一种含氮磷生物降解聚合物双交联网络水凝胶无土栽培基质及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种含氮磷生物降解聚合物双交联网络水凝胶无土栽培基质及其制备方法。所述无土栽培基质由Ca

【技术实现步骤摘要】
一种含氮磷生物降解聚合物双交联网络水凝胶无土栽培基质及其制备方法


[0001]本专利技术涉及植物无土栽培基质领域，具体是一种含氮磷生物降解聚合物双交联网络水凝胶无土栽培基质及其制备方法。

技术介绍

[0002]无土栽培是近几十年来发展起来的一种新的蔬菜栽培技术。我国现阶段主要是利用普通的塑料温室和日光温室进行蔬菜无土栽培，无配套的温室调控设备，温室环境调控水平低；引进先进国家的设备，成本太高。
[0003]大多数作物都是需氧生物，依赖于环境中稳定的氧气供应，且植物根系对氧气非常敏感，对无土栽培基体要求高。基体氧气量不足是早期严重影响植物各器官的首要胁迫因子，从而影响植物的生长和产量。基体孔洞会抑制根系供氧，限制根系呼吸，导致根系细胞能量状态严重下降，危害植物重要的代谢过程。
[0004]水凝胶作为一种具有良好亲水性、可生物降解性和生物相容性的功能材料，在食品、农业、工业和生物医学等领域得到了广泛的研究。最近，一些研究人员指出，水凝胶可以作为种子生长的介质，为种子生长提供水分和营养物质。水凝胶中95％以上的水分能逐渐释放到植物根系，表明水凝胶可以代替土壤作为植物种子萌发的培养基。但是，普通水凝胶的力学性能较差，为改善水凝胶的力学性能，前人进行了许多工作，研发出多种类型的水凝胶，如双交联水凝胶、双网络水凝胶、有机
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无机杂化水凝胶和纳米复合水凝胶等。而传统水凝胶无土栽培基质不可降解，易对环境造成负面影响，利用海藻酸钠、聚乙烯醇等可生物降解聚合物制备的水凝胶无土栽培基质，由于具有无毒、可生物降解、化学稳定性好、亲水性强等方面优势，有潜力成为不可降解材料的有吸引力的替代品。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在提供能够满足植物根部的氧气、养分和水分需求且力学性能好，能够使植物在其中直立生长的一种含氮磷生物降解聚合物双交联网络水凝胶无土栽培基质及其制备方法。本专利技术的制备工艺简单，容易大规模工业化生产，而且成本低廉。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种含氮磷生物降解聚合物双交联网络水凝胶无土栽培基质，由Ca
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和海藻酸钠(SA)通过离子交联形成的交联网络结构提供力学性能，生物降解高分子和羟甲基脲(MU)通过氢键相互作用形成的物理交联网络结构充当支架并提供氮养分，两种交联网络形成互穿网络聚合物复合材料。
[0007]一种含氮磷生物降解聚合物双交联网络水凝胶无土栽培基质的制备方法，包括以下步骤：
[0008]在生物降解高分子材料水溶液中加入海藻酸钠，混合均匀后，依次加入造孔剂碳酸钙以及磷酸二氢钙、羟甲基脲，混合均匀后加入造孔助剂柠檬酸，混匀后冷冻，则得到具有可调孔隙结构的含氮磷生物降解聚合物双交联网络水凝胶无土栽培基质。
[0009]作为本专利技术制备方法技术方案的进一步改进，所述碳酸钙不仅可以作为造孔剂与造孔助剂产生孔洞，而且还能够提供与海藻酸钠发生离子交联反应的Ca
2+
，通过形成离子交联网络结构为无土栽培基质提供力学性能。
[0010]作为本专利技术制备方法技术方案的进一步改进，所述磷酸二氢钙不仅能够释放磷养分，而且还能够提供与海藻酸钠发生离子交联反应的Ca
2+
，通过形成离子交联网络结构为无土栽培基质提供力学性能。
[0011]作为本专利技术制备方法技术方案的进一步改进，所述生物降解高分子材料为主链上含有极性吸水官能团且可溶解于水的生物降解高分子材料。
[0012]作为本专利技术制备方法技术方案的进一步改进，所述生物降解高分子材料为聚乙烯醇(PVA)。
[0013]作为本专利技术制备方法技术方案的进一步改进，所述生物降解高分子材料与海藻酸钠的质量比为5:1
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25:1。
[0014]作为本专利技术制备方法技术方案的进一步改进，所述海藻酸钠与碳酸钙的质量比为10:1
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50:1。
[0015]作为本专利技术制备方法技术方案的进一步改进，所述冷冻方式为将混合体系放置于液氮中冷冻。
[0016]作为本专利技术制备方法技术方案的进一步改进，所述含氮磷生物降解聚合物双交联网络水凝胶无土栽培基质具有大孔和微孔的多级孔洞结构。
[0017]作为本专利技术制备方法技术方案的进一步改进，所述大孔的孔径大于0.3mm，所述微孔的孔径小于10μm。
[0018]本专利技术将低温造孔和化学造孔有效结合，具体调控双网络水凝胶无土栽培基质孔隙结构的机理为：一方面，将含水凝胶在低温下冷冻，水在低温下结的冰会占据一定空间，待放置到常温环境中时，冰融化，其占据的空间形成物理孔洞。另一方面，制备过程中通过造孔剂碳酸钙与造孔助剂柠檬酸发生化学反应产生的CO2进行化学造孔，反应机理如下所示。因此，本专利技术所述含氮磷生物降解聚合物双交联网络水凝胶无土栽培基质具有大孔和微孔的多级孔洞结构。通过造孔剂的添加量可以调控形成的孔洞数量，通过溶液总体浓度可以调控孔洞大小。
[0019]2C6H8O7+3CaCO3＝(C6H5O7)2Ca3+3CO2+3H2O
[0020]本领域技术人员可以根据不同的需求，通过控制生物降解高分子材料与海藻酸钠的比例、海藻酸钠与碳酸钙的比例，制备得到不同力学性能和不同孔洞大小的可控孔隙结构的双交联网络水凝胶无土栽培基质。本专利技术通过将低温造孔和化学造孔结合的方式有效调控制备得到的生物降解聚合物双交联网络水凝胶无土栽培基质的孔洞结构，使其不仅具有期望的强度，而且还具有合适的多级孔洞来满足植物呼吸以及对水分的需求。
[0021]本专利技术的Ca
2+
与海藻酸钠发生离子交联反应的机理如下所示：
[0022][0023]在本专利技术的含氮磷生物降解聚合物水凝胶无土栽培基质中，当生物降解高分子材料为PVA时，其与羟甲基脲之间会发生氢键相互作用，具体作用机理如下所示：
[0024][0025]本专利技术与现有技术相比，具有如下所述的优越性：
[0026]1)本专利技术将低温造孔和化学造孔有机结合，能够有效调控制备得到的生物降解聚合物双交联网络水凝胶无土栽培基质的孔隙结构，使其不仅具有期望的强度，而且还具有合适的多级孔洞来满足植物呼吸以及对水分的需求。
[0027]2)本专利技术的羟甲基脲能够通过氢键相互作用与生物降解高分子形成物理交联网络结构充当支架并提供氮养分，磷酸二氢钙不仅能够释放磷养分，而且还能够与海藻酸钠发生离子交联，形成离子交联网络结构，从而实现了肥料、基体一体化。
[0028]3)本专利技术中的碳酸钙应用巧妙，不仅可以作为造孔剂与造孔助剂产生孔洞，而且还能够与海藻酸钠发生离子交联形成交联网络结构为无土栽培基质提供力学性能。
附图说明
[0029]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含氮磷生物降解聚合物双交联网络水凝胶无土栽培基质，特征在于，由Ca
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和海藻酸钠通过离子交联形成的交联网络结构提供力学性能，生物降解高分子和羟甲基脲通过氢键相互作用形成的物理交联网络结构充当支架并提供氮养分，两种交联网络形成互穿网络聚合物复合材料。2.根据权利要求1所述的一种含氮磷生物降解聚合物双交联网络水凝胶无土栽培基质，其特征在于，制备方法包括以下步骤：在生物降解高分子材料水溶液中加入海藻酸钠，混合均匀后，依次加入造孔剂碳酸钙以及磷酸二氢钙、羟甲基脲，混合均匀后加入造孔助剂柠檬酸，混匀后冷冻，则得到具有可调孔隙结构的含氮磷生物降解聚合物双交联网络水凝胶无土栽培基质。3.根据权利要求2所述的一种含氮磷生物降解聚合物双交联网络水凝胶无土栽培基质的制备方法，其特征在于，所述碳酸钙不仅可以作为造孔剂与造孔助剂产生孔洞，而且还能够提供与海藻酸钠发生离子交联反应的Ca
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，通过形成离子交联网络结构为无土栽培基质提供力学性能。4.根据权利要求2所述的一种含氮磷生物降解聚合物双交联网络水凝胶无土栽培基质的制备方法，其特征在于，所述磷酸二氢钙不仅能够释放磷养分，而且还能够提供与海藻酸钠发生离子交联反应的Ca
2+...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亚青，耿阳阳，陈泰安，向阳，赵贵哲，
申请(专利权)人：山西中北新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：