КОМПОЗИТНЫЙ ГИДРОПОННЫЙ СУБСТРАТ
COMPOSITE HYDROPONIC SUBSTRATE

Изобретение относится к области растениеводства, в частности к технологиям гидропоники, и может быть использовано для создания материала гидропонного субстрата, а также может быть использовано при получении бинарных композитов с высоким водопоглощением и влагоудержанием.
В настоящее время в качестве субстратов для выращивания растений в гидропонных теплицах используют различные материалы (волокнистые или гранулоподобные): минеральную вату, кокосовое волокно, перлит, керамзит и некоторые другие. Данные материалы имеют ряд недостатков, из-за которых снижается эффективность гидропонных хозяйств, а именно:
- минеральная вата имеет низкоевлагоудержание при высокой влагоемкости, что приводит к неравномерному распределению воды в субстрате, а из-за быстрого высыхания на ее поверхности осаждаются соли, негативно влияющие на рост и развитие растений, структура данного материала представляет собой волокна плотного плетения, что значительно затрудняет рост корневой системы, так же существует проблема утилизации минеральной ваты из-за невозможности ее переработки;
- кокосовое волокно содержит в себе соли, негативно влияющие на рост и развитие растений, возможное наличие в кокосовом субстрате патогенных грибов, которые могут вызвать гибель урожая, для применения кокосового волокна требуется буферизация материала, что усложняет его применение в гидропонике;
- перлит, керамзит, вермикулит и проч. являются сыпучими, из-за чего снижается укоренение черенков и угнетается развитие корневой системы, данные материалы невозможно использовать в активных гидропонных системах, где присутствует ток воды, а из-за положительного электрического заряда перлит не способен к удержанию положительных ионов удобрений - калия, магния, аммония и других.
3
Известен субстрат для выращивания растений, изготовленный из измельченного и термически обработанного перлита [Патент RU 2562838 «Субстрат для выращивания растений на основе вспученного перлита»], включающий не менее 10 об.% вспученного перлита с насыпной плотностью 30 - 200 кг/м и полидисперсностью частиц от 10 мкм до 7,0 мм, помещенный в упаковку из эластичного материала, наружная сторона которой является светлой, а внутренняя - темной, при этом количество вспученного перлита в упаковке составляет не менее 10 % от ее объема.
Известен состав субстрата для контейнерного выращивания растений [Патент RU 2546230 «Субстрат для контейнерного выращивания растений»], включающий опилки древесные, отличающиеся тем, что он дополнительно содержит комплексные минеральные удобрения, золу и препарат, обладающий компостирующим свойством, при следующем содержании компонентов, мас.%: опилки 80-90; комплексное минеральное удобрение 3-5; зола 3-5; препарат, обладающий компостирующим свойством 4-10.
Способ получения сыпучих субстратов, заявленный в патенте РФ №2004142 «Композиция для искусственного субстрата», включает механическое смешивание 62÷74 мас.% дробленого керамзитового гравия, 16÷24 мас.% клиноптилолита и 10÷14 мас.% искусственного целлюлозосодержащего материала.
Общим недостатком сыпучих субстратов является невозможность их применения в активных (динамических) гидропонных системах, где присутствует ток воды, слишком плотная структура может угнетать корневую систему, подобные субстраты требуют частой замены, а также имеют недостаточную прочность и со временем подвергаются разрушению (крошатся), субстраты на основе минерального сырья с низким влагопоглощением требуют введения водоудерживающих компонентов, что приводит к удорожанию продукта.
Волокнистые гидропонные субстраты в виде мата из волокон позволяют устранить данные недостатки, они обладают высокой аэрированностью материала за счет пористой структуры и способностью к фиксации корневой системы без ее травмирования.
Известен субстрат, выполненный в виде мата из кокосового волокна [Патент RU 160837 «Мат для гидропоники»], содержащий наполнитель из дисперсного волокнистого материала, заключенный в изолирующую оболочку с дренажными отверстиями, отличающийся тем, что наполнитель выполнен из двух слоев, расположенных друг над другом, при этом в верхнем слое волокна ориентированы в вертикальном направлении, а в нижнем - вдоль горизонтальной плоскости, причем на поверхности сопряжения слоев наполнителя нанесены микроорганизмы, способствующие микробному биоценозу, а толщина наполнителя определена из условия размещения в нем корневой части растений вдоль лицевой поверхности мата, верхняя часть наполнителя выполнена из кокосовых волокон, а нижняя - из нетканого материала.
Недостатком кокосовых субстратов является ограниченная доступность материала, а также выделение соли в процессе эксплуатации, которое негативно влияет на культивирование растений. Кокосовый субстрат может оказаться заражен патогенными грибами, содержать высокое начальное содержание солей и иметь неоптимальное соотношение катионов в обменном комплексе, качество кокосового волокна зависит от его источника и предварительной подготовки [Ещенко С.Н., Оценка целесообразности и технология предварительной подготовки кокосового волокна при использовании в качестве гидропонного субстрата в сельском хозяйстве / Материалы VII Международного Балтийского морского форума. 2019.С.195-199].
Известен субстрат для выращивания растений [Патент SU 1780653 «Субстрат для выращивания растений»], выполненный из минеральных волокон, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости за счет оптимизации водно-воздушных условий, он выполнен из смеси волокон диаметром 4-11 мкм и 12-25 мкм, причем волокна расположены снизу вверх таким образом, что массовая доля волокна диаметром 4-11 мкм уменьшается, а массовая доля волокна диаметром 12-25мкм соответственно увеличивается.
3
Известен субстрат для выращивания растений на основе минеральной или стеклянной ваты [Патент SU №1380682 «Субстрат для выращивания растений»], отличающийся тем, что, с целью улучшения водно-физических свойств и долговечности субстрата, минеральная и стеклянная вата выполнена в виде прошивного гофрированного мата плотностью 50-150 кг/м, содержащего 0,5-3 мас.% гидрофильных веществ.
Известен субстрат для выращивания растений [Патент SU 1738165 «Минераловолокнистый субстрат для выращивания растений»], имеющий гофрированный мат, пропитанный гидрофильным веществом, отличающийся тем, что, с целью стабилизации водно-физических свойств и улучшения фитосанитарного состояния субстрата при длительной эксплуатации, минеральные волокна гофрированного мата в точках пересечения скреплены полимерным связующим, а отношение толщины мата к расстоянию между вершинами соседних гофр составляет (6-10):(4-8), при этом на верхнюю и нижнюю поверхности гофрированного мата дополнительно нанесен слой стекловолокнистого полотна.
Как видно, субстраты на основе минеральных волокон требуют дополнительной обработки: пропитки гидрофильными веществами, введения полимерных связующих, оптимизации водно-воздушных условий и др. Основными недостатками минеральной ваты являются низкая водоредуцирующая способность, т.к. волокна имеют очень плотную структуру и плохо смачиваются водой, а также образование соли на поверхности субстрата и развитие в нем фитопатогенной микрофлоры за счет интенсивного зарастания материала. При использовании минеральной ваты с фенолформальдегидными связующими в качестве субстрата для выращивания растений также возникает проблема, связанная с буферной реакцией: при заполнении субстрата водой иногда происходит увеличение рН в сторону щелочной реакции, в пределах 7,5-9, что плохо влияет на развитие растений.
Таким образом, актуальной задачей является разработка материала для применения в качестве гидропонного субстрата, обладающего оптимальными параметрами водопоглощения, толщиной волокон, не содержащего избыточного количества солей и других вредных для растений веществ, достаточного прочного и способного к многократному применению, а также экологически безопасного при утилизации после использования.
Известно, что высоконаполненные композиты на основе полиолефинов и целлюлозы обладают всеми вышеперечисленными свойствами [Студеникина Л.Н., Попова Л.В., Шелкунова М.В., Кудина Т.Е. Получение композитных материалов для применения в растениеводстве / Модели и технологии природообустройства (региональный аспект). 2019. №2(9). С. 48-52]. Целлюлозосодержащие компоненты являются доступными материалами растительного происхождения и позволяют оптимизировать водопоглощение и водоотдачу субстрата.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является субстрат [Патент RU 2636967 «Субстрат из минеральной ваты для выращивания растений на нефенолформальдегидном связующем»], содержащий минеральные волокна диаметром от 0,5 до 10,0 мкм, связующее, полученное термическим отверждением водной композиции, содержащей поливиниловый спирт, модифицированный крахмал и модификатор адгезии силан.
Недостатком прототипа является сложность изготовления пористого субстрата на основе минеральной ваты, поверхность которой обрабатывают биоразлагаемыми полимерами, в частности, крахмалом и поливиниловым спиртом, которые легко подвергаются гидролитической деструкции и биодеградации, что ведет к быстрой потере свойств гидропонного субстрата.
Техническая задача изобретения заключается в разработке состава композитного гидропонного субстрата на основе полиолефина, обладающего необходимой водопоглощающей и влагоудерживающей способностью за счет высокого содержания гидрофильного наполнителя, структуры композита и модификации поверхности полиолефина гидрофилизирующей добавкой, при этом композитный гидропонный субстрат должен обладать механической прочностью в период эксплуатации в динамическом режиме, за счет использования синтетических полиолефинов, выполняющих армирующую роль, а также композитный гидропонный субстрат должен быть изготовлен в виде стренг сложной формы с высокой шероховатостью поверхности, обеспечивающей повышенную поверхность водопоглощения и объемную пористость, а также обладать возможностью многоразового использования и способностью к вторичной переработке или утилизации.
Техническая задача изобретения достигается тем, что в составе композитного гидропонного субстрата, включающего гидрофобную матрицу и гидрофильный наполнитель, новым является то, что субстрат представляет собой композит на основе полиолефина (ПО), наполненного микроцеллюлозой (МЦ), и содержащего модификатор поверхности (МП) в виде органической соли металла переменной валентности (стеарат железа), позволяющего повысить гидрофильность полиолефина за счет образования полярных групп, при этом в качестве полиолефина можно применять полиэтилен (ПЭ) и сэвилен (СЭВ), содержание МЦ в композите может составлять от 40 до 60 об.%, содержание МП - от 0,5 до 1,5 об.%, субстрат получают в виде стренг с усредненным радиусом от 0,2 до 1,0 мм.
Технический результат изобретения заключается в разработке состава композитного гидропонного субстрата на основе полиолефина, обладающего необходимой водопоглощающей и влагоудерживающей способностью за счет высокого содержания гидрофильного наполнителя, структуры композита и модификации поверхности полиолефина гидрофилизирующей добавкой, при этом композитный гидропонный субстрат будет обладать механической прочностью в период эксплуатации в динамическом режиме за счет использования синтетических полиолефинов, выполняющих армирующую роль, а также композитный гидропонный субстрат будет изготовлен в виде стренг сложной формы с высокой шероховатостью поверхности, обеспечивающей повышенную поверхность водопоглощения и объемную пористость, а также обладать возможностью многоразового использования и способностью к вторичной переработке или утилизации.
Введение целлюлозы в полиолефиновую матрицу композитного гидропонного субстрата не рекомендуется в количестве менее 40 об.% вследствие снижения степени водопоглощения материала, а более 60 об.% - вследствие снижения технологических и эксплуатационных свойств (снижение текучести и прочности).
Введение МП в полиолефиновую матрицу композитного гидропонного субстрата не рекомендуется в количестве менее 0,5 об.% вследствие снижения гидрофилизирующего эффекта, а более 1,5 об.% - из-за риска преждевременной деструкции в период эксплуатации, т.к. МП в виде органических солей металлов переменной валентности может проявлять свойства прооксиданта и снижать прочностные показатели композитного субстрата.
Оптимальное соотношение ингредиентов композитного гидропонного субстрата рекомендуется принимать: 49 об.% полиолефина, 50 об.% микроцеллюлозы и 1,0 об.% модификатора поверхности, что обеспечит оптимальные параметры прочности, водопоглощения, влагоудержания, а также способствует хорошей перерабатываемости композита в современном высокоскоростном оборудовании.
Переработка композитного материала в двухшнековом экструдере позволяет получить гомогенную смесь с равномерным распределением МЦ и МП в полиолефиновой матрице, а геометрия формующей головки экструдера обеспечит получение продукта в форме стренг с заданным диаметром.
При получении композитного гидропонного субстрата применяются следующие материалы:
- микроцеллюлоза с размером частиц не более 100 мкм;
- полиэтилен (ТУ 2211-145-05766801-2008), возможно применение полиэтилена различных марок, в том числе вторичного;
- сэвилен (ТУ6-05-1636-97);
- стеарат железа (ТУ 6-09-3738-74).
Композитный гидропонный субстрат получают следующим образом.
В лопастной смеситель одновременно загружают необходимое количество гранул полиолефина, порошка микроцеллюлозы, порошка модификатора поверхности (стеарата железа), перемешивают в течение 1 минуты. В приемный бункер двухшнекового экструдера засыпают полученную смесь и проводят процесс экструзии при температуре, соответствующей области переработки полиолефина, но не более 190°С, с получением стренг, которые затем формуют в конечный продукт - волокно.
Получение композитного гидропонного субстрата поясняется следующими примерами:
Пример 1 (прототип)
Компонент А получают путем растворения 30 кг крахмала или модифицированного крахмала в 70 л деминерализованной воды. Компонент В получают посредством растворения 30 кг поливинилового спирта в 70 л деминерализованной воды. Компоненты (из расчета на 1 тонну готовой минераловатной продукции (ГП)), смешивают в следующем порядке:
- компонент А - 47 кг,
- компонент В - 47 кг,
- вода - 331 л,
- силан Silquest А 1524 - 0,63 кг.
Полученные компоненты непрерывно подаются на центрифугу одновременно с подачей расплава. При этом композиция наносится на волокно. Из волокна с нанесенным связующим формируется первичный ковер, затем происходят его сушка и отверждение в камере полимеризации при температуре 200-280°С и циркуляции горячего воздуха через минераловатный ковер. Затем ковер охлаждают прососом через него холодного воздуха и режут на готовые изделия.
Пример 2
В лопастной смеситель загружают 4,90 л гранул полиэтилена (49,0 об.% от требуемого количества композита), 5,0 л порошка микроцеллюлозы (50,0 об.% от требуемого количества композита) и 0,10 л модификатора поверхности (1,0 об.%. Перемешивают в течение 1 минуты. В приемный бункер двухшнекового экструдера засыпают полученную смесь и проводят процесс экструзии с получением стренг (волокно).
Прочностные показатели волокна оценивают по ГОСТ 11262-17 шероховатость - как отношение максимального и минимального диаметра волокна, водопоглощение - по ГОСТ 4650-2014, влагоотдачу - как потерю массы влагонасыщенного материала при высушивании в нормальных условиях на воздухе через 30 минут после изъятия из водной среды, химическую стойкость в период эксплуатации - по ГОСТ 12020-72, используя концентрированный раствор жидкого органоминерального удобрения (ОМУ).
Результаты исследований представлены в таблице 1.
Пример 3
Получают композитный гидропонный субстрат аналогично примеру 2, но соотношение полиэтилен (ПЭ) : микроцеллюлоза (МЦ) : модификатор поверхности (МП) составляет 49,5 : 50,0 : 0,5 об.%.
Пример 4
Получают композитный гидропонный субстрат аналогично примеру 2, но соотношение ПЭ : МЦ : МП составляет 48,5 : 50,0 : 1,5 об.%.
Пример 5
Получают композитный гидропонный субстрат аналогично примеру 2, но соотношение ПЭ : МЦ : МП составляет 49,8 : 50,0 : 0,2 об.%.
Пример 6
Получают композитный гидропонный субстрат аналогично примеру 2, но соотношение ПЭ : МЦ : МП составляет 48,2 : 50,0 : 1,8 об.%.
Пример 7
Получают композитный гидропонный субстрат аналогично примеру 2, но соотношение ПЭ : МЦ : МП составляет 59,0 : 40,0 : 1,0 об.%.
Пример 8
Получают композитный гидропонный субстрат аналогично примеру 2, но соотношение ПЭ : МЦ : МП составляет 39,0 : 60,0 : 1,0 об.%.
Пример 9
Получают композитный гидропонный субстрат аналогично примеру 2, но в качестве полиолефина применяют сэвилен.
Таблица 1
Пример
Составкомпозита,об.%
Водопоглощение материала за 24 ч,мас.%
Влагоудержание (потеря массы влагонасыщенного материала через 30 мин после изъятия из водной среды), мас.%
Шероховатость поверхностиволокна(d<sub>max</sub> / d<sub>min</sub>)
Прочность при разрыве, МПа
начальная
после 3 мес. экспозиции вОМУ
1
Прототип
82 % (по объему)
-
-
-
-
2
ПЭ:МЦ:МП49,0 : 50,0 : 1,0
87
39
2,2
2,6
2,5
3
ПЭ:МЦ:МП,49,5 : 50,0 : 0,5
80
44
2,2
2,7
2,6
4
ПЭ:МЦ:МП48,5 : 50,0 : 1,5
85
33
2,0
2,3
2,0
5
ПЭ:МЦ:МП,49,8 : 50,0 : 0,2
68
48
2,3
2,9
2,8
6
ПЭ:МЦ:МП48,2 : 50,0 : 1,8
83
31
2,0
1,9
1,5
7
ПЭ:МЦ:МП,59,0 : 40,0 : 1,0
64
45
1,7
4,4
4,2
8
ПЭ:МЦ:МП,39,0 : 60,0 : 1,0
92
36
2,5
1,5
1,4
9
СЭВ:МЦ:МП,49,0 : 50,0 : 1,0
89
34
2,1
3,6
3,7
Как видно из таблицы 1, состав композитного гидропонного субстрата позволяет обеспечить высокое водопоглощение с низкой влагоотдачей при сохранении прочности в период эксплуатации.
Предлагаемый состав композитного гидропонного субстрата позволяет:
- получить гидропонный субстрат, обладающий высоким водопоглощением и низкой влагоотдачей, прочностью, возможностью регенерации,
- упростить технологию получения субстрата (одностадийное экструдирование),
- повысить экологичность при утилизации отработанного субстрата,
- снизить стоимость продукта.