收稿日期 2022 10 28 作者簡介 杜心悅 1998 女 在讀碩士研究生 主要從事高分子山體修復(fù)材料等方面的研究 通信作者 雷文 1967 男 博士 教授 主要從事農(nóng)殘纖維資源化利用 樹脂基復(fù)合材料等方面的研究 E mail njfuleiwen 163 com 聚氨酯基植物栽培基質(zhì)的結(jié)構(gòu)及性能 杜心悅 1 雷 文 1 鐘培金 2 王君武 2 1 南京林業(yè)大學(xué) 理學(xué)院 江蘇 南京 210037 2 南京大源生態(tài)建設(shè)集團(tuán)有限公司 江蘇 南京 211121 摘要 以聚氨酯為基體 與土壤復(fù)合 制備植物栽培基質(zhì) 研究了聚醚多元醇 異氰酸酯 土壤 水和辛酸亞錫的 含量及土壤粒徑對基質(zhì)結(jié)構(gòu)和性能的影響 結(jié)果表明 隨著土壤含量的增加 泡孔孔徑分布越來越不均勻 吸水保 水率和發(fā)泡倍數(shù)降低 當(dāng)土壤含量為 10 份時 基質(zhì)的吸水率達(dá)到最大 其值為 690 6 隨著多元醇與異氰酸酯的比 例逐漸增大 泡孔孔徑逐漸減小且泡孔分布趨于均勻 吸水保水率逐漸增強(qiáng) 當(dāng)多元醇與異氰酸酯的比例為 13 2 時 基質(zhì)的吸水率達(dá)到最大 其值為 395 1 隨著水含量的增加 孔隙增多 孔徑增大 吸水保水性增強(qiáng) 當(dāng)水的含 量為 0 6 份時 基質(zhì)的吸水率達(dá)到最大 其值為 423 9 隨著辛酸亞錫含量的增加 孔隙分布更加密集 吸水保水率 緩慢增大 當(dāng)辛酸亞錫含量為 0 2 份時 基質(zhì)的吸水率達(dá)到最大 其值為 355 2 關(guān)鍵詞 聚氨酯 植物栽培基質(zhì) 結(jié)構(gòu) 性能 發(fā)泡 中圖分類號 TQ323 8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1001 9456 2024 01 0052 07 Structure and Properties of Polyurethane Based Plant Culture Substrate DU Xinyue 1 LEI Wen 1 ZHONG Peijin 2 WANG Junwu 2 1 College of Science Nanjing Forestry University Nanjing Jiangsu 210037 China 2 Nanjing Dayuan Ecological Construction Group Nanjing Jiangsu 211121 China Abstract The structure and properties of plant culture matrix were prepared by polyurethane matrix which was combined with soil The effects of the relative amounts of polyether polyols isocyanate soil water and stannous caprylate as well as soil particle size were studied The results showed that with the increase of soil dosage the distribution of pore diameter became more and more uneven and the water absorption and retention ratio and foaming ratio decreased The maximum water absorption rate was 690 6 when the soil dosage was 10 parts As the proportion of polyol isocyanate increased gradually the pore size decreased gradually and the distribution of pore tended to be uniform and the water absorption and retention rate increased gradually with the maximum water absorption of 395 1 at 13 2 With the increase of water the pores increase the pore size becomes larger and the water absorption and retention are enhanced The maximum water absorption rate was 423 9 when the amount of water was 0 6 parts With the increase of stannous caprylate the pore distribution became more dense and the water absorption and retention rate increased slowly When the dosage of stannous caprylate was 0 2 the water absorption rate was 355 2 at most Keywords polyurethane plant culture substrate structure performance foaming 0 引言 由于自然災(zāi)害和人工開采導(dǎo)致大量山體植被被破 壞 巖石裸露 許多山體的植被需要修復(fù) 另外 隨著城 市人口的快速增加 城市土地資源緊缺 城市綠化逐漸 向立體化發(fā)展 目前 關(guān)于該領(lǐng)域的綠化通常采用無 紡布或者塑料托盤包裹住培養(yǎng)土 但是 由于其結(jié)構(gòu)松 散 水土易流失 施工不便且使用壽命較短 阻礙了其 發(fā)展 1 高分子聚合物具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 韌性較好 質(zhì)量 輕等特點 將其作為植物栽培基質(zhì)可有效地克服上述 缺陷 越來越受到人們的重視 目前 研究較多的是酚 醛泡沫基栽培基質(zhì)和聚氨酯泡沫基栽培基質(zhì) 但酚醛 泡沫的污染性較嚴(yán)重 不符合現(xiàn)代社會倡導(dǎo)的綠色環(huán) 保的主題 因此 目前的研究重點仍集中在聚氨酯泡沫 方向 2 何金迎等 3 采用一步法制備了可用于無土 栽培的聚氨酯泡沫栽培基質(zhì) 發(fā)現(xiàn) 栽培基質(zhì)的吸水率 和保水率隨著泡沫密度的增加而呈下降趨勢 劉潔 等 4 采用配比為 5 3 的聚醚和甲苯二異氰酸酯反應(yīng) 得到了一種保水保肥的復(fù)合材料 并且栽培植物成功 馬潔等 5 用不同羥值配比的聚醚多元醇制備可用于無 土栽培的聚氨酯泡沫栽培基質(zhì)發(fā)現(xiàn) 隨著聚醚多元醇 25 杜心悅等 聚氨酯基植物栽培基質(zhì)的結(jié)構(gòu)及性能 塑 料 2024 年 53 卷 第 1 期 羥值的增加 聚氨酯泡沫的孔隙增大 吸水保水性得到 改善 何飛等 6 通過添加淀粉液化多元醇 然后 采用 一步法發(fā)泡工藝制備樣品 利用氫氧化鈉溶液對聚氨 酯泡沫網(wǎng)化開孔 最終得到開孔率為 96 吸水率為 2 000 的栽培基質(zhì) 上述研究均得到了適宜作物生 長的輕質(zhì)聚氨酯基質(zhì) 7 但均沒有系統(tǒng)地研究各種因 素對聚氨酯栽培基質(zhì)結(jié)構(gòu)及性能的具體影響 存在一 定的局限性 為了解決該問題 文章通過有關(guān)實驗研 究制備的一種輕質(zhì)植物栽培基質(zhì) 具有密度較低 結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定 吸水保水性較好等特點 可作為一種較好的山體 修復(fù) 垂直綠化的整體栽培基質(zhì) 1 實驗部分 1 1 主要原料 聚醚多元醇 工業(yè)級 南京金棲化工集團(tuán)有限 公司 多亞甲基多苯基異氰酸酯 PAPI NCO 含量為 31 廣州啟華化工有限公司 土壤 黃土 取自南京林業(yè)大學(xué)校內(nèi) 使用前干燥 處理 去離子水 實驗室自制 辛酸亞錫 CP 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司 1 2 主要儀器及設(shè)備 電子天平 BS 21D 北京賽多利斯公司 飛納臺式掃描電子顯微鏡 Phenom Pro 復(fù)納科學(xué) 儀器 上海 有限公司 電熱恒溫干燥箱 DHG 9031A 上海精宏實驗設(shè)備 有限公司 1 3 樣品的制備 采用一步法加工工藝制備聚氨酯基植物栽培基 質(zhì) 將多元醇 土壤 水 辛酸亞錫等組分按配方稱量后 混合均勻作為白料 異氰酸酯作為黑料 將黑料倒入白 料中 攪拌均勻至發(fā)熱 然后靜置自由發(fā)泡 1 4 加工性能測試 1 4 1 膨脹時間 從物料開始發(fā)熱 手部感受到物料由冷變熱 或插 入溫度計從數(shù)值開始上升計時 直至泡沫上升至體積 最大的時間 記為膨脹時間 1 4 2 脫黏時間 從物料開始發(fā)熱計時 直至泡沫定型不再粘手的 時間 記為脫粘時間 1 5 吸水 保水性能 1 5 1 吸水性 將干燥的模塊化的栽培基質(zhì)稱重后 浸入水中 24 h后將模塊取出 用吸水紙擦拭干凈模塊表面的水 滴 待無水滴滴落后再次稱重 計算吸水率如式 1 所示 吸水率 W 2 W 1 W 1 100 1 式中 W 1 為干燥的栽培基質(zhì)模塊質(zhì)量 g W 2 為吸水后 的栽培基質(zhì)模塊質(zhì)量 g 1 5 2 保水性 將模塊浸入水中 24 h 后將模塊取出 用吸水紙擦 拭干凈表面水滴 在自然環(huán)境下 靜置在鐵絲網(wǎng)上 7 d 后再次稱重 計算保水率如式 2 所示 保水率 W 3 W 1 W 1 100 2 式中 W 1 為干燥的栽培基質(zhì)模塊質(zhì)量 g W 3 為在自然 環(huán)境下靜置 7 d 后的栽培基質(zhì)模塊質(zhì)量 g 1 6 物理性能 1 6 1 發(fā)泡倍數(shù) 分別測量發(fā)泡成型后栽培基質(zhì)的體積及發(fā)泡前物 料的體積 計算發(fā)泡倍數(shù)如式 3 所示 發(fā)泡倍數(shù) V 2 V 1 3 式中 V 1 為發(fā)泡前物料的體積 cm 3 V 2 為發(fā)泡成型后 栽培基質(zhì)模塊的體積 cm 3 1 6 2 容重 將干燥的栽培基質(zhì)切割成 10 mm 10 mm 10 mm 的模塊 測量其體積并稱取質(zhì)量 計算容重如式 4 所示 容重 m V 4 式中 V 為栽培基質(zhì)模塊的體積 cm 3 m 為栽培基質(zhì)模 塊的質(zhì)量 g 1 7 表面形貌 將熟化后的泡沫去掉表皮 切割為 8 mm 8 mm 5 mm的模塊 進(jìn)行掃描電鏡觀察 掃描電壓為 5 kV 放 大 500 倍 2 結(jié)果與討論 2 1 土壤的含量對栽培基質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能的影響 按照質(zhì)量比 10 0 5 0 15 N1 5 分別稱取多元 醇 水 辛酸亞錫 土壤 粒徑 20 目 和異氰酸酯 分析土 壤含量 N 對栽培基質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響 結(jié)果如圖 1 所示 從圖 1 中可以看出 發(fā)泡產(chǎn)生的聚氨酯包裹住無 機(jī)填料土壤 土壤顆粒穿插在泡孔中 與泡孔緊密結(jié)合 由圖 1a 可知 當(dāng)土壤含量 N1 為 10 每 10 份多元醇中添 35 杜心悅等 聚氨酯基植物栽培基質(zhì)的結(jié)構(gòu)及性能 塑 料 2024 年 53 卷 第 1 期 圖 1 不同土壤含量的栽培基質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) N1 值 a 10 b 20 c 30 d 40 e 50 加 10 份土壤 時 泡孔排列規(guī)整 泡孔壁完整 孔徑較接 近 泡體結(jié)構(gòu)中沒有缺陷 隨著土壤含量的增加 泡孔 孔徑分布均勻性被破壞 部分泡孔越來越小 部分泡孔 越來越大 這是由于 更多量的土壤導(dǎo)致其在聚氨酯中 分散不均勻 并且分布于泡孔孔壁周圍 部分土壤 圖 1e 甚至堵塞泡孔 破壞了泡沫泡體結(jié)構(gòu) 8 10 從圖 2 中可以看出 隨著土壤含量的增大 栽培基 質(zhì)在制作過程中的膨脹時間 脫粘時間 圖 2a 及其容 重 圖 2d 均逐漸增大 而發(fā)泡倍數(shù) 圖 2c 吸水率和 圖 2 不同土壤含量對栽培基質(zhì)性能的影響 a 膨脹時間和脫粘時間 b 吸水率和保水率 c 發(fā)泡倍數(shù) d 容重 保水率 圖 2b 均逐漸減小 這是由于 土壤可以影響 聚氨酯泡沫發(fā)泡的 3 個階段的化學(xué)反應(yīng) 有效地增加 了反應(yīng)時間 如圖 1 所示 土壤的添加還影響了聚氨酯 泡沫的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 當(dāng)骨架材料聚氨酯的含量相同時 發(fā) 泡倍數(shù)下降 聚氨酯泡沫內(nèi)部孔隙通道減少 栽培基質(zhì) 吸水保水能力下降 11 12 按照國標(biāo) NYT 2118 2012 育苗基質(zhì)的吸水率應(yīng) 控制在 150 以上 容重控制在 0 20 0 60 的范圍內(nèi) 由圖 2 可知 多元醇與土壤含量配比為 10 30 和 10 40 45 杜心悅等 聚氨酯基植物栽培基質(zhì)的結(jié)構(gòu)及性能 塑 料 2024 年 53 卷 第 1 期 的栽培基質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求 綜合分析加工時間 成本和 吸水保水性能 后續(xù)實驗均取多元醇與土壤含量為 10 30的體系進(jìn)行研究 2 2 多元醇與異氰酸酯的含量對栽培基質(zhì)結(jié)構(gòu)與性 能的影響 按照質(zhì)量比 N2 0 5 0 15 30 N3 分別稱取 多元醇 水 辛酸亞錫 土壤 粒徑 20 目 和異氰酸酯 N2 N3 15 分析多元醇和異氰酸酯的相對比例對 栽培基質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響 結(jié)果如圖 3 所示 圖 3 不同多元醇與異氰酸酯配比的栽培基質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) N2 N3 a 8 7 b 9 6 c 10 5 d 11 4 e 12 3 f 13 2 圖 4 不同多元醇和異氰酸酯的配比對栽培基質(zhì)性能的影響 a 膨脹時間和脫粘時間 b 吸水率和保水率 c 發(fā)泡倍數(shù) d 容重 聚氨酯內(nèi)部的氣泡來源于水與異氰酸酯生成的二 氧化碳 使泡沫物料膨脹 13 14 氣泡在生成過程中相 互碰撞 合并 產(chǎn)生的氣體越多 發(fā)生膨脹并合并的概 率越大 因此 聚氨酯泡沫的泡孔增大 15 由圖 3a 3b 可知 泡孔的孔徑較大 而且 聚氨酯孔隙壁非常光滑 泡孔結(jié)構(gòu)不均勻 隨著異氰酸酯含量的降低 產(chǎn)生的 氣泡明顯減少 而且 泡孔的孔徑也逐漸減小 但是 分 布相對均勻 從圖 4 中可以看出 隨著多元醇含量的增加 膨脹 55 杜心悅等 聚氨酯基植物栽培基質(zhì)的結(jié)構(gòu)及性能 塑 料 2024 年 53 卷 第 1 期 時間與脫粘時間先減小后增大 配比為 10 5 時 時間 最短 如圖 4a 所示 由圖 4c 4d 可知 逐漸減小 容重 逐漸增大 發(fā)泡過程中 水與異氰酸酯發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 產(chǎn)生了大量的二氧化碳?xì)怏w 形成了發(fā)泡體系 隨著異 氰酸酯含量的降低 發(fā)泡倍數(shù)逐漸降低 14 隨著多元 醇含量的增加 栽培基質(zhì)的吸水率先上升后下降 如圖 4b 所示 當(dāng)配比在 10 5 之前 發(fā)泡樣品呈明顯的硬 泡性質(zhì) 彈性較差 具有一定的疏水性 當(dāng)配比為 4 1 時 樣品基本無發(fā)泡痕跡 無肉眼可見孔隙 吸水性和 圖 5 不同水含量下的栽培基質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) N4 a 0 4 b 0 45 c 0 5 d 0 55 e 0 6 圖 6 水含量對栽培基質(zhì)性能的影響 a 膨脹時間和脫粘時間 b 吸水率和保水率 c 發(fā)泡倍數(shù) d 容重 保水性均較差 2 3 水含量對栽培基質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能的影響 按照質(zhì)量比 10 N4 0 15 30 5 分別稱取多元 醇 水 辛酸亞錫 土壤 粒徑 20 目 和異氰酸酯 分析 水的含量對栽培基質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響 結(jié)果如圖 5 所示 由圖 5 可知 隨著 N4 值的增加 泡孔孔隙增多且 孔徑增大 這是由于 用水量的增加 其與異氰酸酯的 反應(yīng)速率增大 氣體溢出加快 相鄰氣泡聚結(jié) 15 17 但是 由于孔隙過多且孔徑大 孔壁變薄 結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定 65 杜心悅等 聚氨酯基植物栽培基質(zhì)的結(jié)構(gòu)及性能 塑 料 2024 年 53 卷 第 1 期 水含量較大的樣品出現(xiàn)皺縮現(xiàn)象 18 由圖 6 可知 隨著 N4 值的增加 栽培基質(zhì)在制作 過程中的膨脹時間和脫粘時間 圖 6a 均逐漸增大 同 時 其吸水率和保水率 圖 6b 逐漸增大 隨著水含量 的增加 泡孔孔隙增多且孔徑增大 栽培基質(zhì)的體積逐 漸增大 發(fā)泡倍數(shù)緩慢增大 圖 6c 與 Ligoure 等 16 的 實驗結(jié)果一致 實驗發(fā)現(xiàn) 當(dāng)水含量達(dá)到 55 時 泡沫 的頂端出現(xiàn)皺縮現(xiàn)象 且泡沫孔隙分布不均勻 因此 在 變量改變較小的情況下 容重 圖 6d 的變化規(guī)律不 明顯 2 4 辛酸亞錫含量對栽培基質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能的影響 聚氨酯軟泡生產(chǎn)中使用的催化劑類型主要可分為 叔胺類和有機(jī)錫類 其中 最常用的為三乙烯二胺和 辛酸亞錫 三乙烯二胺制備的聚氨酯軟泡中的胺 揮發(fā)物導(dǎo)致聚氨酯軟泡表面起皺 19 雖然采用三 乙烯二胺發(fā)泡的泡沫性能較好 但是泡孔孔徑較 大 孔壁較薄 熟化后的聚氨酯軟泡容易塌陷 需要 添加穩(wěn)定劑 而采用辛酸亞錫發(fā)泡的泡沫泡孔孔徑 與三乙烯二胺相比更均勻 并且熟化后未出現(xiàn)塌陷 不 需要添加穩(wěn)定劑 減少了化學(xué)試劑的使用 因此 實驗 采用辛酸亞錫作為催化劑 既減少了環(huán)境污染 又降低 了成本 按照質(zhì)量比 10 0 5 N5 30 5 分別稱取多元 醇 水 辛酸亞錫 土壤 粒徑 20 目 和異氰酸酯 分析 催化劑辛酸亞錫的含量對栽培基質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響 結(jié)果 如圖 7 所示 從圖 7 中可以看出 隨著催化劑辛酸亞 錫含量的增加 完整的孔隙壁上出現(xiàn)小孔隙 并且小孔 圖 7 不同辛酸亞錫含量的栽培基質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) N5 a 0 05 b 0 1 c 0 15 d 0 2 e 0 25 隙孔徑逐漸增大 小孔隙分布和尺寸越來越均勻 栽培 基質(zhì)泡孔結(jié)構(gòu)越來越均勻 由圖 8 可知 隨著辛酸亞錫含量的增加 栽培基質(zhì) 成形過程中的膨脹時間和脫粘時間 圖 8a 逐漸減小 這主要是由于 有機(jī)錫類催化劑可參與化學(xué)反應(yīng) 促進(jìn) 凝膠反應(yīng)和發(fā)泡反應(yīng)進(jìn)程 20 聚氨酯泡沫生產(chǎn)反應(yīng) 存在發(fā)泡 擴(kuò)鏈和交聯(lián)等過程 這是由于 異氰酸酯與 發(fā)泡劑的發(fā)泡反應(yīng)為發(fā)泡提供了氣體 為異氰酸酯與 多元醇的擴(kuò)鏈反應(yīng)為主的凝膠反應(yīng)提供了形成泡沫的 網(wǎng)絡(luò)骨架 21 而吸水率和保水率先緩慢增大 當(dāng) N5 值為 0 2 時 兩者均達(dá)到最大值 圖 8b 然后顯著下 降 結(jié)合圖 7 可知 當(dāng)辛酸亞錫的含量為 0 25 份時 小孔數(shù)量逐漸減少 毛細(xì)管作用明顯減弱 因此 與含 量為 0 2 份時相比 吸水率明顯降低 另外 實驗發(fā) 現(xiàn) 當(dāng)辛酸亞錫的含量大于 0 15 份時 表面出現(xiàn)了輕 微皺縮現(xiàn)象 這是由于 與發(fā)泡反應(yīng)相比 凝膠反應(yīng)較 快 泡孔一直處于封閉狀態(tài) 當(dāng)樣品冷卻后 泡孔逐漸 發(fā)生收縮現(xiàn)象 20 3 結(jié)論 文章以吸水率為主要衡量指標(biāo) 發(fā)現(xiàn) 當(dāng)土壤含量 為 10 份時 吸水率達(dá)到最大 其值為 690 6 當(dāng)多元 醇與異氰酸酯的比例為 13 2 時 吸水率達(dá)到最大 其 值為 395 1 當(dāng)水的含量為 0 6 份時 吸水率達(dá)到最 大 其值為 423 9 當(dāng)辛酸亞錫含量為 0 2 份時 吸水 率達(dá)到最大 其值為 355 2 該聚氨酯栽培基質(zhì)密度 較低 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 在山體修復(fù) 垂直綠化等施工困難 承 重能力低的領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景 75 杜心悅等 聚氨酯基植物栽培基質(zhì)的結(jié)構(gòu)及性能 塑 料 2024 年 53 卷 第 1 期 圖 8 辛酸亞錫含量對栽培基質(zhì)性能的影響 a 膨脹時間和脫粘時間 b 吸水率和保水率 c 發(fā)泡倍數(shù) d 容重 參考文獻(xiàn) 1 曾智 一種可生物降解的質(zhì)輕壘土及其制備方法 中 國 CN111548223A P 2020 08 18 2 喻永祥 郝社鋒 蔣波 等 基于聚氨酯復(fù)合基材的巖質(zhì)邊坡客土 生態(tài)修復(fù)試驗研究 J 水文地質(zhì)工程地質(zhì) 2021 48 2 174 181 3 何金迎 孫佳春 翟文 等 荒山綠化用聚氨酯泡沫無土栽培基質(zhì) 的制備與研究 J 塑料工業(yè) 2019 47 7 145 147 4 劉潔 王勇 小島紀(jì)德 用于保水保肥的聚氨酯泡沫復(fù)合材料 J 材料科學(xué)與工程學(xué)報 2007 4 587 589 597 5 馬潔 王庭慰 組合多元醇對用于無土栽培的聚氨酯吸水泡沫的 影響 J 高分子材料科學(xué)與工程 2018 34 8 74 78 6 何飛 駱毅 邵超群 等 無土栽培基質(zhì)親水性聚氨酯泡沫制備及 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