本发明涉及一种用于提高土壤保液能力的土壤改良剂,该土壤改良剂由固化的塑料泡沫制成。本发明还涉及一种用于制造塑料泡沫的方法。
背景技术:
1、为了浇灌植物,通常需要比植物实际需要明显更多的液体。这特别是在本来已经干燥的地域构成很大的问题。发生无效浇灌的一个主要原因特别是土壤的保液能力不佳,特别是如通常出现在干旱和半干旱地域的多石和沙质的土壤具有很差的保液能力,从而大部分液体由于流失、蒸发、渗漏而不能被利用。此外,还会导致对于植物重要的营养物质被从土壤中冲出。
2、为了提高土壤的保液能力,已知有不同的产品。例如,基于凝胶的保水剂通过化学反应吸收水,此时,该保水剂改变其体积。凝胶的体积变化会导致在土壤中出现不希望的空腔。
3、其他保水剂基于膨胀粘土。但通过添加膨胀粘土提高土壤的保水能力是低效的,因为即使向土壤中的材料用量很高也仅能带来保液能力较少的提高。
4、此外,为了提高保液能力,还已知固化的亲水泡沫。由de102004004856b3已知一种所述类型的用于给植物供应多孔的保液材料的保液剂,所述保液材料由通过尿素树脂和表面活性剂形成的、密度为15kg/m3至60kg/m3的泡沫材料组成。所述泡沫材料可以作为泡沫材料成形体或优选以絮状物的形式存在并且用于存储液体,特别是存储水或存储含水的肥料溶液。所述泡沫材料作为层被置于土地或植物土壤中并且应基本上容纳需供水的植物根部。所述泡沫材料优选作为封闭的层引入土壤中,所述层由泡沫材料絮状物或者一个或多个板状的泡沫材料成形体形成。也可以将絮状物形式的泡沫材料与包围需供水的植物根部的土壤混合,或者分布地设置在所述土壤中。所述泡沫材料具有开放式的泡孔,由此所述泡沫材料获得亲水的特性。由此,所述泡沫材料能够存储液体并且逐渐地向其周围环境、例如向包围根系的土壤或直接向植物根部释放所述液体。利用所述泡沫材料旨在提供能够大面积使用的保液剂。
技术实现思路
1、本发明的目的是,提供一种具有改进的性能的、用于在土壤中存储液体的以及更好地适于大面积使用的土壤改良剂。
2、所述目的通过一种具有权利要求1的特征的由固化的塑料泡沫制成的土壤改良剂来实现,即,所述固化的塑料泡沫具有5~15 kg/m3的表观密度。所述目的还通过具有权利要求9的特征的方法来实现。
3、当这里和下文提及塑料泡沫或固化的塑料泡沫时,与此相关的术语是基于下述对塑料泡沫的结构和构造的理解。塑料泡沫由多个具有泡孔腔的泡孔组成,所述泡孔由夹杂气体/气泡形成,所述泡孔在其尺寸和形状上可以有明显的变化。在所谓的开放泡孔的塑料泡沫中,泡孔具有打开的泡孔壁,从而夹杂气体形成相互连接的网络。泡孔壁中的开口称为孔隙并且使得塑料泡沫对于气体和液体是可透过的。开放式的泡孔由多个泡孔隔片组成,所述泡孔隔片围绕孔隙构成并且构成泡孔外轮廓的支架。
4、根据本发明的土壤改良剂的固化的塑料泡沫的表观密度为5~15 kg/m3,因此单个泡孔的泡孔隔片非常薄。与多数为开放式的泡孔相结合,使得塑料泡沫能够分解成单个纤维,特别是微纤维。此外,所述塑料泡沫本身由于表观密度低而具有高保液能力,从而,所述塑料泡沫除了纤维以外还部分地分解成较大的碎块,其中具有多个至少部分完好的泡孔,则所述塑料泡沫相对于自身体积可以吸收达到90%的液体。此外,完好的塑料泡沫可以持久地在多个月内存储大量的一次吸收的液体、特别是水。这里原始吸收的水的55~65%留在塑料泡沫中。
5、出人意料地,根据本发明的具有较小密度的塑料泡沫与由de102004004856b3已知的泡沫材料相比能持久地容纳明显更多的液体。由此,当将所述土壤改良剂引入土壤中时,可以在大面积上显著改善土壤的保液能力。此外,出人意料地,根据本发明的土壤改良剂还直接地与土壤配合作用并且通过所述配合作用在土壤中保持液体。对此重要的是,所述土壤改良剂与土壤至少部分地形成纤维-土壤混合物,其方式是,所述塑料泡沫通过在引入土壤之前和/或期间通过机械力作用和/或利用土壤中的作用随时间至少部分地分解成单个纤维和微纤维。通过在土壤中混合单个纤维,所述土壤改良剂与土壤构成很大的接触面。所述大的接触面使得,随着引入液体,在纤维-土壤混合物中产生毛细作用,通过所述毛细作用能够在土壤中保持大量的液体。特别是所述土壤改良剂适于在土壤中存储水。
6、由de102004004856b3已知的保液剂仅直接在泡沫材料本身中存储水,从而通过泡沫体积限定了其保液能力。因此在土壤中利用这种保液剂总体上仅能附加地存储能直接通过保液剂容纳的液体量。
7、根据本发明的土壤改良剂还具有这样的优点,即,所述土壤改良剂在土壤中随着时间由自然地在土壤中出现的微真菌分解并接着由同样自然出现的细菌转化成以下物质,所述物质对于土壤具有增肥的作用并且可以用作用于植物的养料。这里,所述土壤改良剂有利地直到其完全分解之前都起到肥料的作用,所述完全分解可以例如在6~8年的时长上进行。
8、所述固化的塑料泡沫优选具有8~14.5 kg/m3、优选9~12 kg/m3的表观密度。
9、根据本发明的塑料泡沫的耐压强度优选为150~350 g/cm2、特别是为200~300 g/cm2或特别优选为225~275 g/cm2。由此,固化的塑料泡沫稳定性较低,从而在较小的机械力作用下就会分解成单个纤维和微纤维。相同塑料泡沫样品的表面和内部区域之间的耐压强度可以略有不同。要求保护的土壤改良剂的耐压强度的数据涉及所述塑料泡沫的全部区域。在当前情况下,耐压强度定义为在压力载荷下线形弹性区域的终点,在这个终点处,塑料泡沫的各个完好的泡孔发生破坏,使得土壤改良剂发生不可逆的变形。
10、为了使所述塑料泡沫可以分解成尽可能多的单个纤维和微纤维并且可以以这种方式使根据本发明的土壤改良剂与土壤的接触面最大化,有利的是,所述塑料泡沫具有尽量多的泡孔以及相应多的泡孔隔片,这里泡孔腔之间的材料比例应尽可能小。因此,塑料泡沫的泡孔密度优选为45~90个泡孔/cm、特别是为50~75个泡孔/cm。
11、所述纤维和微纤维的尺寸能通过泡孔直径的尺寸来影响。这里有利的是,所述纤维具有足够的尺寸,使得可以与土壤配合,从而最佳地形成毛细作用。在土壤改良剂的一个优选的实施形式中,具有至少为40μm的泡孔直径,其中:5~15%的所述泡孔的泡孔直径为≤80μm,25-35%的所述泡孔的泡孔直径为81~100μm,35~45%的所述泡孔的泡孔直径为101~140μm,10~20%的所述泡孔的泡孔直径为141~200μm,1~10%的所述泡孔的泡孔直径为201~600μm,并且<1%的所述泡孔的泡孔直径为≥601μm。
12、在所述土壤改良剂的另一个优选实施形式中,在所述塑料泡沫中嵌入碳颗粒。通过添加碳颗粒,与没有添加碳颗粒的类似土壤改良剂的纤维相比,可使通过机械作用或土壤中的作用脱离的纤维更长。此外,嵌入的碳在所述土壤改良剂分解时在土壤中起增肥的作用。
13、所述碳颗粒特别可以是碳纤维和/或碳黑。所述碳颗粒优选以≥0.1 wt%、特别是≥0.5 wt%的比例包含在所述塑料泡沫中。此外,所述塑料泡沫中的碳颗粒的比例优选为≤10 wt%、特别是≤5 wt%。
14、如果根据本发明的土壤改良剂应在农业中使用,原则上有利的是,所述土壤改良剂本身是无毒的并且在其在土壤中分解时也不会形成对生物和植物起损害作用的有毒物质。
15、根据权利要求9,根据本发明的用于制造塑料泡沫、特别是前面说明的根据本发明的塑料泡沫的方法的特征在于,由至少包含水和预聚物的液体a和至少包含水、表面活性物质和固化剂的液体b通过将气体、特别是大气空气引入相应的液体中而形成预发泡物a和预发泡物b,并且接下来将两种预发泡物混合,预发泡物a和预发泡物b的混合比例在40 vol%比60 vol%至60 vol%比40 vol%之间,优选在45 vol%比55 vol%至55 vol%比45vol%之间或者特别是在47.5 vol%比52.5 vol%至52.5 vol%比47.5 vol%之间。
16、在根据本发明的方法的一个特殊的实施形式,液体a和液体b的份量比在75 vol%比25 vol%至50 vol%比50 vol%之间。
17、通过将气体引入液体a和b中,可以控制根据本发明的土壤改良剂在混合之后形成的塑料泡沫的泡孔数量和泡孔直径,并且影响泡孔结构。将所述气体分别引入液体a和液体b,由此,在所述液体中提供大量的气泡核(blasenkeim)。以这种方式形成两种预发泡物,所述预发泡物在混合时由于大量的气泡核构成具有高泡孔密度的塑料泡沫。
18、预发泡物a和预发泡物b优选通过在管状的反应腔中相互混合而发生反应。所述反应腔优选具有至少一个敞开的端部,通过反应形成的塑料泡沫可以通过所述端部排出并且接下来可以发生固化。此外,所述反应腔可以沿纵向延伸方向具有反应腔长度以及具有基本上圆形的具有反应腔直径的横截面。这里,反应腔直径与反应腔长度的比值优选在在1:50至1:200之间、优选在1:80至1:120之间,并且特别优选地为1:100。所述反应腔直径特别是小于200 mm,优选在10~50 mm之间。
19、所述液体的体积流量可以分别在每mm反应腔直径50~150 ml之间,优选为每mm反应腔直径100 ml。
20、在所述方法的另一个优选的设计方案中,可以分别通过单独的供应通道将所述预发泡物a和预发泡物b供应给所述反应腔。这里所述供应通道具有确定的通道横截面积,所述通道横截面积与反应腔横截面积的比值在1.0:2.0至1.0:0.5之间,优选为1:1。此外,有利的是,供应通道的通道长度与反应腔直径的比值在2:1至4:1之间,优选为3:1。通过反应腔和供应通道的所述几何形状和尺寸实现了,在塑料泡沫从反应腔中排出之前以必要的泡孔直径和必要的泡孔密度形成塑料泡沫。
21、预发泡物a和预发泡物b的混合以及预发泡物的相互反应和所形成的塑料泡沫的输送可以优选通过后续流入的预发泡物自动进行。这是有利的,因为以这种方式来实施这个过程不需要另外的装置,所述另外的装置可能对土壤改良剂的制造产生不希望的影响。这里,优选利用压缩空气装置引入所述液体中的所述气体可以以1~2.5 bar、特别是1~2.25bar或者特别优选1~2 bar的压力引入所述液体中,以实现泡沫形成过程的稳定进行。
22、包含在液体a中的预聚物是能够化学和/或热交联的,从而可以由固化的塑料泡沫形成土壤改良剂。在根据本发明的方法的一个优选的设计方案中,所述液体a的预聚物是脲醛,所述脲醛用作载体材料并且在固化状态下确保塑料泡沫保持其结构。有利的是,液体a中的脲醛相对于液体a所含的水的比例优选≥10 wt%、特别是≥15 wt%或特别优选≥22wt%。此外优选的是,液体a中的脲醛相对于液体a所含的水的比例优选≤35 wt%、特别是≤30 wt%或特别优选≤27 wt%。
23、此外,液体a可以包含另外的物质,利用所述物质例如能够影响固化的塑料泡沫的密度和耐压强度。作为优选的示例在液体a中掺入尿素。有利的是,液体a中的尿素相对于液体a所含的水的比例优选≥0.5 wt%、特别是≥0.75 wt%或特别优选≥1 wt%。此外优选的是,液体a中的尿素相对于液体a所含的水的比例优选≤5 wt%、特别是≤3 wt%或特别优选≤2 wt%。
24、在根据本发明的方法的另一个优选的设计方案中,所述液体b中的表面活性物质是表面活性剂,所述表面活性剂使得能够形成泡沫。作为表面活性剂特别是考虑、但非排他地采用阴离子表面活性剂,如烷基苯磺酸盐、脂肪醇醚硫酸盐或脂肪醇硫酸盐。有利的是,液体b中的表面活性剂相对于液体b所含的水的比例优选≥5 wt%、特别是≥7.5 wt%或特别优选≥10 wt%。此外优选的是,液体b中的表面活性剂相对于液体b所含的水的比例优选≤20 wt%、特别是≤15 wt%或特别优选≤12 wt%。
25、此外优选的是,包含在液体b中的固化剂是酸催化剂,所述酸催化剂实现预聚物的交联并由此实现塑料泡沫的稳定化。作为表面活性剂例如考虑、但非排他地采用磷酸、柠檬酸或对甲苯磺酸。有利的是,液体b中的酸催化剂相对于液体b所含的水的比例优选≥15wt%、特别是≥20 wt%或特别优选≥25 wt%。此外优选的是,液体b中的酸催化剂相对于液体b所含的水的比例优选≤40 wt%、特别是≤35 wt%或特别优选≤30 wt%。
26、此外,在一个优选设计方案中,液体b可以包含间苯二酚作为另外的催化剂。有利的是,液体b中的间苯二酚相对于液体b所含的水的比例优选≥0.5 wt%、特别是≥1 wt%或特别优选≥2 wt%。此外优选的是,液体b中的间苯二酚相对于液体b所含的水的比例优选≤10 wt%、特别是≤5 wt%或特别优选≤3 wt%。
27、此外有利的是,根据本发明的方法的工艺温度在30°c至55°c之间、特别是在35°c至50°c之间或者特别优选地在40°c至45°c之间。
28、下面说明用于由固化的塑料泡沫制造根据本发明的土壤改良剂的一个示例。
29、利用以下方法来确定所述土壤改良剂的特性:
30、•确定表观密度:表观密度ρ是基于固化的塑料泡沫的质量和总体积计算的密度,所述总体积由固态的材料组分的体积vfest和塑料泡沫的泡孔腔的体积vzel的和得出。根据下面的等式计算出表观密度:ρ=m/(vfest+vzel)。
31、•确定耐压强度:确定固化的塑料泡沫的耐压强度,其方式是,在压力负荷下在正方体形状的塑料泡沫样品的一个表面上对所述样品加载,直至发生塑性变形。这里,用面积为1 cm2的圆形冲头对所述泡沫样品加载,此时,塑料泡沫的用冲头加载的表面明显大于冲头表面。
32、•确定泡孔密度:确定泡孔密度,其方式是,在一个尺寸略大于3×4mm的泡沫表面的不同部段的用分辨率为4800万像素的显微相机拍摄的十张照片中分别设置由四个水平线和五个垂直线组成的线网格,所述线相互间的间距对应于所拍摄的泡沫的表面上分别为1mm的间距。所拍摄的泡沫表面是从所制造的塑料泡沫的内部切出的泡沫块的表面。所切出的泡沫块的切割面在所制造的塑料泡沫内部的走向对于确定泡孔密度并不重要。所制造的塑料泡沫的外表面在确定泡孔密度时不予考虑。沿着每根线对至少部分地与该线相交的泡孔进行计数。这里,仅考虑其泡孔直径大于等于40μm的泡孔。利用这样确定的泡孔数量在全部图像局部的所有线上计算平均泡孔数量。所述平均泡孔数量根据线的已知长度换算成每厘米的泡孔数量,这个数量在当前情况下定义为泡孔密度。泡沫缺陷,例如延伸通过多个泡孔壁和泡孔隔片的空腔不被视为是泡孔。
33、•确定泡孔直径:为了确定泡孔直径,对直径进行估算,其方式是,由通过泡孔大致的面重心的两个相对泡孔壁的最大和最小距离计算出平均值作为泡孔直径。由于平均直径约为40μm的泡孔数量少,在估算时出现的误差可以忽略。备选地,可以这样来确定平均直径,即,通过图像评估软件确定泡孔的面积并且在假定所述面积是理想圆面积的情况下从所述面积导出直径。
34、为了由固化的塑料泡沫获得所述土壤改良剂,首先分别制造并在容器中提供液体a和液体b。
35、所述液体a通过将蒸馏水与相对于蒸馏水的量25 wt%的脲醛(basopor® 293)和1 wt%的尿素相混合来制作。
36、所述液体b通过将蒸馏水与相对于蒸馏水的量11 wt%的阴离子表面活性剂、27wt%的磷酸和2 wt%的间苯二酚相混合来制作。
37、首先由每种液体分别形成一种预发泡物,其方式是,通过压缩空气装置以90 l/min的体积流量并以1.5 bar将大气空气引入所述液体中。这里,以50vol%比50vol%的份量比和以分别为3 l/min的体积流量供应所述液体。
38、接下来,以50vol%比50vol%的比例将预发泡物a和预发泡物b供应给反应腔。在反应腔之内将所述预发泡物混合并且为了固化将其从反应腔中输送出来。重要的是,液体b或预发泡物b已经包含固化剂和表面活性剂,从而直接在与预发泡物a混合时就开始形成塑料泡沫,此时,同时开始发生固化。在制造期间,工艺温度约为42°c。
39、所述液体在其中预发泡的供应通道的长度与反应腔直径的比值为3:1。此外,供应通道横截面与反应腔横截面的比值为1:1,这里,供应通道直径和反应腔直径分别为20 mm。反应腔直径与反应腔长度的比值为1:100。供应通道和反应腔可以设计成软管。
40、根据本发明的土壤改良剂的利用示例性说明的方法制造的固化的塑料泡沫具有12.3kg/m3的表观密度、在塑料泡沫的一个表面上测量为249.3 g/cm3的耐压强度和59个泡孔/cm的泡孔密度。
1.用于提高土壤保液能力的土壤改良剂,所述土壤改良剂由固化的塑料泡沫制成,所述塑料泡沫至少主要具有开放的泡孔,其特征在于,所述固化的塑料泡沫具有5~15 kg/m3的表观密度。
2.根据权利要求1所述的土壤改良剂,其特征在于,所述固化的塑料泡沫具有8~14.5kg/m3、优选9~12 kg/m3的表观密度。
3.根据权利要求1或2所述的土壤改良剂,其特征在于,所述固化的塑料泡沫具有150~350 g/cm2、特别是200~300 g/cm2或特别优选225~275 g/cm2的耐压强度。
4.根据上述权利要求中任一项所述的土壤改良剂,其特征在于,所述塑料泡沫具有45~90个泡孔/cm、特别是50~75个泡孔/cm的泡孔密度。
5.根据上述权利要求中任一项所述的土壤改良剂,其特征在于,所述塑料泡沫具有至少为40μm的泡孔直径,其中:
6.根据上述权利要求中任一项所述的土壤改良剂,其特征在于,在所述塑料泡沫中嵌入碳颗粒,所述碳颗粒优选以碳纤维和/或碳黑的形式嵌入所述塑料泡沫中。
7.根据权利要求6所述的土壤改良剂,其特征在于,所述塑料泡沫中的碳颗粒的比例为≥0.1 wt%、特别是≥0.5 wt%。
8.根据权利要求6或7所述的土壤改良剂,其特征在于,所述塑料泡沫中的碳颗粒的比例为≤10 wt%、特别是≤5 wt%。
9.用于制造固化的塑料泡沫的方法,所述方法特别是用于制造根据上述权利要求中任一项所述的用于提高土壤保液能力的土壤改良剂,该土壤改良剂由固化的塑料泡沫制成,其特征在于,由至少包含水和预聚物的液体a和至少包含水、表面活性物质和固化剂的液体b通过将气体引入相应的液体中而形成预发泡物a和预发泡物b,并且接下来将两种预发泡物混合,所述气体特别是大气空气,所述预发泡物a和所述预发泡物b的混合比例在40vol%比60 vol%至60 vol%比40 vol%之间。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述预发泡物a和所述预发泡物b的混合比例优选在45 vol%比55 vol%至55 vol%比45 vol%之间,或者特别是在47.5 vol%比52.5 vol%至52.5 vol%比47.5 vol%之间。
11.根据权利要求9或10所述的方法,其特征在于,所述液体a和所述液体b的份量比在75 vol%比25 vol%至50 vol%比50 vol%之间。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法,其特征在于,所述气体通过压缩空气装置引入相应的液体中。
13.根据权利要求12所述的方法,其特征在于,利用所述压缩空气装置以1~2.5 bar、特别是1~2.25 bar或者特别优选1~2 bar的压力引入所述气体。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法,其特征在于,在管状的反应腔中将所述预发泡物a和所述预发泡物b相互混合,所形成的塑料泡沫在所述反应腔的至少一个敞开的端部处排出。
15.根据权利要求14所述的方法,其特征在于,所述反应腔具有基本上圆形的、具有反应腔直径的横截面,所述反应腔直径与所述反应腔的反应腔长度的比值在1:50至1:200之间、优选在1:80至1:120之间,并且特别优选地为1:100。
16.根据权利要求14或15所述的方法,其特征在于,分别通过具有通道横截面积的供应通道将所述预发泡物a和所述预发泡物b供应给所述反应腔,所述通道横截面积与反应腔横截面积的比值在1.0:2.0至1.0:0.5之间,优选为1:1。
17.根据权利要求9至16中任一项所述的方法,其特征在于,在所述反应腔中,所述预发泡物a和所述预发泡物b的混合以及预发泡物的相互反应和所形成的塑料泡沫的输送通过后续流入的预发泡物自动进行。
18.根据权利要求9至17中任一项所述的方法,其特征在于,所述液体a的预聚物为脲醛,所述液体a中的脲醛相对于所述液体a所含的水的比例优选≥10 wt%、特别是≥15wt%或特别优选≥22 wt%,和/或,所述液体a中的脲醛相对于所述液体a所含的水的比例优选≤35 wt%、特别是≤30 wt%或特别优选≤27 wt%。
19.根据权利要求9至18中任一项所述的方法,其特征在于,在所述液体a中混入尿素,所述液体a中的尿素相对于所述液体a所含的水的比例优选≥0.5 wt%、特别是≥0.75wt%或特别优选≥1 wt%,和/或,所述液体a中的尿素相对于所述液体a所含的水的比例优选≤5 wt%、特别是≤ 3wt%或特别优选≤2 wt%。
20.根据权利要求9至19中任一项所述的方法,其特征在于,所述液体b中的表面活性物质为表面活性剂,所述液体b中的表面活性剂相对于所述液体b所含的水的比例优选≥5wt%、特别是≥7.5 wt%或特别优选≥10 wt%,和/或,所述液体b中的表面活性剂相对于所述液体b所含的水的比例优选≤20 wt%、特别是≤15 wt%或特别优选≤12 wt%。
21.根据权利要求9至20中任一项所述的方法,其特征在于,所述液体b中的固化剂为酸催化剂,所述液体b中的酸催化剂相对于所述液体b所含的水的比例优选≥15 wt%、特别是≥20 wt%或特别优选≥25 wt%,和/或,所述液体b中的酸催化剂相对于所述液体b所含的水的比例优选≤40 wt%、特别是≤35 wt%或特别优选≤30 wt%。
22.根据权利要求9至21中任一项所述的方法,其特征在于,所述液体b包含间苯二酚,所述液体b中的间苯二酚相对于所述液体b所含的水的比例优选≥0.5 wt%、特别是≥1wt%或特别优选≥2 wt%,和/或,所述液体b中的间苯二酚相对于所述液体b所含的水的比例优选≤10 wt%、特别是≤5 wt%或特别优选≤3 wt%。
23.根据权利要求9至22中任一项所述的方法,其特征在于,工艺温度在30°c至55°c之间、特别是在35°c至50°c之间或者特别优选地在40°c至45°c之间。