獲得純化之PGA，再添加不同比例之聚己內酯(PCL)及澱粉(Starch)，經由混鍊製成本發明之人工智慧型肥料膠囊。

請參閱第2圖，其係繪示為本發明之人工智慧型肥料膠囊之各材料不同比例之DSC熱性質分析圖。本實施例所用來測試之微分掃描熱分析儀(Differential Scanning Calorimeter，DSC)，一般用來測量待測材料內熱轉換相關的溫度與熱流，如在分析期間觀察材料的熔點(Tm)及焓(△Hm)之變化，在本實施例中利用微分掃描熱分析儀(DSC)，以每分鐘定量增加升溫速度作溫度掃描來分析，在不同含量PGA對PCL/PGA複合材之熔點(Tm)及融熔焓(△Hf)的影響，由DCS測得之熔點與融熔焓可經由儀器換算可獲得其大小，各曲線所代表之材料比例如下：PCL(100%)、PCL(90%)/PGA(10%)、PCL(80%)/PGA(20%)、PCL(70%)/PGA(30%)、PCL(60%)/PGA(40%)、PCL(50%)/PGA(50%)及PGA(100%)。

請續參閱表1，其係為本發明之人工智慧型肥料膠囊之各材料不同比例之熔點及融熔焓關係表。在不同含量PGA對PCL/PGA複合材之熔點及融熔焓的影響，結果顯示純PCL的融熔焓為72.5(J/g)，隨PGA含量的增加而下降，但在添加10 wt%PGA就開始出現PGA融熔焓，且此融熔焓含量隨PGA含量的增加而增加。而PCL的熔點隨PGA含量的增加而增加，其PCL的熔點約上升0.5~2.5℃左右，但發現在PGA含量20 wt%以前，其熔點上升較明顯，其添加PGA量達至20~50 wt%，其熔點開始出現緩慢上升趨勢。且又發現在PCL/PGA複合材中，結果顯示PGA的熔點隨PGA含量的增加而下降，發現在PGA含量20wt%以前，熔點下降較明顯，其添加PGA量達至20~50 wt%，熔點開始出現緩慢上升趨勢。造成以上兩種複合材熔點變化之主因，可能是因在PGA含量20 wt%以前，PCL與PGA可以充份混合相容，造成末端基互相作用所致。當添加PGA含量達至20~50 wt%，其熔點開始出現緩慢的變化趨勢，這可能是因PGA含量增加至20 wt%以上，開始在PCL/PGA複合材中，產生PGA分子之團聚或PGA與PCL熔點不同所導致之相分離，而使其熔點回復PCL與PGA的原始熔點所致。而在測試中發現，當PGA含量達至60 wt%以上，在混練過程複合材產生嚴重脫落現象與相分離現象，無法混練加工。

表1、人工智慧型肥料膠囊之PCL/PGA不同比例之熔點及融熔焓關係表

請參閱表2，其係為本發明人工智慧型肥料膠囊之PCL/PGA(20 wt%)不同澱粉含量之熔點與熔融焓量的影響表。本實施例之生物可分解性添加材料以澱粉來實施，在PCL/PAG(20%)比例之複材中各添加入0%、10%、20%、30%、40%及50%之澱粉來作熱分析之測試比較。為了增加生物分解速率，所以在複材中添加澱粉，因澱粉是菌類很好之營養源，且價格便宜，但添加澱粉可能影響其熱性質而無法混練，所以作了熔點及融熔焓的試驗，其PCL與PGA之熔點及融熔焓，隨澱粉含量的增加而下降。在不同澱粉含量下之複合材中，發現在澱粉含量20 wt%以後，其熔點及融熔焓下降越明顯，且其加工愈不易，並發現澱粉含量達至60 wt%以上，在混練過程，發現此複合材產生嚴重脫落現象，這是因澱粉含量達至60 wt%以上，複合材很容易產生相分離所致。所以添加澱粉最適合含量宜控制在20 wt%以下，否則PCL/PGA複合材無法去支撐澱粉受熱後之熱應力遷移，故容易產生相分離因而影響熱性質。

請參閱表3，其係為本發明之人工智慧型肥料膠囊之[PCL/PGA(20 wt%)]/澱粉之裂解溫度與熱重量損失率關係表。在不同澱粉含量下之複合材中，發現在澱粉含量20 wt%以後，其裂解溫度及熱重量下降越明顯，且其加工愈不易，並發現澱粉含量達至60 wt%以上，在混練過程，發現此複合材產生嚴重脫落現象，這是因澱粉含量達至60 wt%以上，複合材很容易產生相分離所致。所以添加澱粉最適合含量宜控制在20 wt%以下，否則PCL/PGA複合材無法去支撐澱粉受熱後之熱應力遷移，故容易產生相分離因而影響熱性質。

請參閱第3圖，其係繪示為本發明之人工智慧型肥料膠囊之PGA含量對PCL/PGA之破壞抗張強度。圖中，結果中發現PCL/PGA(20 wt%)之複合材，其破壞抗張強度，隨 PGA含量的增加而下降。這衰劣的強度性質，可歸因於PGA的幾何學。對不規則形狀的填料，複合材強度的減少，是由於PGA無法從PCL/PGA複合材去支撐應力遷移。但在不同PGA含量下之複合材中，發現在PGA含量20 wt%以後，其破壞抗張強度曲線下降越明顯，且其加工愈不易，並發現PGA含量達至60 wt%以上，在混練過程，發現此複合材產生嚴重脫落現象，這是因PGA含量達至60 wt%以上，複合材很容易產生相分離所致。所以添加PGA含量於PCL/PGA複合材中，其最適合含量宜控制在20 wt%以下，否則PCL無法去支撐PGA應力遷移，容易產生相分離，影響機械性質。

請參閱第4圖，其係繪示為本發明之人工智慧型肥料膠囊之[PCL/PGA(20 wt%)]/澱粉(20 wt%)之破壞抗張強度。圖中，結果中發現[PCL/PGA(20 wt%)]/澱粉之複合材，其破壞抗張強度，隨含量的增加而下降。這衰劣的強度性質，可歸因於澱粉的幾何學。對不規則形狀的填料，複合材強度的減少，是由於澱粉無法從PCL/PGA複合材去支撐應力遷移。但在不同澱粉含量下之複合材中，發現在澱粉含量20 wt%以後，其破壞抗張強度曲線下降越明顯，且其加工愈不易，並發現澱粉含量達至60 wt%以上，在混練過程，發現此複合材產生嚴重脫落現象，這是因澱粉含量達至60 wt%以上，複合材很容易產生相分離所致。所以添加澱粉含量於PCL/PGA(20 wt%)/澱粉複合材中，其最適合含量宜控制在20 wt%以下，否則PCL/PGA複合材無法去支撐澱粉應力遷移，容易產生相分離，影響機械性質。

以下將對不同比例之複材做生物分解性之測試，各為PCL、PCL/PGA、[PCL/PGA(20 wt%)]/Starch(20 wt%)，製成薄片大小約3mm x 1.5mm x 0.03 mm，以相同條件埋入土壤中，觀察此複合材其分後表面腐化之情形。

請參閱第5圖，其係繪示為本發明人工智慧型肥料膠囊之生物分解重量損失率比較圖。圖中，「●」所代表的曲線為PCL，而「○」所代表的曲線為PCL/PGA(20%)，「■」所代表的曲線為[PCL/PGA(20 wt%)]/Starch(20 wt%)，由圖中發現，埋入土壤中PCL、PCL/PGA、[PCL/PGA(20 wt%)]/Starch(20 wt%)有分解的情況，且隨時間之增加，其分解現象愈明顯。由以上成果得知PCL、PCL/PGA、[PCL/PGA(20 wt%)]/Starch(20 wt%)的材料具有分解性。

一般純的PCL是屬於聚酯類材料，在經過土壤掩埋試驗後，會分解成二氧化碳、水及其它無害物質。因複合材中添加澱粉與PGA是屬於可水解之物質，可能因水解與埋入土壤中菌體的營養源，所以造成分解速率較快，菌體的含量與裂化大小為[PCL/PGA(20 wt%)]/Starch>PCL/PGA>PCL。

膠囊隨著不同的掩埋時間，其內部的溶磷菌會產生向外的釋放現象。原始未埋入土壤中的PCL/PGA的表面型態為光滑平坦且無任何菌體的附著，但經15天釋放後其溶磷菌先吞噬PGA材料使得表面產生圓形***，當時間達到30 天後取出且分析PCL/PGA材料表面，發現隨著掩埋時間增長，溶磷菌啃噬許多PGA所以使得表面產生更多的圓形***。且時間達至45天後，材料開始產生裂解及脫落的現象，當時間在增加至60天後，由觀察裂解情形可得知因PGA被吞噬使產生物質***更為嚴重的情形。

藉由上述的釋放與分解生物降解型膠囊材料的試驗中，發現PCL、PCL/PGA、[PCL/PGA(20 wt%)]/Starch(20 wt%)複合材，其釋放與分解性，是可控制的。所以為了確認此實驗能否實際應用於植物成長行為上。故將PCL、PCL/PGA、[PCL/PGA(20 wt%)]/Starch(20 wt%)複合材做實際埋土生物分解試驗。植物是採用紅蔥頭的幼苗，正常成長株高約20~30公分，每一棵底下埋入各三顆不同材料PCL、PCL/PGA、[PCL/PGA(20 wt%)]/Starch(20 wt%)的膠囊。

請參閱第6圖，其係繪示為本發明人工智慧型肥料膠囊之實地掩埋後植物生長比較圖。「Ã」所代表的是正常未提供人工智慧型肥料膠囊進行植物釋放之成長過程曲線，而「●」所代表的是PCL人工智慧型肥料膠囊進行植物釋放之成長過程曲線，「○」所代表的是PCL/PCA(20%)人工智慧型肥料膠囊進行植物釋放之成長過程曲線，「▲」所代表的是[PCL/PGA(20 wt%)]/Starch(20 wt%)人工智慧型肥料膠囊進行植物釋放之成長過程曲線。

圖中，觀察正常未提供人工智慧型肥料膠囊進行植物釋放之曲線，植物之初始成長在0天為3公分，15天時為5公分，到30天時則因無任何養份的供給，使得尖端部分產生枯黃現象為8公分，至45天時則成長至9公分，但也因過熱而產生營養不良的現象，而60天時其成長至10公分。

而觀察PCL人工智慧型肥料膠囊進行植物釋放之曲線，植物之初始成長0天得知為3公分，15天時其使成長為8公分，到30天時從膠囊釋放出少許菌體，使其成長10公分，至45天時則成長至13公分，而60天成長至15公分，由以上實驗可得知PCL材料具有釋放之可行性。

而觀察PCL/PCA(20%)人工智慧型肥料膠囊進行植物釋放之曲線，植物之初始成長0天為3公分，15天時則因材料中含有澱粉及PGA，故膠囊內菌體由於PGA為易水解物質，故其成長至9.5公分，到30天時則因菌體釋放少許使其成長至11公分，而45天時菌體慢慢噬掉材料PGA使其成長至15公分，而60天其則其成長至20公分，得知PCL/PGA複合材其具有釋放的可行性。

提供[PCL/PGA(20 wt%)]/Starch(20 wt%)人工智慧型肥料膠囊進行植物釋放，初始成長0天為3公分，15天時則因材料中含有澱粉及PGA，故膠囊內菌體由於澱粉及PGA為易水解物質，故其成長至13公分，到30天時則因菌體釋放許多使其成長至16公分，而45天時菌體噬掉材料的PGA和澱粉使成長至22.5公分，而60天其完全釋放使其成長至25公分，得知[PCL/PGA(20 wt%)]/Starch(20 wt%)複合材其釋放情形甚佳，具有釋放可行性的功能，能在人工釋放肥料具有可行性。

綜上所述，沒有掩埋膠囊的蔥其成長較為緩慢且營養不良，而有掩埋PCL、PCL/PGA、[PCL/PGA(20 wt%)]/Starch(20 wt%)三種膠囊的成長則比未掩埋的好，但三種膠囊則以[PCL/PGA(20 wt%)]/Starch(20 wt%)的釋放情形及成長最佳。可估計本發明之膠囊埋入土壤後其複合材料的分解性時程，以控制肥料釋放速率及釋放時間，可依人為設計各材料之比例不同來控制肥料釋放速率與釋放時間。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

11~13‧‧‧步驟流程簡單說明

第1圖係為本發明之人工智慧型肥料膠囊之製作方法之步驟流程圖；第2圖係為本發明之人工智慧型肥料膠囊之PCL/PGA不同比例之DSC熱性質分析圖；第3圖係為本發明之人工智慧型肥料膠囊之PGA含量對PCL/PGA之破壞抗張強度圖；第4圖係為本發明之人工智慧型肥料膠囊之[PCL/PGA(20 wt%)]/澱粉(20 wt%)之破壞抗張強度圖；第5圖係為本發明之人工智慧型肥料膠囊之生物分解重量損失率比較圖；以及第6圖係為本發明之人工智慧型肥料膠囊之實地掩埋後植物生長比較圖。

11~13‧‧‧步驟流程

Claims

一種人工智慧型肥料膠囊，其由下列材料所組成：天然高分子材料，該天然高分子材料係為聚麩胺酸，該天然高分子材料於該人工智慧型肥料膠囊中之含量為20 wt%；人工合成可分解性高分子材料，該人工合成可分解性高分子材料係為聚己內酯，該人工合成可分解性高分子材料於該人工智慧型肥料膠囊中之含量為60 wt%；以及生物可分解添加材料，該生物可分解添加材料係為澱粉，該生物可分解添加材料於該人工智慧型肥料膠囊中之含量為20 wt%。
如申請專利範圍第1項所述之人工智慧型肥料膠囊，其中該天然高分子材料係利用化學改質或共聚合等方式製得。
一種人工智慧型肥料膠囊之製作方法，該方法由下列步驟所組成：提供天然高分子材料、人工合成可分解性高分子材料及生物可分解添加材料；使該天然高分子材料、該人工合成可分解性高分子材料及該生物可分解添加材料進行混練程序以得混合物；以及使該混合物進行塑膠造粒程序以產生該人工智慧型肥料膠囊；其中，該天然高分子材料係為聚麩胺酸，該天然高分子材料於該人工智慧型肥料膠囊中之含量為20 wt%，該人工合成可分解性高分子材料係為聚己內酯，該人工合成可分解性高分子材料於該人工智慧型肥料膠囊中之含量為60 wt%，該生物可分解添加材料係為澱粉，該生物可分解添加材料於該人工智慧型肥料膠囊中之含量為20 wt%。
如申請專利範圍第3項所述之製作方法，其中該天然高分子材料係利用化學改質或共聚合等方式製得。
如申請專利範圍第3項所述之製作方法，其中該混練程序係利用布斯混合器、萬馬力混合器、雙螺桿押出機、力拿混合器、加壓混合器、滾輪或反應槽之混練器具。
如申請專利範圍第3項所述之製作方法，其中使該混合物進行塑膠造粒程序以產生該人工智慧型肥料膠囊之步驟係根據目的物而使用押出型、射出成型、熱壓成型、中空成型或發泡成型之加工程序，以製成該人工智慧型肥料膠囊之母粒或成型品。