无土栽培基质亲水性聚氨酯泡沫制备及其理化性质

无土栽培是在植物矿质营养学研究的基础上发展起来的一门新兴科学技术。它不用天然土壤，完全用化学溶液( 营养液) 栽培植物，包括水培、雾( 气) 培和基质栽培。它具有省地、省水、省肥、受环境影响小、作物生长快、高产、优质、病虫害少等诸多优点，是未来农业的理想模式。而无土栽培运用最广泛的是基质栽培，基质是能为作物提供稳定协调的水、气、肥结构的生长介质，使来自营养液的养分、水分得以中转，植物根系从中选择吸收。目前，无土栽培常用的基质材料主要有岩棉、沙砾、矿棉、蛭石、珍珠岩等无机材料及经过处理的锯末、草炭、稻壳等有机材料。亲水性聚氨醋泡沫，是在传统的聚氨醋泡沫中，引入亲水基团，以提高泡沫的吸水、保水功能。由于在聚氨酯泡沫的合成中，可以通过调整配方比例来控制泡沫的吸水量，控制泡沫在使用中的固、气、水的组成比例，以满足不同作物根系生长的要求，因此，亲水吸水性聚氨醋泡沫作为无土栽培的基材，有其重量轻、基材组成可根据不同作物要求进行调整及可制成各种形状等独特的优点。本实验先制备亲水性聚氨酯泡沫，然后对其进行理化性质的测定从而为亲水性聚氨酯泡沫应用于无土栽培提供理论依据。
 

1 亲水性聚氨酯泡沫的制备

1. 1 材料及试剂

玉米淀粉: 优等， 上海华尔食品开发有限公司; 聚乙二醇( PEG400 ) : 上海试剂总厂; 甘油:化学纯，上海试剂总厂; 浓硫酸: 分析纯，上海试剂总厂; 1，4-二氧六环: 分析纯， 汕头市西陇化工有限公司; 聚醚多元醇: 工业级，烟台万华聚氨酯股份有限公司; 甲苯二异氰酸酯: 化学纯，国药集团化学试剂有限公司; 三乙醇胺: 化学纯，上海试剂总厂; 辛酸亚锡: 分析纯，国药集团化学试剂有限公司; 泡沫稳定剂H-3901: 工业级， 中山市东峻化工有限公司; 泡沫开孔剂H-4002: 工业级，中山市东峻化工有限公司; 三乙胺: 化学纯，上海试剂总厂。

1. 2 淀粉液化多元醇的制备

根据参考文献，将液化剂聚乙二醇400与甘油混合液和催化剂浓硫酸放入具有机械搅拌、冷凝回流和温度计的三口烧瓶中缓慢升温至100 ℃，然后分批加入玉米淀粉， 继续升温到150 ℃反应4 h 左右。反应结束后，冷却，加入1，4-二氧六环和水的混合液( 两者体积比1∶ 1 ) ， 过滤。取滤液加入1 mol·L － 1 的NaOH 溶液调节pH在6. 5 ～ 7. 0 之间，最后减压蒸馏去除1，4-二氧六环和水得到淀粉液化多元醇。

1. 3 聚氨酯泡沫的制备

采用室温一步法发泡工艺，具体实验操作如下:将计算量的淀粉液化多元醇、聚醚多元醇、甘油、催化剂、发泡剂( 水) 、泡沫稳定剂和泡沫开孔剂等在纸杯中预先混合，再加入设计量的甲苯二异氰酸酯，用手持式高速搅拌器搅拌混合约10 ～15 s，在室温下静止发泡并室温固化约2 h，之后在70 ℃温度下熟化2 h。

1. 4 聚氨酯泡沫的网化开孔

根据参考文献， 将上述制得的聚氨酯泡沫塑料浸入温度为50 ～ 60 ℃，浓度为10% ～ 20%的氢氧化钠溶液中，在溶液中反复挤压泡沫，将空气排除，浸渍约8 h 后，将泡沫取出，挤压去除所含的碱液，然后依次在醋酸溶液和清水中清洗，放入烘箱中烘干。这样处理后可以增加泡沫的开孔率。
 

2 亲水性聚氨酯泡沫的理化性质

作物的生长除了对环境的要求外，如果是用基质进行栽培，那么对栽培基质的物理、化学性质同样有要求。

2. 1 亲水性聚氨酯泡沫的物理性质

基质的物理性质主要包括基质材料的颗粒度大小、容重、总孔隙度、基质持水性及水气比等。基质的这些物理性质可衡量基质在作物栽培时固定作物的能力及保水、保肥、透气能力。

2. 1. 1 亲水性聚氨酯泡沫物理性质的测定

亲水性聚氨酯泡沫的容重( 表观密度) 根据国家标准GB /T 6343 的方法测定; 总孔隙度( 开孔率) 根据国家标准GB /T 10799 测定; 基质持水性( 吸水倍率) 根据国家标准GB /T 8813 测定。

2. 1. 2 亲水性聚氨酯泡沫泡孔

基质的颗粒度大小影响作物的生长。对于泡沫用作无土栽培基质，则与基质颗粒度相类似的物理性质就是泡沫泡孔的大小。适用于基质材料的泡沫泡孔应该比较粗糙，孔径大小有一定的分布，这样才能满足作物根系的生长。如图1 所示，本实验所制备的亲水性聚氨酯泡沫泡沫泡孔粗糙，孔径大小有一定分布，适合作物生长。

2. 1. 3 亲水性聚氨酯泡沫容重

容重是指单位体积基质的重量，单位g·cm － 3 ，植株在0. 1 ～ 0. 8 g·cm － 3 范围内生长良好。亲水性聚氨酯泡沫的容重为0. 03 g·cm － 3 ，容重低的泡沫吸水性比较好，且泡沫为开孔结构，具有亲水功能，充分吸水达饱和后其容重变为0. 4 g·cm － 3 ，同样可以达到作物生长的容重要求。
2. 1. 4 亲水性聚氨酯总孔隙度

基质的总孔隙度是指基质中持水孔隙和通气孔隙的总和，以相当于基质体积的百分数表示。总孔隙度大的基质较轻，基质疏松，有利于作物根系生长，但对于作物根系的固定作用效果较差，易倒

伏。对泡沫来讲，总孔隙度相当于泡沫开孔率。亲水性聚氨酯泡沫开孔率为96%。

2. 1. 5 亲水性聚氨酯气水比

基质的气水比是指一定时间内基质容纳空气、水分的相对比值。通常认为基质气水比保持在1∶ 1. 5 ～ 1∶ 4 时作物均能良好生长。亲水性聚氨酯泡沫的总孔隙度( 开孔率) 为96% ，而其持水

量约为本身重量的20 倍， 可计算出气水比为1∶ 1. 6，适合作物的生长。

2. 2 亲水性聚氨酯的化学性质

无土栽培基质材料在使用中必须性质稳定，由于亲水性聚氨酯泡沫是由氨基甲酸酯等基团连接的立体网状结构，在使用过程中化学组成比较稳定。同时，亲水性聚氨酯泡沫在未加入营养液之前的电导率接近纯水的电导率，所以对营养液的平衡不会产生影响，使用中营养液的成分不需变更，可保持稳定使用。
 

3 小结

传统的聚氨酯泡沫结构单元一般多呈疏水性能，泡沫整体对水的亲和力差，难于用于无土栽培。本实验在传统聚氨酯泡沫基础上引入亲水基团，制备得亲水性聚氨酯泡沫， 其吸水率达2 000% ，使其具有亲水，保水，保肥能力。同时，从作为无土栽培基质的理化性质要去上对亲水性聚氨酯泡沫的泡孔孔径大小及、容重、总孔隙度、基质持水性及水气比等物理性质及泡沫的电导率、pH 值等化学性质的测定及分析可知，本实验制备的聚氨酯泡沫可用于无土栽培。