Получение дражированных семян на основе композиционных полимерных составов

БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ

21

УДК 630*232.32

ПОЛУЧЕНИЕ ДРАЖИРОВАННЫХ СЕМЯН НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ СОСТАВОВ

В. В. Копытков

кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник, доцент,

заведующий сектором биорегуляции выращивания лесопосадочного материала ГНУ «Институт леса НАН Беларуси»

В. Вл. Копытков

кандидат технических наук, доцент ГИИ МЧС РБ

А. В. Боровков

соискатель ИЛ НАН Беларуси,

координатор работ Комитета лесного и охотничьего хозяйства МСХ РК

Ю. А. Таирбергенов соискатель ИЛ НАН Беларуси,

аналитик проекта Комитета лесного и охотничьего хозяйства МСХ РК

Г. М. Исмаилов

аналитик проекта Комитета лесного и охотничьего хозяйства МСХ РК

Представлены результаты исследований получения дражированных лесных семян с использованием растительных полисахаридов и различных целевых добавок. Определены оптимальные концентрации целевых добавок и изучены физико-химические свойства дражированных семян. Даны сравнительные результаты исследований физико-химических свойств дражированных семян в зависимости от размера фракции растительных полисахаридов и целевых добавок.

Введение

Одним из наиболее эффективных способов посева семян является точечный, или адресный посев с помощью помещения семян в органоминеральную гранулу. В такой грануле имеется весь набор макроэлементов, микроэлементов, стимуляторов роста и других целевых добавок для успешного прорастания семян и хорошего роста и развития сеянцев. От подготовки семян к посеву в значительной степени зависят грунтовая всхожесть, сроки появления всходов, количество всходов на 1 погонном метре и качество сеянцев. Для повышения интенсивности и рентабельности работы лесных питомников требуется изыскание новых высокоэффективных способов предпосевной обработки семян. Разработка таких способов возможна при использовании достижений науки в различных областях знаний. Это может быть достигнуто на основе совершенствования агротехнологии, обеспечивающей

22

ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА

интенсивное и целенаправленное выращивание сеянцев и саженцев в открытом грунте, применения новых композиционных полимерных материалов (КПМ) и точечного высева дражированных семян.

Защитно-питательная оболочка семени улучшает условия его прорастания, повышает полевую всхожесть, предохраняет прорастающие семена и всходы от неблагоприятных условий среды. Благодаря дражированию укрупняется и унифицируется масса, форма и размер семян, что позволяет проводить точный высев, сокращает расход семян и затраты труда на прореживание всходов. Более равномерное размещение растений в посевах уменьшает между ними конкуренцию и способствует более равномерному росту и развитию посадочного материала. Это, в конечном счете, увеличивает выход стандартных сеянцев и саженцев с единицы площади.

Целью наших работ являются исследования получения дражированных семян сосны обыкновенной и саксаула черного с использованием различных органоминеральных веществ и целевых добавок.

Методика исследований. Разработка композиционных полимерных составов с различными целевыми добавками для дражирования семян проводилась путем сочетания компонентов различных концентраций и природы. Для исследования были использованы экологически безопасные водорастворимые полимеры, а также природные вещества различных фракций: торф, сапропель, растительные полисахариды, органоминеральные удобрения и др. Для исследований использовали растительные полисахариды, взятые из средней части древесины.

Изучение структуры композиционных полимерных препаратов для дражирования семян проводили методом ИК спектроскопии на спектрофотометре «Nicolet 2400». Оптическую плотность характеризовали интенсивностью поглощения (D), которую определяли методом базовой линии. В качестве характеристических полос использовали полосу 3350 см1, которую можно отнести к внутримолекулярным водородным связям, и полосы 3405 и 3305 см-1, относящиеся к межмолекулярным водородным связям [1].

Основные свойства покрытий изучали с использованием шкалы оценок долговечности по данным профессора Л. С. Корецкой [2]. Реологические свойства разработанных составов исследовали на ротационном вискозиметре «РЕОТЕСТ 2.1» в режиме постоянных скоростей сдвига в диапазоне 3-1312 с-1 с рабочим узлом типа «цилиндр - цилиндр» в интервале температур 18-50° С.

Определение влагоудерживающей способности проводили весовым методом на аналитических весах ВЛР-200 второго класса точности [3].

Важными критериями при выборе ингредиентов состава являются их влагоудерживающая способность и качество полученных дражированных семян сосны и саксаула.

Наработка экспериментальных и опытных партий композиционных полимерных препаратов с различными целевыми добавками осуществлялась в лабораторных условиях ИММС НАН Беларуси им. В. А. Белого и ИЛ НАН Беларуси. Наработка экспериментальных и опытных партий дражированных семян сосны и саксаула черного осуществлялась на грануляторах, изготовленных в Беларуси [4].

Полученные результаты исследований обработаны методами математической статистики, а оптимизация составов выполнена с применением симплекс-решетчатого метода планирования эксперимента [5], [6].

Результаты исследований и их обсуждение

Исследования по получению дражированных семян и изучению КПС проведены по схеме в соответствии с рисунком 1.

БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ

23

Рисунок 1 - Схема разработки и исследования полимерных составов

Как видно из данного рисунка, при разработке и исследовании полимерных составов для получения дражированных семян большое внимание уделяется выбору ингредиентов. После выбора органических и минеральных ингредиентов и проведения лабораторных испытаний осуществляется оптимизация полимерных составов. Для увеличения влагоудерживающей способности нами были получены полимерные взаимопроникающие сетки (ПВС). Получение ПВС на основе самых различных по химическому строению полимеров позволяет получать материалы с широким диапазоном физико-химических и адгезионных свойств. Влагоудерживающая способность КПС (композиционные полимерные составы) может достигать 1500 г воды на 1 г полимера.

На рисунке 2 дана схема предпосевной подготовки семян лесных пород.

Рисунок 2 - Способы предпосевной подготовки лесных семян

24

ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА

При разработке технологии получения дражированных семян важным этапом является не только правильный выбор органоминеральных веществ (ОМС) и целевых добавок, но и установление их оптимальных концентраций. Можно правильно подобрать ингредиенты, но при использовании их в запредельных концентрациях значительно ухудшаются физикохимические свойства дражированных семян, уменьшаются биометрические показатели сеянцев и, как следствие, снижается выход стандартного посадочного материала [7]—[9].

На основе патентного и литературного обзора, а также на основе собственных разработок определены КПМ и наработаны различные модификации опытных партий композиционных полимерных препаратов. Опытные партии КПП отличались между собой соотношением ингредиентов и размером фракций органических и минеральных веществ. Как показали наши исследования, растительные полисахариды фракцией от 500 до 600 мкм не подходят для получения качественных дражированных семян из-за высокой шероховатости поверхности и, как следствие, очень слабой прочности гранул. Кроме того, вокруг отдельных крупных частиц растительных полисахаридов наблюдается эффект «самонакатки», т. е. происходит дражирование крупной частицы полисахарида.

Наилучшие показатели качества полученных дражированных семян зафиксированы на вариантах с использованием растительных полисахаридов фракций 350 мкм, взятых из средней части древесины. Прочность гранул дражированных семян при сжатии в таких фракциях была максимальной и составила 28-31 Н. Анализируя полученные опытные партии дражированных семян, на этих вариантах опыта можно сказать, что практически 100% семян имели оптимальный равномерный размер гранул, а их прочность позволяет использовать при механизированном посеве в лесных питомниках для выращивания посадочного материала. При этом в каждой грануле было одно семя. При механизированном посеве можно использовать различные сеялки. Дражированные семена на основе композиционного состава имеют оптимальную по плотности оболочку - 20-30 Н. Такая оболочка не разрушается высевающим аппаратом сеялок и обладает хорошей водопоглотительной способностью и набухающими в почве свойствами, что оказывает стимулирующее действие на всхожесть семян и энергию их прорастания.

При отсутствии в композиционном составе хотя бы одного из ингредиентов, получить драже требуемого размера не представляется возможным (происходит так называемое инкрустирование семян). Это связано с тем, что раствор водорастворимого полимера не способен удерживать на семени не только стимуляторы роста, но и свою собственную массу.

Проведенные расчеты показывают, что на дражирование 1 кг семян саксаула черного необходимо 0,3 кг композиционного полимерного препарата.

Нами проведены сравнительные исследования различных видов дражированных семян. В таблице 1 представлены полученные результаты по влиянию различных растительных полисахаридов на физико-химические показатели полученных дражированных семян саксаула черного.

Таблица 1 - Сравнительные результаты исследований физико-химических свойств дражированных семян саксаула черного в зависимости от растительных полисахаридов

Исследуемые параметры Полисахариды на основе опилок березы Полисахариды на основе опилок сосны Полисахариды на основе опилок саксаула черного

Размер частиц, не более мкм 350 400 350 400 350 400

Водопоглошение за 80 с, % 29 27 25 22 19 16

Прочность при сжатии, Н 19 17 29 28 33 31

Прочность при сжатии, Н (после выдержки в течение суток при относительной влажности 90%) 12 11 19 17 21 22

Анализируя полученные данные физико-химических свойств разработанных композиционных полимерных составов, можно сказать, что водопоглощение зависит от используемых различных растительных полисахаридов. Прочность при сжатии после выдержки в течение суток при относительной влажности 90% во втором варианте опыта на 54-58% ниже по сравнению с первым вариантом. Физико-химические свойства исследуемых препаратов

БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ

25

во многом зависят от размера их частиц. Фракции используемых ингредиентов и целевых добавок для получения композиционного препарата в первом варианте опыта не превышали 350 мкм, а фракция на втором варианте опыта доходила до 400 мкм.

В таблице 2 представлены сравнительные характеристики физико-химических свойств древесины различных пород.

Таблица 2 - Физико-химические свойства древесины различных пород

Органические вещества Древесная порода

сосна саксаул дуб береза

Лигнин, % 21,3-27,05 28,4-29,3 22,5 19,1-20,4

Г алактан, % 1,5-3,8 9,0 нет 1,3

Плотность, кг/м3 510 750-1250 550-740 550-740

Коэффициент объемной усушки, % 0,47 и более 0,47 и более 0,40-0,47 0,47 и более

Минеральные соединения, дающие при сгорании золу, % 0,17-0,2 3,5 0,27 0,14-0,47

Пористость, % 46-81 36,6 32-80 32-80

Влажность, % 88,0 9,0 70,0 78,8

Анализ данной таблицы показывает, что древесина саксаула черного имеет наибольшую плотность и самую низкую влажность. По калорийности она превосходит древесину других пород. Анализ таблиц 1 и 2 позволяет сделать вывод, что древесина саксаула, благодаря своим физическим свойствам, не подходит в качестве ингредиента для дражирующей массы. Наиболее эффективными растительными полисахаридами являются сосна и береза, взятые из средней части древесины.

Важным критерием при посеве дражированных семян в засушливых районах является определение концентрации ингредиентов в дражирующем составе с целью получения драже с максимальной влагоудерживающей способностью. Такую оптимизацию необходимо проводить с каждой новой партией компонентов, так как свойства природных полисахаридов (в частности древесных опилок сосны и березы) зависят от условий местопроизрастаний и климатических факторов. Для оптимизации ингредиентов различных составов широкое распространение получил симплекс-решетчатый метод планирования эксперимента.

План эксперимента для кубической решетки на основе матрицы планирования трехфакторного эксперимента включает 10 опытов. Данная матрица и значения функций отклика представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Матрица планирования эксперимента и значения функций отклика

№ опыта Матрица планирования в кодированных значениях Матрица планирования в натуральных значениях, % Функция отклика

РПС (х) МаКМЦ (у) ЦД (z) РПС МаКМЦ ЦД Yi, % Y2, МПа

1 1 0 0 0,6 0 0 34 1,30

2 0 1 0 0 10 0 32 2,01

3 0 0 1 0 0 90 37 0,04

4 1/3 2/3 0 0,6/3 20/3 0 33 17,27

5 2/3 1/3 0 1,2/3 10/3 0 33 22,23

6 0 1/3 2/3 0 10/3 30 22 33,30

7 0 2/3 1/3 0 20/3 60 21 16,12

8 2/3 0 1/3 1,2/3 0 30 23 19,18

9 1/3 0 2/3 0,6/3 0 60 21 4,37

10 1/3 1/3 1/3 0,6/3 10/3 30 23 11,62

Примечание: Y1 - количество испарившейся влаги спустя 8,5 часов с момента проведения эксперимента (относительная влажность воздуха 75%), %; Y2 - прочность при сжатии, МПа; РПС - растительные полисахариды, ЦД - целевые добавки.

26

ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА

Для описания зависимостей «состав-свойство» и оптимизации ПС по полученным значениям функций отклика при помощи программы «Статистика» [10] были получены уравнения второго порядка для трехкомпонентной смеси:

Y1 = 34,125 • x + 17,247 • y + 46,243 • z + 5,484 • x • y + 6,634 • x • z - 57,694 • y • z + 41,138 • x • y • z Y2 = 1,399 • x + 1,348 • y + 4,412 • z + 17,308 • x • y + 14,124 • x • z - 24,137 • y • z + 14,356 • x • y • z

Важными критериями при выборе РПС являются не только их влагоудерживающая, но и структурирующая способности (обуславливает технологичность процесса). Изучено влияние концентрации РПС на условную вязкость растворов с содержанием №КМЦ = 5% (при других концентрациях №КМЦ и при условии, что растворы не переходят в гель (концентрация №КМЦ не выше 8%) закономерности изменения условной вязкости аналогичные). Полученные результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Влияние наполнителей на условную вязкость полимерного состава на основе растительных полисахаридов

Концентрация наполнителя, % Вид наполнителя

условная вязкость, с

РПС

0 156 156 156

5 190 171 183

7 205 180 201

10 270 207 220

15 287 224 253

20 325 278 305

Примечание - РПС - растительные полисахариды.

Анализ данной таблицы позволил установить резкое возрастание вязкости независимо от природы используемого РПС. Это можно объяснить хорошей структурирующей способностью выбранных наполнителей. На наш взгляд, это связано с тем, что в составах между наполнителями и водорастворимыми полимерами возникает адгезия, а наличие границы раздела полимер-РПС способствует уменьшению конформационных наборов макромолекул в поверхностном слое. На поверхности твердых частиц происходит понижение плотности упаковки полимера, что связано с затруднением протекания релаксационных процессов при формировании наполненного полимера из раствора.

Установлено, что при введении различного рода РПС влагоудерживающая способность возрастает. Для сравнительного анализа нами были исследованы различные составы с одинаковым содержанием РПС 5 мас. % (относительная влажность воздуха 85%). Экспериментальные данные свидетельствуют, что спустя 30 часов после начала эксперимента из составов как на основе одного водорастворимого полимера, так и одного РПС испарилось около 90% влаги, в то время как из составов с РПС (древесная мука - береза) испарилось 60%, с РПС (древесная мука - дуб) -67% и с РПС (древесная мука - сосна). Это обусловлено тем, что выбранные наполнители способны хорошо связывать воду.

Как видно, сочетание в составе РПС и водорастворимого полимера значительно увеличивает влагоудерживающую способность. Это связано с тем, что почти все компоненты органической части по своей природе гидрофильны и способны интенсивно сорбировать влагу из воздуха. В результате частичного испарения влаги макромолекулы водорастворимых полимеров уменьшаются в размерах и, благодаря пленкообразующей способности и высокой адгезии последних, закупоривают поры, что препятствует испарению влаги.

В связи с тем, что РПС обладает наибольшей структурирующей и влагоудерживающей способностями, он был принят в качестве одного из основных ингредиентов в разработанных полимерных составах.

Наилучшей влагоудерживающей способностью обладает полимерный состав с концентрацией наполнителя 35-65%. В этом интервале концентраций влагоудерживающая способность изменяется

БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ

27

всего на 2-3%. В таком интервале концентраций наблюдается максимальное взаимодействие водорастворимый полимер - РПС. При снижении концентрации наполнителя не все макромолекулы водорастворимого полимера на нем адсорбируются, в результате чего образуются полимерные прослойки, не способные удерживать такое же количество влаги, как и наполнитель.

Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных значений в «контрольных» точках позволил установить адекватность полученных математических зависимостей. По полученным уравнениям построены графические зависимости в двух вариантах: объемное изображение и изображение на плоскости, несущие различные смысловые нагрузки. На объемном изображении хорошо виден оптимум, а изображение на плоскости позволяет определить границы этого оптимума. Анализ показывает, что изменение влагоудерживающей способности и прочности при сжатии подчиняются различным закономерностям, и границы их оптимумов не совпадают.

Оптимальные значения концентраций ингредиентов ПС для максимальных значений влагоудерживающей способности и прочности при разрыве различны, на основании применения коэффициентов значимости определяем концентрации, которые будут способствовать оптимальному проявлению сразу двух факторов. В таблице 5 на основании проведенных расчетов представлена оптимальная концентрация ингредиентов в полимерном составе.

Таблица 5 - Оптимальная концентрация ингредиентов по функциям откликов Yb Y2 в полимерном составе

Компонент Мас. %

Растительные полисахариды (древесная мука) 60-70

Натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы 8-12

Фунгицид 2-4

Стимулятор роста (экосил) 4-6

Вода остальное

С целью недопущения седиментации РПС в технологическом плане рекомендовано их перемешивание через интервал времени, равный 15-20 минутам.

Толщина стенок композиционного препарата на дражированных семенах может существенно отличаться в зависимости от величины семени и времени дражирования. Толщина стенок дражирующей массы на семенах может существенно отличаться в зависимости от массы и биометрических показателей семян. При уменьшении размеров семян уменьшается толщина композиционного покрытия.

Определение количественных показателей семян саксаула черного позволило установить, что масса 1000 шт. семян составляет 2 г, что в 3,0-3,5 раза меньше по сравнению с массой 1000 шт. семян сосны обыкновенной. При дражировании семян сосны обыкновенной соотношение между массой композиционных препаратов и массой семени, в среднем, составило 1:3, а при дражировании семян саксаула черного это соотношение равно 1:4.

Анализируя полученные данные физико-химических свойств опытных партий дражированных семян саксаула черного, можно отметить следующую закономерность. При увеличении размера частиц растительных полисахаридов с 350 до 600 мкм снижается прочность при сжатии гранул и водопоглощении. Оптимальная прочность при сжатии гранул получена при размере частиц не более 400 мкм.

Выводы

Анализ литературных данных показывает, что в настоящее время для дражирования семян, в том числе саксаула черного, существуют три основные способа: 1 - гранулирование семян дражиратором тарельчатого типа; 2 - прессование гранул органоминеральной смесью шнековыми или роторными экструдерами; 3 - штамповка (выдавливание таблеток).

Первый способ получения гранулированных семян саксаула черного на основе использования дражиратора тарельчатого типа обеспечивает размещение каждого семени в органоминеральную гранулу. Большие требования предъявляются к композиционным полимерным препаратам и целевым добавкам. При данном способе гранулирования необходимо иметь семена только 1-го класса качества, чистота семян должна быть не менее 90-95%. Недостатком данного способа получения дражированных семян является низкая производительность грануляторов (6-8 кг/смену).

28

ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА

При втором способе получения гранулированных семян используют прессование органоминеральной смеси шнековыми или роторными экструдерами. Данный способ позволяет гранулировать семена с различной степенью чистоты. Однако в органоминеральной грануле может размещаться не одно, а два-три семени. Производительность этого способа значительно выше по сравнению с предыдущим и составляет 50 кг/смену.

Третий способ получения гранулированных семян штамповкой или выдавливанием таблеток имеет самую низкую производительность и обладает сложностью конструкций оборудования, а также нерационально используются исходные дорогостоящие ингредиенты. Производительность данного способа 30 кг/смену.

Дана методология исследований физико-химических свойств композиционных полимерных материалов и представлены свойства химически сшитых материалов с высокой адсорбционной способностью. Осуществлен выбор водорастворимых полимеров и ингредиентов природного происхождения, необходимых для получения оптимальных физико-химических свойств дражированных семян. Установлено, что растительные полисахариды и натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы оптимально подходят для приготовления составов, используемых для получения дражированных семян саксаула черного и сосны обыкновенной. В качестве ингредиента природного происхождения рекомендовано использовать растительные полисахариды фракцией не выше 350-400 мкм из средней части древесины, которые способствуют образованию в грануле высокопрочных и эластичных покрытий с высокой влагоудерживающей способностью. Для получения 1 кг дражированных семян саксаула черного необходимо 0,3 кг композиционного полимерного препарата с целевыми добавками.

С использованием программного пакета «STATISTICA 8.0» были рассчитаны коэффициенты уравнений регрессии и с их помощью установлена оптимальная концентрация ингредиентов: растительные полисахариды из средней части древесины (сосновая древесная мука) (60-70 мас. %), натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (8-12 мас. %), фунгицид (2-4 мас. %), стимулятор роста (экосил) (4-6 мас. %), вода - остальное.

Литература

1. Архипенко, В. И. Спектроскопия плазмы и природных объектов / В. И. Архипенко, В. С. Буракова, А. Ф. Чернявский. - Минск : Белорус. наука, 2007. - 488 с.

2. Корецкая, Л. С. Атмосферостойкость полимерных материалов / Л. С. Корецкая. - Минск : Навука i тэхніка, 1993. - 206 с.

3. Материалы лакокрасочные. Метод определения эластичности при изгибе : ГОСТ 6806-73. -Введ. 01.07.74. - М. : Изд-во стандартов, 1988. - 5 с.

4. Копытков, В. В. Рекомендации по технологии дражирования семян сосны / В. В. Копытков. -Гомель-Астана, 2011. - 12 с.

5. Зайцев, Г. Н. Математическая статистика в экспериментальной ботанике / Н. Г. Зайцев. - М. : Наука, 1984. - 424 с.

6. Рокицкий, П. Ф. Биологическая статистика / П. Ф. Рокицкий. - Минск : Выш. шк., 1967. - 326 с.

7. Родин, А. Р. Перспективы использования полимеров в лесокультурном производстве / А. Р. Родин // Лесное хозяйство. - 1990. - № 12. - С. 11-15.

8. Родин, С. А. Интенсификация выращивания лесопосадочного материала / С. А. Родин, А. Р. Родин, Н. Я. Попов. - М. : Агропромиздат, 1989. - 78 с.

9. Технология получения дражированных семян на основе композиционных полимерных материалов / В. В. Копытков [и др.]. - Гомель, 2008. - 165 с.

10. Боровиков, В. П. Прогнозирование в системе STATISTIKA в среде Windows. Основы теории и интенсивная практика на компьютере : учеб. пособие / В. П. Боровиков, Г. И. Ивченко. - М. : Финансы и статистика, 2000. - 384 с.

Summary

The paper reports the results of research on the technology for pelletizing of seeds of forest trees using vegetable polysaccharides and varied target additives. Also, the paper provides information on the optimum concentrations of the target additives and the physicochemical properties of pelleted seeds and gives a comparison of the physicochemical properties of the pelleted seeds depending on the size of vegetable polysaccharide particles and the target additives used.

Поступила в редакцию 11.06.12.