聚氨酯基植物栽培基质的结构及性能_杜心悦.pdf

收稿日期 2022 10 28 作者简介 杜心悦 1998 女 在读硕士研究生 主要从事高分子山体修复材料等方面的研究 通信作者 雷文 1967 男 博士 教授 主要从事农残纤维资源化利用 树脂基复合材料等方面的研究 E mail njfuleiwen 163 com 聚氨酯基植物栽培基质的结构及性能 杜心悦 1 雷 文 1 钟培金 2 王君武 2 1 南京林业大学 理学院 江苏 南京 210037 2 南京大源生态建设集团有限公司 江苏 南京 211121 摘要 以聚氨酯为基体 与土壤复合 制备植物栽培基质 研究了聚醚多元醇 异氰酸酯 土壤 水和辛酸亚锡的 含量及土壤粒径对基质结构和性能的影响 结果表明 随着土壤含量的增加 泡孔孔径分布越来越不均匀 吸水保 水率和发泡倍数降低 当土壤含量为 10 份时 基质的吸水率达到最大 其值为 690 6 随着多元醇与异氰酸酯的比 例逐渐增大 泡孔孔径逐渐减小且泡孔分布趋于均匀 吸水保水率逐渐增强 当多元醇与异氰酸酯的比例为 13 2 时 基质的吸水率达到最大 其值为 395 1 随着水含量的增加 孔隙增多 孔径增大 吸水保水性增强 当水的含 量为 0 6 份时 基质的吸水率达到最大 其值为 423 9 随着辛酸亚锡含量的增加 孔隙分布更加密集 吸水保水率 缓慢增大 当辛酸亚锡含量为 0 2 份时 基质的吸水率达到最大 其值为 355 2 关键词 聚氨酯 植物栽培基质 结构 性能 发泡 中图分类号 TQ323 8 文献标识码 A 文章编号 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 由于自然灾害和人工开采导致大量山体植被被破 坏 岩石裸露 许多山体的植被需要修复 另外 随着城 市人口的快速增加 城市土地资源紧缺 城市绿化逐渐 向立体化发展 目前 关于该领域的绿化通常采用无 纺布或者塑料托盘包裹住培养土 但是 由于其结构松 散 水土易流失 施工不便且使用寿命较短 阻碍了其 发展 1 高分子聚合物具有结构稳定 韧性较好 质量 轻等特点 将其作为植物栽培基质可有效地克服上述 缺陷 越来越受到人们的重视 目前 研究较多的是酚 醛泡沫基栽培基质和聚氨酯泡沫基栽培基质 但酚醛 泡沫的污染性较严重 不符合现代社会倡导的绿色环 保的主题 因此 目前的研究重点仍集中在聚氨酯泡沫 方向 2 何金迎等 3 采用一步法制备了可用于无土 栽培的聚氨酯泡沫栽培基质 发现 栽培基质的吸水率 和保水率随着泡沫密度的增加而呈下降趋势 刘洁 等 4 采用配比为 5 3 的聚醚和甲苯二异氰酸酯反应 得到了一种保水保肥的复合材料 并且栽培植物成功 马洁等 5 用不同羟值配比的聚醚多元醇制备可用于无 土栽培的聚氨酯泡沫栽培基质发现 随着聚醚多元醇 25 杜心悦等 聚氨酯基植物栽培基质的结构及性能 塑 料 2024 年 53 卷 第 1 期 羟值的增加 聚氨酯泡沫的孔隙增大 吸水保水性得到 改善 何飞等 6 通过添加淀粉液化多元醇 然后 采用 一步法发泡工艺制备样品 利用氢氧化钠溶液对聚氨 酯泡沫网化开孔 最终得到开孔率为 96 吸水率为 2 000 的栽培基质 上述研究均得到了适宜作物生 长的轻质聚氨酯基质 7 但均没有系统地研究各种因 素对聚氨酯栽培基质结构及性能的具体影响 存在一 定的局限性 为了解决该问题 文章通过有关实验研 究制备的一种轻质植物栽培基质 具有密度较低 结构 稳定 吸水保水性较好等特点 可作为一种较好的山体 修复 垂直绿化的整体栽培基质 1 实验部分 1 1 主要原料 聚醚多元醇 工业级 南京金栖化工集团有限 公司 多亚甲基多苯基异氰酸酯 PAPI NCO 含量为 31 广州启华化工有限公司 土壤 黄土 取自南京林业大学校内 使用前干燥 处理 去离子水 实验室自制 辛酸亚锡 CP 国药集团化学试剂有限公司 1 2 主要仪器及设备 电子天平 BS 21D 北京赛多利斯公司 飞纳台式扫描电子显微镜 Phenom Pro 复纳科学 仪器 上海 有限公司 电热恒温干燥箱 DHG 9031A 上海精宏实验设备 有限公司 1 3 样品的制备 采用一步法加工工艺制备聚氨酯基植物栽培基 质 将多元醇 土壤 水 辛酸亚锡等组分按配方称量后 混合均匀作为白料 异氰酸酯作为黑料 将黑料倒入白 料中 搅拌均匀至发热 然后静置自由发泡 1 4 加工性能测试 1 4 1 膨胀时间 从物料开始发热 手部感受到物料由冷变热 或插 入温度计从数值开始上升计时 直至泡沫上升至体积 最大的时间 记为膨胀时间 1 4 2 脱黏时间 从物料开始发热计时 直至泡沫定型不再粘手的 时间 记为脱粘时间 1 5 吸水 保水性能 1 5 1 吸水性 将干燥的模块化的栽培基质称重后 浸入水中 24 h后将模块取出 用吸水纸擦拭干净模块表面的水 滴 待无水滴滴落后再次称重 计算吸水率如式 1 所示 吸水率 W 2 W 1 W 1 100 1 式中 W 1 为干燥的栽培基质模块质量 g W 2 为吸水后 的栽培基质模块质量 g 1 5 2 保水性 将模块浸入水中 24 h 后将模块取出 用吸水纸擦 拭干净表面水滴 在自然环境下 静置在铁丝网上 7 d 后再次称重 计算保水率如式 2 所示 保水率 W 3 W 1 W 1 100 2 式中 W 1 为干燥的栽培基质模块质量 g W 3 为在自然 环境下静置 7 d 后的栽培基质模块质量 g 1 6 物理性能 1 6 1 发泡倍数 分别测量发泡成型后栽培基质的体积及发泡前物 料的体积 计算发泡倍数如式 3 所示 发泡倍数 V 2 V 1 3 式中 V 1 为发泡前物料的体积 cm 3 V 2 为发泡成型后 栽培基质模块的体积 cm 3 1 6 2 容重 将干燥的栽培基质切割成 10 mm 10 mm 10 mm 的模块 测量其体积并称取质量 计算容重如式 4 所示 容重 m V 4 式中 V 为栽培基质模块的体积 cm 3 m 为栽培基质模 块的质量 g 1 7 表面形貌 将熟化后的泡沫去掉表皮 切割为 8 mm 8 mm 5 mm的模块 进行扫描电镜观察 扫描电压为 5 kV 放 大 500 倍 2 结果与讨论 2 1 土壤的含量对栽培基质结构与性能的影响 按照质量比 10 0 5 0 15 N1 5 分别称取多元 醇 水 辛酸亚锡 土壤 粒径 20 目 和异氰酸酯 分析土 壤含量 N 对栽培基质结构的影响 结果如图 1 所示 从图 1 中可以看出 发泡产生的聚氨酯包裹住无 机填料土壤 土壤颗粒穿插在泡孔中 与泡孔紧密结合 由图 1a 可知 当土壤含量 N1 为 10 每 10 份多元醇中添 35 杜心悦等 聚氨酯基植物栽培基质的结构及性能 塑 料 2024 年 53 卷 第 1 期 图 1 不同土壤含量的栽培基质的内部结构 N1 值 a 10 b 20 c 30 d 40 e 50 加 10 份土壤 时 泡孔排列规整 泡孔壁完整 孔径较接 近 泡体结构中没有缺陷 随着土壤含量的增加 泡孔 孔径分布均匀性被破坏 部分泡孔越来越小 部分泡孔 越来越大 这是由于 更多量的土壤导致其在聚氨酯中 分散不均匀 并且分布于泡孔孔壁周围 部分土壤 图 1e 甚至堵塞泡孔 破坏了泡沫泡体结构 8 10 从图 2 中可以看出 随着土壤含量的增大 栽培基 质在制作过程中的膨胀时间 脱粘时间 图 2a 及其容 重 图 2d 均逐渐增大 而发泡倍数 图 2c 吸水率和 图 2 不同土壤含量对栽培基质性能的影响 a 膨胀时间和脱粘时间 b 吸水率和保水率 c 发泡倍数 d 容重 保水率 图 2b 均逐渐减小 这是由于 土壤可以影响 聚氨酯泡沫发泡的 3 个阶段的化学反应 有效地增加 了反应时间 如图 1 所示 土壤的添加还影响了聚氨酯 泡沫的内部结构 当骨架材料聚氨酯的含量相同时 发 泡倍数下降 聚氨酯泡沫内部孔隙通道减少 栽培基质 吸水保水能力下降 11 12 按照国标 NYT 2118 2012 育苗基质的吸水率应 控制在 150 以上 容重控制在 0 20 0 60 的范围内 由图 2 可知 多元醇与土壤含量配比为 10 30 和 10 40 45 杜心悦等 聚氨酯基植物栽培基质的结构及性能 塑 料 2024 年 53 卷 第 1 期 的栽培基质符合标准要求 综合分析加工时间 成本和 吸水保水性能 后续实验均取多元醇与土壤含量为 10 30的体系进行研究 2 2 多元醇与异氰酸酯的含量对栽培基质结构与性 能的影响 按照质量比 N2 0 5 0 15 30 N3 分别称取 多元醇 水 辛酸亚锡 土壤 粒径 20 目 和异氰酸酯 N2 N3 15 分析多元醇和异氰酸酯的相对比例对 栽培基质结构的影响 结果如图 3 所示 图 3 不同多元醇与异氰酸酯配比的栽培基质的内部结构 N2 N3 a 8 7 b 9 6 c 10 5 d 11 4 e 12 3 f 13 2 图 4 不同多元醇和异氰酸酯的配比对栽培基质性能的影响 a 膨胀时间和脱粘时间 b 吸水率和保水率 c 发泡倍数 d 容重 聚氨酯内部的气泡来源于水与异氰酸酯生成的二 氧化碳 使泡沫物料膨胀 13 14 气泡在生成过程中相 互碰撞 合并 产生的气体越多 发生膨胀并合并的概 率越大 因此 聚氨酯泡沫的泡孔增大 15 由图 3a 3b 可知 泡孔的孔径较大 而且 聚氨酯孔隙壁非常光滑 泡孔结构不均匀 随着异氰酸酯含量的降低 产生的 气泡明显减少 而且 泡孔的孔径也逐渐减小 但是 分 布相对均匀 从图 4 中可以看出 随着多元醇含量的增加 膨胀 55 杜心悦等 聚氨酯基植物栽培基质的结构及性能 塑 料 2024 年 53 卷 第 1 期 时间与脱粘时间先减小后增大 配比为 10 5 时 时间 最短 如图 4a 所示 由图 4c 4d 可知 逐渐减小 容重 逐渐增大 发泡过程中 水与异氰酸酯发生化学反应 产生了大量的二氧化碳气体 形成了发泡体系 随着异 氰酸酯含量的降低 发泡倍数逐渐降低 14 随着多元 醇含量的增加 栽培基质的吸水率先上升后下降 如图 4b 所示 当配比在 10 5 之前 发泡样品呈明显的硬 泡性质 弹性较差 具有一定的疏水性 当配比为 4 1 时 样品基本无发泡痕迹 无肉眼可见孔隙 吸水性和 图 5 不同水含量下的栽培基质的内部结构 N4 a 0 4 b 0 45 c 0 5 d 0 55 e 0 6 图 6 水含量对栽培基质性能的影响 a 膨胀时间和脱粘时间 b 吸水率和保水率 c 发泡倍数 d 容重 保水性均较差 2 3 水含量对栽培基质结构与性能的影响 按照质量比 10 N4 0 15 30 5 分别称取多元 醇 水 辛酸亚锡 土壤 粒径 20 目 和异氰酸酯 分析 水的含量对栽培基质结构的影响 结果如图 5 所示 由图 5 可知 随着 N4 值的增加 泡孔孔隙增多且 孔径增大 这是由于 用水量的增加 其与异氰酸酯的 反应速率增大 气体溢出加快 相邻气泡聚结 15 17 但是 由于孔隙过多且孔径大 孔壁变薄 结构不稳定 65 杜心悦等 聚氨酯基植物栽培基质的结构及性能 塑 料 2024 年 53 卷 第 1 期 水含量较大的样品出现皱缩现象 18 由图 6 可知 随着 N4 值的增加 栽培基质在制作 过程中的膨胀时间和脱粘时间 图 6a 均逐渐增大 同 时 其吸水率和保水率 图 6b 逐渐增大 随着水含量 的增加 泡孔孔隙增多且孔径增大 栽培基质的体积逐 渐增大 发泡倍数缓慢增大 图 6c 与 Ligoure 等 16 的 实验结果一致 实验发现 当水含量达到 55 时 泡沫 的顶端出现皱缩现象 且泡沫孔隙分布不均匀 因此 在 变量改变较小的情况下 容重 图 6d 的变化规律不 明显 2 4 辛酸亚锡含量对栽培基质结构与性能的影响 聚氨酯软泡生产中使用的催化剂类型主要可分为 叔胺类和有机锡类 其中 最常用的为三乙烯二胺和 辛酸亚锡 三乙烯二胺制备的聚氨酯软泡中的胺 挥发物导致聚氨酯软泡表面起皱 19 虽然采用三 乙烯二胺发泡的泡沫性能较好 但是泡孔孔径较 大 孔壁较薄 熟化后的聚氨酯软泡容易塌陷 需要 添加稳定剂 而采用辛酸亚锡发泡的泡沫泡孔孔径 与三乙烯二胺相比更均匀 并且熟化后未出现塌陷 不 需要添加稳定剂 减少了化学试剂的使用 因此 实验 采用辛酸亚锡作为催化剂 既减少了环境污染 又降低 了成本 按照质量比 10 0 5 N5 30 5 分别称取多元 醇 水 辛酸亚锡 土壤 粒径 20 目 和异氰酸酯 分析 催化剂辛酸亚锡的含量对栽培基质结构的影响 结果 如图 7 所示 从图 7 中可以看出 随着催化剂辛酸亚 锡含量的增加 完整的孔隙壁上出现小孔隙 并且小孔 图 7 不同辛酸亚锡含量的栽培基质的内部结构 N5 a 0 05 b 0 1 c 0 15 d 0 2 e 0 25 隙孔径逐渐增大 小孔隙分布和尺寸越来越均匀 栽培 基质泡孔结构越来越均匀 由图 8 可知 随着辛酸亚锡含量的增加 栽培基质 成形过程中的膨胀时间和脱粘时间 图 8a 逐渐减小 这主要是由于 有机锡类催化剂可参与化学反应 促进 凝胶反应和发泡反应进程 20 聚氨酯泡沫生产反应 存在发泡 扩链和交联等过程 这是由于 异氰酸酯与 发泡剂的发泡反应为发泡提供了气体 为异氰酸酯与 多元醇的扩链反应为主的凝胶反应提供了形成泡沫的 网络骨架 21 而吸水率和保水率先缓慢增大 当 N5 值为 0 2 时 两者均达到最大值 图 8b 然后显著下 降 结合图 7 可知 当辛酸亚锡的含量为 0 25 份时 小孔数量逐渐减少 毛细管作用明显减弱 因此 与含 量为 0 2 份时相比 吸水率明显降低 另外 实验发 现 当辛酸亚锡的含量大于 0 15 份时 表面出现了轻 微皱缩现象 这是由于 与发泡反应相比 凝胶反应较 快 泡孔一直处于封闭状态 当样品冷却后 泡孔逐渐 发生收缩现象 20 3 结论 文章以吸水率为主要衡量指标 发现 当土壤含量 为 10 份时 吸水率达到最大 其值为 690 6 当多元 醇与异氰酸酯的比例为 13 2 时 吸水率达到最大 其 值为 395 1 当水的含量为 0 6 份时 吸水率达到最 大 其值为 423 9 当辛酸亚锡含量为 0 2 份时 吸水 率达到最大 其值为 355 2 该聚氨酯栽培基质密度 较低 结构稳定 在山体修复 垂直绿化等施工困难 承 重能力低的领域具有广泛的应用前景 75 杜心悦等 聚氨酯基植物栽培基质的结构及性能 塑 料 2024 年 53 卷 第 1 期 图 8 辛酸亚锡含量对栽培基质性能的影响 a 膨胀时间和脱粘时间 b 吸水率和保水率 c 发泡倍数 d 容重 参考文献 1 曾智 一种可生物降解的质轻垒土及其制备方法 中 国 CN111548223A P 2020 08 18 2 喻永祥 郝社锋 蒋波 等 基于聚氨酯复合基材的岩质边坡客土 生态修复试验研究 J 水文地质工程地质 2021 48 2 174 181 3 何金迎 孙佳春 翟文 等 荒山绿化用聚氨酯泡沫无土栽培基质 的制备与研究 J 塑料工业 2019 47 7 145 147 4 刘洁 王勇 小岛纪德 用于保水保肥的聚氨酯泡沫复合材料 J 材料科学与工程学报 2007 4 587 589 597 5 马洁 王庭慰 组合多元醇对用于无土栽培的聚氨酯吸水泡沫的 影响 J 高分子材料科学与工程 2018 34 8 74 78 6 何飞 骆毅 邵超群 等 无土栽培基质亲水性聚氨酯泡沫制备及 其理化性质 J 浙江农业科学 2012 1 108 110 7 刘海峰 环境友好型植物生长多孔混凝土的研究与应用 D 南 京 东南大学 2004 8 CHEN X SANG X HOU G et al Preparation and mechanical properties of polyurethane modified kaolin foam composites J Advanced Materials esearch 2011 1167 197 198 1171 1175 9 刘紫薇 废弃生物质基聚氨酯及其性能研究 D 北京 北京化 工大学 2021 10 祝志雄 俞毅 王恒华 等 硅藻土改性硬质聚氨酯泡沫性能研究 J 新型建筑材料 2018 45 6 149 152 11 SEO W J JUNG H C YUN J C et al Mechanical morphological and thermal properties of rigid polyurethane foams blown by distilled water J Applied Polymer Science 2003 90 1 12 21 12 戚兴来 张梦楠 吴圣众 等 聚氨酯 泥炭土轻质发泡材料的制 备与性能研究 J 森林与环境学报 2021 41 3 325 330 13 李帅 张均 何成汉 等 发泡剂对形状记忆聚氨酯泡沫性能的影 响 J 化工新型材料 2019 47 9 249 252 14 A TAVIA L MACOSKO C W Low density cellular plastics Physical basis of behavior M London Chapman Hall 2012 15 AL MOAME I H ZHAO Y GHO EI SHI et al Simulation blowing agent performance cell morphology and cell pressure in rigid polyurethane foams J Industrial Engineering Chemistry esearch 2016 55 8 2336 2344 16 LIGOU E C CLOIT E M CHATELIE C L et al Making polyurethane foams from microemulsions J Polymer 2005 46 17 6402 6410 17 TAKI K TABATA K KIHA A S et al Bubble coalescence in foaming process of polymers J Polymer Engineering and Science 2006 46 5 680 690 18 PA K J KIM H KIM J et al Eco friendly blowing agent HCFO 1233zd for the synthesis of polyurethane foam as cryogenic insulation J Journal of Applied Polymer Science 2021 19 张海洋 反应型胺类催化剂 ZETA 在聚氨酯软泡中的应用研究 J 聚氨酯工业 2021 36 5 38 41 20 MU Y WAN X HAN Z et al igid polyurethane foams based on activated soybean meal J Journal of Applied Polymer Science 2012 124 5 4331 4338 21 源梓滔 软质聚氨酯泡沫塑料生产放热及热分解过程的特性与 机理研究 D 广州 广东工业大学 2022 本文编辑 LX 欢迎关注 塑料 杂志 塑料 杂志微信公众号 suliaozazhi 85 杜心悦等 聚氨酯基植物栽培基质的结构及性能 塑 料 2024 年 53 卷 第 1 期