用于植物生长的可生物降解的泡沫基质、随其提供的植物系统以及用于制造此类基质的方法

摘要

本发明涉及用于植物生长的可生物降解的泡沫基质、随其提供的系统以及用于制造此类基质的方法。用于植物生长的可生物降解的泡沫基质包含可生物降解的聚合物和成核剂，其中可生物降解的聚合物是聚酯和/或芳族聚合物，并且其中可生物降解的泡沫基质提供能够使植物生长的开孔结构。

说明书

本发明涉及一种用于植物生长的可生物降解的泡沫基质。

在实践中，使用基质而不是使用土壤来使植物生长。用于植物生长的这样的基质是从水栽、半水栽、水培和类似系统已知的，其中植物在输送水、肥料和其他相关组分的可选择的介质中生长。例如，这样的(生长)系统可以应用于玻璃暖房/温室(glasshouses/greenhouses)中。在实践中，基质材料由诸如由无机纤维材料或泥碳/PUR制成的岩棉的合成材料制成，或者由可降解/可堆肥的材料制成，诸如具有聚合物片材的压缩椰壳塞或堆肥塞。植物的根部渗入基质并固定植物。通常，供给系统向植物根部提供水、肥料和其他相关组分，以能够使植物生长。

这样的合成基质的一个问题涉及这样的事实：这些基质可能含有不期望的(农业)化学物质，这使得难以处理这种基质材料。此外，合成基质的塞对于最佳根部生长通常太湿。此外，在实践中，人们面临这种基质材料的这样材料的不可持续性，以及该材料经常容易损坏的事实。

岩棉的具体问题是，岩棉可能导致根部疾病并且在人工处理期间是有害的。已知泥碳/PUR潜在地堵塞水基础设施，并且具有复杂的营养物组成。

这样的可降解/可堆肥的基质的问题涉及这样的事实：这些基质可能含有难以定义的不期望的组成，这使得难以满足根部的营养物需求。这些可降解/可堆肥的基质污染水基础设施。此外，可降解/可堆肥的基质的塞通常是尺寸不稳定的。

本发明为了其目的必须提供消除或至少减少上述问题中的一个或更多个的基质。

这用根据本发明的用于植物生长的可生物降解的泡沫基质实现，该可生物降解的泡沫基质包含可生物降解的聚合物和成核剂，其中可生物降解的聚合物是聚酯和/或芳族聚合物，并且其中可生物降解的泡沫基质包括能够使植物生长的开孔结构。

注意到，在本申请中，基质和泡沫基质可互换地使用，并且是指同一对象。

根据本发明的泡沫基质包含可生物降解的聚合物，其是聚酯和/或芳族聚合物。在本发明的上下文中，可生物降解涉及由于微生物诸如细菌、真菌和藻类的作用而导致性质损失的降解。通过由可生物降解的聚合物制造根据本发明的可生物降解的泡沫基质，获得了用于植物生长的环境友好的基质。这显著减少了例如包括水培植物系统或其他合适的系统在内的玻璃暖房/温室中生长的植物和植物基质的环境足迹。作为使用可生物降解产品的另外的效果，基质优选地也是可堆肥的。在本发明的上下文中，可堆肥涉及通过生物过程的降解，导致产生CO

作为使用这些可生物降解的聚合物的另外的优点，植物甚至可以从基质材料的降解中获益。由于使用降解产物用于植物生长，这导致基质既具有稳定/固定作用，又另外具有生长作用。这使得根据本发明的基质材料也是有成本效益的且高效的。作为另外的效果，基质材料的处理更容易，从而有助于为植物生长提供有效且高效的基质。

根据本发明的泡沫基质的甚至另外的优点是基质是尺寸稳定的。就本发明而言，这意味着基质导致基质具有可压缩和可膨胀的柔性形状。当弯曲、压缩和/或膨胀时，基质将恢复到原始形状。尺寸稳定性的作用是基质易于运输并易于在农业系统中应用。在运输期间，基质不需要严格保护。当在农业系统中应用时，由于泡沫的形状将保持不变，可以不谨慎地使用基质。

将基质提供为具有开孔结构的泡沫基质使得植物根部能够相对容易地渗入基质材料。这显著刺激根部生长。因此，这有助于植物生长的总效率。这样的开孔结构优选地涉及具有许多互连的开口或空隙或孔隙或孔的海绵型结构。这样的开孔结构具有的优点是：在基质中提供均匀且明确的水和/或空气分布。此外，根据本发明的泡沫基质提供了开孔结构，其中可生物降解的泡沫基质提供了能够吸水的开孔结构，吸水又促进植物生长。

根据本发明的泡沫基质的甚至另外的优点是基质在手动处理中使用是安全的。这意味着基质可以安全的方式被使用。当处理基质时，不需要另外的安全保护措施，诸如防护手套、安全眼镜、防尘面罩以及类似物。

根据本发明的泡沫基质的又一个优点是基质是卫生的和/或无菌的。这导致基质对疾病和/或真菌的传播具有降低的作用。植物疾病和/或真菌对植物有害，特别是当从植物根部开始时。

根据本发明的泡沫基质的又一个优点是基质对于提供给生长的植物的营养液是基本上惰性的。这导致基质对有价值的营养物的浪费具有减少的作用。营养物可以被植物的根消耗，而不是流失。

在目前优选的实施方案中，开孔结构包括至少50％的开孔含量。这意味着至少50％的基质体积以开口、孔隙、空隙和它们以通道的形式的连接部提供。这种开孔含量可以根据压汞法或气体物理吸附来测量。该测量用于测量比表面积和孔径的孔径分布。将理解，还可以进行其他合适的测量。

在本发明的一种目前优选的实施方案中，总平均孔尺寸在0.001毫米-3.0毫米，优选地0.01毫米-2.0毫米，更优选地0.01毫米-1.5毫米的范围内，其中孔是互连的空隙。具有在如所提及的范围内或这些范围中的一个范围内的平均孔尺寸的泡沫基质能够使大部分植物根部容易渗入根据本发明的可生物降解的泡沫基质并且在根据本发明的可生物降解的泡沫基质中有效生长。优选地，75％的空隙具有在如所提及的一个或更多个范围内的孔尺寸。这与孔尺寸的实际分布有关。孔尺寸由空隙的特征长度或直径限定。孔尺寸通过根据ASTM 3576-15在两个方向上对预定长度上的孔壁的数目计数来确定。

在本发明的目前优选的实施方案中，可生物降解的聚合物选自聚癸二酸对苯二甲酸丁二醇酯和/或聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯和/或其混合物的组。

已经示出，聚癸二酸对苯二甲酸丁二醇酯和/或聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯的使用提供了有效的可生物降解的泡沫基质，该泡沫基质是可生物降解的并且优选地是可堆肥的。此外，还示出，泡沫基质还提供了将植物固定在基质中，同时使植物根部能够渗入并生长到泡沫基质中的增加的可能性。这些可生物降解的聚合物特别有助于所得的用于植物生长的可生物降解的泡沫基质的柔性和韧性。

除了上述可生物降解的聚合物之外，或作为上述可生物降解的聚合物的替代物，可生物降解的聚合物还可以是聚羟基链烷酸酯、聚(乳酸)、聚丁二酸丁二醇酯的组。这些可生物降解的聚合物可以作为上述聚合物的替代物应用，或者可以以其混合物使用。这样的混合物提供了涉及相对高的弹性模量和强度的有柔软且坚韧性质的基质。特别是聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯以及聚羟基链烷酸酯、聚(乳酸)、聚丁二酸丁二醇酯中的一种或更多种的组合的使用产生了一种混合物，在该混合物中聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯基本上有助于泡沫基质的柔性和韧性，并且其他可生物降解的聚合物有助于泡沫基质的强度和刚性。

在目前优选的实施方案中，与聚癸二酸对苯二甲酸丁二醇酯和/或聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯在混合物中的聚羟基链烷酸酯、聚(乳酸)、聚丁二酸丁二醇酯的组的可生物降解的聚合物的量在10wt％-90wt％的范围内，优选地在10wt％-60wt％的范围内，并且最优选地在10wt％-30wt％的范围内。已经示出，这样的混合物提供了具有开孔结构的泡沫结构，该开孔结构对于植物生长具有良好的性质。

在目前优选的实施方案中，聚酯和/或芳族聚合物是支化的和/或交联的。这种支化和/或交联有助于提供开孔结构。

在本发明的另外优选的实施方案中，成核剂选自滑石、纤维素、水滑石、氢氧化钙、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸铝、碳酸氢铝、碳酸钙、碳酸氢钙、硬脂酸钙或其混合物的组。

已经示出，使用作为来自上述组的一种或更多种组分的成核剂提供了根据本发明的有效的可生物降解的泡沫基质。

在目前优选的实施方案中，可生物降解的泡沫基质是一体挤出的泡沫。这样的一体挤出的泡沫直接以其预期的所需形状和尺寸提供泡沫基质。

一体地挤出泡沫包括在挤出机内挤出泡沫。因此，挤出机设置有多个区域，这些区域例如是进料区域、注射区域和混合区域。泡沫的膨胀是在模具内和/或之后实现的。

这样的一体挤出的泡沫的另外的优点是泡沫在膨胀时是干燥的且不含溶剂。这降低了干燥和/或去除任何溶剂的成本。

此外，这样的一体挤出的泡沫的孔隙以有效的方式控制。为了使植物生长，优选的是具有相等的孔径，以实现有效且高效的根部生长。

因此，一体挤出的泡沫是更有效且高效的。

在另外优选的实施方案中，开孔结构包括根据压汞法或气体物理吸附测量的至少70％的可生物降解的泡沫基质的开孔含量，优选地可生物降解的泡沫基质的开孔含量是根据压汞法或气体物理吸附测量的至少80％，更优选地可生物降解的泡沫基质的开孔含量是根据压汞法或气体物理吸附测量的至少90％，最优选地可生物降解的泡沫基质的开孔含量是根据压汞法或气体物理吸附测量的至少95％。

通过提供具有相对大的开孔含量的可生物降解的泡沫基质，根可以更容易地生长。此外，植物以及特别是植物根部也可以更容易地被提供水、肥料、营养物和其他相关组分。这刺激根和植物生长。

在本发明的一种目前优选的实施方案中，可生物降解的泡沫基质的孔具有总体积在5cm

在本发明的一种目前优选的实施方案中，可生物降解的泡沫基质的孔和孔隙总体积基本上相同。根据本发明的基质能够在其孔中容纳和/或吸收水以及其相关组分，孔也被称为开口、空隙、孔隙，其中孔优选地彼此互连。通过液体的引入或吸收，植物根部的渗入和生长可能性甚至得到进一步提高。将理解，这样的海绵状结构的这些孔可以通过引入或吸收液体而膨胀或压缩。

在本发明的一种目前优选的实施方案中，可生物降解的基质优选地具有至多60℃或更低的玻璃化转变温度，优选地至多30℃或更低的玻璃化转变温度，更优选地至多0℃或更低的玻璃化转变温度，最优选地至多-20℃或更低的玻璃化转变温度。泡沫基质密度优选地在10kg m

实验示出，提供具有上述性质的可生物降解的泡沫基质提供了用于植物生长的有效且高效的基质。优选地，基质满足所有上述性质，以具有用于植物生长的最佳条件。更优选地，泡沫基质密度在55kg m

在本发明的另外优选的实施方案中，泡沫基质还包含添加剂，其中添加剂选自珍珠岩、蛭石、纳米粘土、盐、纤维素纤维、大麻纤维、棉纤维、椰子纤维、聚乙二醇、泊洛沙姆、表面活性剂、植物营养素、糖或其混合物的组。

将理解，实际添加的一种或更多种添加剂可以根据可生物降解的泡沫基质的期望性质来选择，这可以取决于具体的植物或植物品种。例如，珍珠岩和蛭石有益于吸水和根部生长。纳米粘土有益于吸水和聚合物基质的固定。盐可以用于改进吸水和植物供给。纤维素纤维可以针对不同的性质被设计。例如，在常规纤维素纤维吸水的情况下，基于生物的内容物(bio-based content)的可堆肥性和量可以提高。超细纤维素纤维改进吸水、聚合物基质的固定并且改进基于生物的内容物。纳米结晶纤维改进吸水和聚合物基质的固定。纳米纤丝纤维改进聚合物基质的固定和吸水。表面改性纤维素纤维诸如CMC改进吸水。其他组分改进其他性质。例如，大麻纤维改进处理能力、可堆肥性并且改进基于生物的内容物。棉纤维改进吸水、处理能力、可堆肥性并且改进基于生物的内容物。椰子纤维充当着色剂，并且改进吸水和可堆肥性。聚乙二醇(PEG)和泊洛沙姆以及(聚合物)表面活性剂改进吸水。例如，植物营养素改进籽苗的生长。糖改进吸水以及还有籽苗的生长。

本发明还涉及一种植物生长系统，该植物生长系统包括用于保持植物和根据本发明的实施方案的可生物降解的泡沫基质的保持单元，其中保持单元优选地为容器，并且更优选地为具有至少一个开口端的容器。

这样的植物生长系统提供了与关于可生物降解的泡沫基质描述的相似的效果和优点。

本发明另外还涉及一种生产用于植物生长的可生物降解的泡沫基质的方法，该方法包括以下步骤：

提供可生物降解的聚合物、成核剂和支化剂和/或交联剂的混合物，以形成试剂混合物；

加热混合物；

向混合物提供物理发泡剂；和

基本上完全挤出混合物以形成根据本发明的实施方案的可生物降解的泡沫基质。

该方法提供了与关于可生物降解的泡沫基质和/或植物生长系统描述的类似效果和优点。优选地，在加热步骤之前添加添加剂。在制造过程中，物理发泡剂优选地是二氧化碳、氮气、氩气、MTBE、空气、(异)戊烷、丙烷、丁烷及类似物或其混合物。已示出，这提供了具有所需开放结构的有效泡沫结构。任选地，添加支化剂和/或交联剂。支化剂和/或交联剂包括，例如，具有多个环氧官能团的化合物，优选地以低聚物或聚合物的形式，其中环氧官能团侧接于主链。将理解，支化剂和/或交联剂可以是具有两个或更多个不饱和度(unsaturation)的任何部分，能够在存在自由基的情况下与聚合物链反应。例如，支化剂/交联剂是，但不限于，丁二烯、丁二烯衍生的聚合物、二乙烯基苯、苯醌、糠基硫醚或其混合物。例如，可以形成自由基的化合物是，但不限于，过氧化二异丙苯、二叔丁基过氧化物、叔丁基过氧化苯甲酸酯、叔丁基过氧化乙酸酯或其混合物。将理解，可以添加其他合适的组分作为支化剂和/或交联剂。将理解，支化和/或交联可以通过除化学引发以外的方法引发，诸如通过光、辐射和/或热引发。

在本发明的目前优选的方法中，挤出包括单个挤出步骤，以形成一体挤出的泡沫基质。

本发明的另外的优点、特征和细节根据其优选实施方案被阐明，其中参考了附图，在附图中：

图1示出了具有本发明的可生物降解的泡沫基质的植物生长系统；

图2示出了添加剂供应系统；

图3示出了图1的基质的细节，图示出海绵状结构；

图4示意性地示出了制造基质和使植物在基质上生长的过程；

图5示出了可生物降解的聚合物的GPC谱；

图6示出了包含开孔结构的泡沫的显微照片；

图7示出了根据本发明的可生物降解的泡沫基质的挤入-挤出曲线；和

图8示出了从图7中的挤入曲线得出并在表1中提及的样品的不同孔径分布。

植物生长系统2(图1)包括用于保持可生物降解的泡沫基质6的托盘或槽4。植物8被定位和固定在基质6中，根10渗入基质6并在基质6中生长。供应部12向基质6提供水和肥料(以及其他相关组分)，并且输出部14收集剩余的流。流从输出部14被送到排水管16和/或通过泵18再循环到供应部12。

在优选的实施方案中，胚芽根不能渗入泡沫基质。

一种或更多种添加剂可以通过泵22和定量控制器24从添加剂供应系统20供应到供应部12。控制器26通过控制泵18控制流量，通过控制泵22控制添加剂的剂量，并且通过控制排水管16控制再循环的量。

将理解，根据本发明，还可以设想可选择的系统。

海绵状结构30(图3)由限定与通道36互连的孔隙或空隙34的材料32制成。在使用中，孔隙或空隙34填充有水38和使根10能够生长的合适组分。

制造和生长过程102(图4)开始于在选择步骤104中选择基质6的期望性质。混合步骤106提供可生物降解的聚合物和一种或更多种成核剂的所需混合物。

可生物降解的聚合物和成核剂的这种混合物在供应步骤108中被提供给挤出机。任选地，添加剂还可以在添加步骤110中添加。在挤出机中或挤出机附近，混合物在加热步骤112中被加热到期望的温度或朝向期望的温度被加热。在挤出机中，加热的混合物在挤出步骤114中被输送，并且优选地在发泡步骤116中面对物理发泡剂，诸如二氧化碳。然后在发泡步骤118中发生泡沫结构的实际形成，导致粗制最终产物。如果需要，粗制产物在尺寸确定步骤120中被定尺寸。例如，这可以涉及将粗制基质材料切割成期望的尺寸和形状。接下来，在输送步骤122中输送和储存基质6。

一旦需要泡沫基质6，就在安装步骤124中安装泡沫基质6。在安装之后，植物可以在生长步骤126中在基质上生长并生长到基质中。这还可以涉及在任选使用用于植物生长的基质材料的组分时基质材料的降解。

通过GPC对可生物降解的聚合物的分析(图5)示出，达到在10.000g mol

图6示出了包含开孔结构的泡沫的显微照片。使用根据本发明的方法提供泡沫。孔隙的平均尺寸为0.70mm。大多数孔包括为孔隙的平均尺寸的至少0.5倍且孔隙的平均尺寸的至多2倍的尺寸。孔隙的尺寸由Fiji的包括ImageJ plugin的open source软件确定。

实验已经示出，可生物降解的聚合物的组合可以有利地用于为特定的植物或植物品种提供期望的特性。在这些实验中的一些实验中，聚癸二酸对苯二甲酸丁二醇酯或聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯与聚羟基链烷酸酯或聚丁二酸丁二醇酯以约80-20的比率有效地组合使用。约1％-3％，优选地2％的量的滑石和纤维素被用作成核剂和填料。这提供了具有约75％至85％的开孔含量的海绵状结构30。在制造过程之后，孔隙或空隙的平均尺寸为约500微米。泡沫密度为约50kg m

实验示出，使用中的基质可以具有基质的干重的约20倍的吸水。在使用中，基质示出良好的固定可能性和植物根部生长潜力。在使用之后，材料降解并任选地堆肥，之后其组分用于该过程，从而有助于根据本发明的可生物降解的泡沫基质的可持续特性。

实验示出，泡沫的孔隙度为至少76％，包括2.49cm

样品的挤入-挤出曲线在图7中示出。第一挤入步骤发生在相对宽的压力范围内，从约0.002MPa至高达约1MPa的压力，其中达到稳定期。在从约60MPa至220MPa的范围内的压力可以看到第二挤入步骤，这归因于大立方体的弹性压缩，而不是实际的孔隙的弹性压缩。将理解，这是由于挤出曲线相对于挤入曲线是可逆的事实的情况，当存在孔隙度时，情况并非如此。

样品的性质包括在表1中。

表1在60MPa的压力通过压汞法分析的样品性质。

表1的条目1的骨架密度已经使用氦比重瓶测定来确定，并且为约1.26g cm

从挤入曲线得出的孔径分布在图8中示出。在样品之间的较低压力(较大孔隙)在挤入曲线中可以观察到差异。样品的分布也示出这些差异。例如，条目3的样品包括具有相似尺寸的孔隙的非常高贡献的分布，范围从约10μm至700μm，模式(mode)约265μm。条目1和条目2的样品分布略微较宽且较低，而模式的范围类似于条目3的样品，范围从约10μm至700μm，模式约265μm。在非常小的孔隙尺寸注意到的微小贡献可以归因于样品的弹性压缩。

因此，可以由此得出结论，这三个样品主要包含大的颗粒内孔隙。

实验示出，根据本发明的可生物降解的泡沫基质包括如在表2中提及的泡沫基质密度。

表2可生物降解的泡沫基质密度的最大值和最小值。

在另外的实验PBAT中，将颜料、支化剂和纤维素添加到挤出机的第一区域并混合。将混合物加热至约200℃，以使PBAT熔化，使混合物均质化，并使支化剂和PBAT反应。在下面的区域中，向混合物中添加约70℃的预热的表面活性剂。在另外的区域中，将反应混合物缓慢冷却，并注入CO

本发明决不限于上文描述的其优选的实施方案。在可以设想很多修改的范围内，所要求的权利由所附权利要求限定。