РОСТОВОЙ СУБСТРАТНЫЙ ПРОДУКТ
GROWTH SUBSTRATE PRODUCT

Изобретение относится к связному ростовому субстратному продукту, к применению связного ростового субстратного продукта в качестве подложки для выращивания растений, или для семенного размножения, к способу выращивания растений в связном ростовом субстрате, к способу семенного размножения в связном ростовом субстратном продукте, и к способу изготовления связного ростового субстратного продукта.
В течение многих лет было известно выращивание растений в связных ростовых субстратах, сформированных из искусственных стекловидных волокон (MMVF). Продукты MMVF для этой цели, которые образованы в виде связного тампона, блока или пластины, как правило, включают связующий материал, обычно органический связующий материал, чтобы обеспечить структурную целостность продукта. Это позволяет питательному субстрату сохранять свою структуру во время орошения водой. Однако материалы MMVF, которые должны применяться в качестве питательных субстратов, должны иметь способность впитывать и удерживать воду, которая регулярно подается оросительной системой к питательному субстрату, и также должны иметь свойства повторного увлажнения. Соответственно этому, в течение ряда лет было хорошо известно включение смачивающего агента в материалы MMVF, которые должны быть использованы в качестве питательных субстратов.
Комбинация связующего материала и смачивающего агента имеет исключительную важность для коммерческого выращивания растений в питательных MMVF-субстратах, так как эти компоненты определяют определенные химические и физические свойства питательных субстратов. Например, связующий материал и смачивающий агент могут влиять на характеристики удерживания воды, характеристики повторного насыщения (способности питательного субстрата впитывать воду во второй раз после того, как он был увлажнен и затем высушен), первоначального смачивания, характеристики распределения воды (способности питательного субстрата удерживать воду с более однородной концентрацией скорее по всей высоте, длине и ширине питательного субстрата, нежели сосредоточивать ее у основания), фитотоксичность и механические свойства MMVF-субстрата для выращивания растений.
Один прежний пример изделия на основе минеральной ваты, который может быть использован в качестве питательного субстрата, приведен в патентном документе GB-A-1336426, который описывает легко смачиваемые материалы на основе минеральной ваты, пригодные для применения в качестве питательных субстратов. Для создания структуры и формы волокна содержат связующий материал, такой как фенол-формальдегидная смола или мочевино-формальдегидная смола. Для обеспечения необходимых характеристик удерживания воды материал также содержит смачивающий агент. Упомянуты такие основные классы смачивающих агентов, как анионные, катионные и неионные смачивающие агенты.
Патентный документ EP-A-1226749 раскрывает способ изготовления водопоглощающих материалов на основе минеральных волокон, которые могут быть использованы для выращивания растений, причем изделия включают связующий материал, смачивающий агент и алифатический полиол. Связующий материал может представлять собой стандартную смолу на основе фенола, и смачивающий агент может быть выбран из длинного списка, включающего соли высших жирных кислот, алкил- или аралкилсульфаты или сульфонаты, сульфаты алифатических спиртов, алкилфосфаты, этоксилаты алифатических спиртов, этоксилаты алкилфенолов, этоксилаты алифатических аминов, этоксилаты жирных кислот, алкиламмониевые соединения.
Дополнительные примеры документов, которые раскрывают применение содержащих формальдегид связующих материалов, включают WO2009/090053, WO2008009467, WO2008/009462, WO2008/009461, WO2008/009460 и WO2008/009465. В этих примерах связующий материал представляет собой фенол-формальдегидную смолу, и смачивающие агенты представляют собой ионные поверхностно-активные вещества.
Патентный документ EP1278410 раскрывает применение неионного поверхностно-активного вещества на основе полигликолевого сложного эфира жирной кислоты в качестве смачивающего агента, такого как Rewopal E070, в ростовом субстратном продукте, который предпочтительно соединен со связующим материалом на основе формальдегидной смолы.
Формальдегидные связующие материалы нашли широкое применение, поскольку они могут быть экономично изготовлены. Однако применение содержащих формальдегид связующих материалов известно как проявляющее негативное влияние в отношении фитотоксичности. Поэтому попытки улучшить механические свойства питательных MMVF-субстратов повышением количества содержащего формальдегид связующего материала могут оказывать негативное влияние на рост и развитие растений, так как растения чувствительны к концентрациям формальдегида. Кроме того, были указания на то, что производные формальдегида могут быть вредными для здоровья, и поэтому нежелательны в экологическом отношении; это было отражено в законодательных актах, направленных на снижение или устранение выбросов формальдегида.
Связующие материалы иных типов, нежели стандартный тип производных фенола, мочевины и формальдегида, были раскрыты для применения в питательных субстратах на основе минеральной ваты.
Один такой пример представлен в патентном документе WO2012/028650. Раскрыт материал на основе минерального волокна, включающий MMVF, соединенный отвержденной связующей композицией, в котором связующая композиция перед отверждением включает (i) сахарный компонент, (ii) продукт реакции компонента поликарбоновой кислоты и алканоламинного компонента, и (iii) смачивающий агент. Смачивающий агент предпочтительно представляет собой анионное поверхностно-активное вещество, включающее линейный алкилбензолсульфонат (LAS). Хотя характеристики регулирования влагосодержания являются хорошими, они оставляют желать лучшего. Кроме того, могли бы быть улучшены характеристики фитотоксичности раскрытого в патентном документе WO2012/028650 связующего материала. Кроме того, связующая композиция согласно патентному документу WO2012/028650 требует относительно высоких температур для отверждения; поэтому было бы желательно получить связующую композицию со сниженной температурой отверждения.
Одним дополнительным примером является патентный документ WO2015/181323, который раскрывает применение простых алкилэфирсульфатов в качестве смачивающего агента в питательных MMVF-субстратах. Этот документ раскрывает связывание MMVF-субстрата одним из разнообразных связующих материалов, включающих формальдегидные смолы и содержащие сахар смолы.
Хотя он не относится к области субстратов для выращивания растений, патентный документ WO2007/014236 раскрывает разнообразные не содержащие формальдегид связующие материалы, используемые для изготовления таких материалов, как стекловолокно.
Недостатки, связанные с известными не содержащими формальдегид связующими материалами, включают то обстоятельство, что исходные материалы часто являются относительно дорогостоящими и получаются из ископаемых топлив.
В то время как такие описанные выше системы в общем являются эффективными, остается возможность для улучшения ростового субстратного продукта в разнообразных отношениях. Более конкретно, существует потребность в усовершенствованной системе связующего материала и смачивающего агента в MMVF-субстратах для выращивания растений.
Было бы желательным создание системы связующего материала и смачивающего агента, которая не считается экологически неподходящей, и которая имеет низкую фитотоксичность. Было бы желательным создание систем, которые проявляют улучшенные характеристики повторного насыщения; улучшенные характеристики распределения воды; улучшенное удерживание воды и улучшенное первоначальное смачивание. Было бы желательным создание систем, которые проявляют улучшенное прорастание семян, укоренение и рост растений с более высокой долей растений в требуемой селекционной категории и с наивысшей однородностью среди растений. Было бы желательным создание системы, которая обеспечивает вышеуказанные достоинства, но которая сохраняет механические свойства известных MMVF-субстратов. Было бы желательным создание системы связующего материала и смачивающего агента, которая проявляет эти преимущества перед известными системами, но которая имеет сравнимые удобство и экономичность в плане изготовления, и которая, по меньшей мере частично, исходит из возобновляемых материалов.
Сущность изобретения
В первом аспекте представлен связный ростовой субстратный продукт, сформированный из искусственных стекловидных волокон (MMVF), связанных отвержденной связующей композицией и смачивающим агентом, причем связующая композиция перед отверждением включает следующие компоненты:
компонент (i) в форме одного или более соединений, выбранных из
- соединений формулы, и любых их солей:
в которой R1 соответствует Н, алкильной, моногидроксиалкильной, дигидроксиалкильной, полигидроксиалкильной, алкиленовой, алкоксильной, аминной группе;
- соединений формулы, и любых их солей:
в которой R2 соответствует Н, алкильной, моногидроксиалкильной, дигидроксиалкильной, полигидроксиалкильной, алкиленовой, алкоксильной, аминной группе;
компонент (ii) в форме одного или более соединений, выбранных из группы аммиака, аминов или любых их солей;
компонент (iii) в форме одного или более углеводов.
Во втором аспекте настоящего изобретения представлено применение ростового субстрата согласно первому аспекту изобретения в качестве ростового субстрата для выращивания растений или для семенного размножения.
В третьем аспекте настоящего изобретения представлен способ выращивания растений в связном ростовом субстратном продукте, причем способ включает:
обеспечение по меньшей мере одного ростового субстратного продукта, сформированного из искусственных стекловидных волокон, связанных отвержденной связующей композицией и смачивающим агентом;
размещение одного или более растений для выращивания в ростовом субстратном продукте; и
орошение ростового субстратного продукта;
отличающийся тем, что связующая композиция перед отверждением включает следующие компоненты:
компонент (i) в форме одного или более соединений, выбранных из
- соединений формулы, и любых их солей:
в которой R1 соответствует Н, алкильной, моногидроксиалкильной, дигидроксиалкильной, полигидроксиалкильной, алкиленовой, алкоксильной, аминной группе;
- соединений формулы, и любых их солей:
в которой R2 соответствует Н, алкильной, моногидроксиалкильной, дигидроксиалкильной, полигидроксиалкильной, алкиленовой, алкоксильной, аминной группе;
компонент (ii) в форме одного или более соединений, выбранных из группы аммиака, аминов или любых их солей;
компонент (iii) в форме одного или более углеводов.
В четвертом аспекте настоящего изобретения представлен способ семенного размножения в связном ростовом субстратном продукте, причем способ включает:
обеспечение по меньшей мере одного ростового субстратного продукта, сформированного из искусственных стекловидных волокон, связанных отвержденной связующей композицией и смачивающим агентом;
размещение одного или более семян в ростовом субстратном продукте;
орошение ростового субстратного продукта; и
обеспечение прорастания и роста семени с образованием рассады;
отличающийся тем, что связующая композиция перед отверждением включает следующие компоненты:
компонент (i) в форме одного или более соединений, выбранных из
- соединений формулы, и любых их солей:
в которой R1 соответствует Н, алкильной, моногидроксиалкильной, дигидроксиалкильной, полигидроксиалкильной, алкиленовой, алкоксильной, аминной группе;
- соединений формулы, и любых их солей:
в которой R2 соответствует Н, алкильной, моногидроксиалкильной, дигидроксиалкильной, полигидроксиалкильной, алкиленовой, алкоксильной, аминной группе;
компонент (ii) в форме одного или более соединений, выбранных из группы аммиака, аминов или любых их солей;
компонент (iii) в форме одного или более углеводов.
В пятом аспекте настоящего изобретения представлен способ изготовления связного ростового субстратного продукта, включающий стадии:
(i) обеспечения искусственных стекловидных волокон;
(ii) распыления на искусственные стекловидные волокна связующей композиции;
(iii) распыления на искусственные стекловидные волокна смачивающего агента;
(iv) сбора и объединения искусственных стекловидных волокон; и
(v) отверждения связующей композиции;
отличающийся тем, что связующая композиция перед отверждением включает следующие компоненты:
компонент (i) в форме одного или более соединений, выбранных из
- соединений формулы, и любых их солей:
в которой R1 соответствует Н, алкильной, моногидроксиалкильной, дигидроксиалкильной, полигидроксиалкильной, алкиленовой, алкоксильной, аминной группе;
- соединений формулы, и любых их солей:
в которой R2 соответствует Н, алкильной, моногидроксиалкильной, дигидроксиалкильной, полигидроксиалкильной, алкиленовой, алкоксильной, аминной группе;
компонент (ii) в форме одного или более соединений, выбранных из группы аммиака, аминов или любых их солей;
компонент (iii) в форме одного или более углеводов.
Подробное описание изобретения
Ростовой субстратный продукт
Ростовой субстратный продукт согласно изобретению сформирован из искусственных стекловидных волокон (MMVF). MMVF может быть стандартного типа, применяемого для изготовления известных питательных MMVF-субстратов. Он может представлять собой стекловату или шлаковату, но обычно является минеральной ватой. Как правило, минеральная вата имеет содержание оксида железа по меньшей мере 3%, и содержание щелочноземельных металлов (оксида кальция и оксида магния) от 10 до 40%, наряду с другими обычными оксидными компонентами минеральной ваты. Ими являются кремнезем; оксид алюминия; щелочные металлы (оксид натрия и оксид калия), которые обычно присутствуют в малых количествах; и также могут включать оксид титана и другие незначительные оксиды. В общем и целом, она может представлять собой искусственные стекловидные волокна любого из типов, которые традиционно известны для получения питательных субстратов.
Диаметр волокон часто варьирует в диапазоне от 2 до 10 микрон (мкм), в частности, от 3 до 8 микрон (мкм), что является стандартным.
Ростовой субстратный продукт предпочтительно содержит по меньшей мере 90 масс.% искусственных стекловидных волокон, в расчете на массу всех содержащихся в питательном субстрате твердых веществ. Преимущество наличия такого количества волокон, присутствующих в ростовом субстратном продукте, состоит в том, что имеются достаточные поры, образованные между волокнами, для обеспечения возможности удерживания ростовым субстратным продуктом воды и питательных веществ для растения, в то же время с сохранением способности корней растений проникать сквозь ростовой субстратный продукт. Остальное содержание твердых веществ главным образом приходится на связующий материал и смачивающий агент.
Материал MMVF может быть изготовлен любым из способов, известных квалифицированным специалистам в этой области технологии для получения MMVF-материалов питательных субстратов. Как правило, создается минеральная шихта, которая расплавляется в печи с образованием минерального расплава. Затем расплав перерабатывается в волокна с помощью ротационного волокнообразования, такого как внутреннее центробежное волокнообразование, например, с использованием вращающегося стакана, или наружное центробежное волокнообразование, например, с использованием каскадной прядильной фильеры, с образованием скопления волокон. Затем эти волокна собираются и объединяются. Связующий материал и смачивающий агент обычно добавляются на стадии волокнообразования распылением в скопление сформированных волокон. Эти способы хорошо известны в технологии.
3
3
3
Ростовой субстратный продукт предпочтительно имеет среднюю плотность от 30 до 150 кг/м, такую как от 30 до 100 кг/м, более предпочтительно от 40 до 90 кг/м.
3
3
3
Ростовой субстратный продукт предпочтительно имеет объем в диапазоне от 3 до 86400 см, такой как от 5 до 30000 см, предпочтительно от 8 до 20000 см. Ростовой субстратный продукт может быть в форме изделия, традиционно известного как тампон, или в форме изделия, традиционно известного как блок, или в форме изделия, традиционно известного как пластина.
Ростовой субстратный продукт может иметь размеры, стандартные для типа изделия, общеизвестного как тампон. Так, он может иметь высоту от 20 до 35 мм, часто от 25 до 28 мм, и длину и ширину в диапазоне от 15 до 25 мм, часто около 20 мм. В этом случае субстрат часто является по существу цилиндрическим с концевыми поверхностями цилиндра, образованными верхней и нижней поверхностями питательного субстрата.
3
3
3
3
3
3
3
Объем ростового субстратного продукта в форме тампона предпочтительно составляет не более 150 см. Как правило, объем ростового субстратного продукта в форме тампона варьирует в диапазоне от 0,6 до 40 см, предпочтительно от 3 до 150 см, и предпочтительно не более 100 см, более предпочтительно не более 80 см, в частности, не более 75 см, наиболее предпочтительно не более 70 см. Минимальное расстояние между верхней и нижней поверхностями тампона предпочтительно составляет менее 60 мм, более предпочтительно менее 50 мм, и, в частности, меньше 40 мм или менее.
3
3
Тампон в еще одном варианте исполнения имеет высоту от 30 до 50 мм, часто около 40 мм, и длину и ширину в диапазоне от 20 до 40 мм, часто около 30 мм. В этом случае ростовой субстрат часто имеет кубическую форму. В этом первом случае объем ростового субстрата часто составляет не более 50 см, предпочтительно не более 40 см.
3
В альтернативном варианте, ростовой субстрат может быть типа тампона, описанного в качестве связного питательного MMVF-субстрата в публикации WO2010/003677 авторов настоящего изобретения. В этом случае объем ростового субстратного продукта наиболее предпочтительно варьирует в диапазоне от 10 до 40 см.
3
3
3
3
3
3
3
Ростовой субстратный продукт может иметь размеры, стандартные для изделия, общеизвестного как блок. Он может иметь высоту от 5 до 20 см, часто от 6 до 15 см, и длину и ширину в диапазоне от 4 до 30 см, часто от 10 до 20 см. В этом случае субстрат часто имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Объем ростового субстратного продукта в форме блока предпочтительно имеет величину в диапазоне от 80 до 8000 см, предпочтительно от 50 см до 5000 см, более предпочтительно от 100 см до 350 см, наиболее предпочтительно от 250 см до 2500 см.
3
Ростовой субстратный продукт может иметь размеры, стандартные для изделия, общеизвестного как пластина. Он может иметь высоту от 5 до 15 см, часто от 7,5 до 12,5 см, ширину в диапазоне от 5 до 30 см, часто от 12 до 24 см, и длину в диапазоне от 30 до 240 см, часто от 40 до 200 см. В этом случае субстрат часто имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Объем ростового субстратного продукта в форме пластины предпочтительно имеет величину в диапазоне от 750 до 86400 см, предпочтительно от 3 литров до 20 литров, более предпочтительно от 4 литров до 15 литров, наиболее предпочтительно от 6 литров до 15 литров.
Высота представляет собой высоту по вертикали ростового субстратного продукта, когда он размещен в положении предполагаемого применения, и тем самым она представляет расстояние между верхней поверхностью и нижней поверхностью. Верхняя поверхность представляет собой поверхность, которая обращена вверх, когда изделие размещено в положении предполагаемого применения, и нижняя поверхность представляет собой поверхность, которая обращена вниз (и которой изделие опирается), когда изделие размещено в положении предполагаемого применения.
Как правило, ростовой субстратный продукт может иметь любую подходящую форму, в том числе цилиндрическую, кубоидную и кубическую. Обычно верхняя и нижняя поверхности являются по существу плоскими.
Ростовой субстратный продукт находится в форме связной массы. То есть, ростовой субстрат, как правило, представляет собой связную матрицу из искусственных стекловидных волокон, которые были изготовлены как таковые, но также может быть сформирован гранулированием пластины из минеральной ваты и объединением гранулированного материала.
Связующая композиция
Авторы настоящего изобретения нашли, что можно получить связующую композицию для связных питательных MMVF-субстратов, для которой в большой степени используются исходные материалы, которые являются возобновляемыми, и в то же время позволяют экономично изготавливать связующий материал. Поскольку значительная часть исходных материалов, используемых для связующего материала согласно настоящему изобретению, имеет происхождение из биомассы, и в то же время применяемые материалы имеют сравнительно низкую стоимость, связующий материал согласно настоящему изобретению является как экономически выгодным, так и экологически благоприятным. Комбинация этих двух аспектов в особенности примечательна, поскольку «биоматериалы» часто являются более дорогостоящими, чем традиционные материалы.
Дополнительным преимуществом настоящего изобретения является то, что связующая композиция для применения в связных питательных MMVF-субстратах может не содержать формальдегид. Формальдегид обычно используется в качестве связующего материала в MMVF-субстратах для выращивания растений, так как он является относительно недорогим и приводит к изделию с хорошей механической прочностью. Однако растения чувствительны к концентрации формальдегида, который может влиять на рост и развитие растений. Кроме того, недавно было принято законодательное предписание, которое требует снижения или устранения выбросов формальдегида, так как они представляются экологически нежелательными. Связующая композиция согласно настоящему изобретению не содержит формальдегид и имеет низкую фитотоксичность. Поэтому можно повысить количество используемого связующего материала до более высоких концентраций, если необходимо, чтобы улучшить механические свойства материала питательного MMVF-субстрата, без существенного влияния на рост и развитие растений.
В то же время связующие материалы согласно настоящему изобретению проявляют превосходные свойства, когда используются для связывания материалов питательных MMVF-субстратов. Связующая композиция имеет механические характеристики, сравнимые с известными связующими материалами, но имеет преимущество в экономичности изготовления, и может быть синтезирована в основном из возобновляемых материалов. Дополнительным преимуществом связующих материалов согласно настоящему изобретению является то, что они имеют сравнительно высокую скорость отверждения при низкой температуре отверждения. Кроме того, связующие материалы согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения не являются высококислотными, и поэтому устраняют проблемы коррозии, связанные с имеющими высокую кислотность связующими материалами, известными из прототипа.
Кроме того, когда связующая композиция используется в сочетании со смачивающим агентом, проявляются превосходные свойства в плане регулирования водоснабжения. Например, настоящее изобретение показывает улучшенные свойства повторного насыщения; улучшенные свойства распределения воды; улучшенное удерживание воды и улучшенное первоначальное смачивание. В конечном итоге это приводит к выращиванию более сильных и более здоровых растений.
Кроме того, когда связующая композиция используется в комбинации со смачивающим агентом, проявляются улучшенная всхожесть семян, укоренение и рост растений с более высокой долей растений в требуемой селекционной категории и с наивысшей однородностью среди растений.
Связующая композиция для применения в настоящем изобретении теперь будет описана более подробно.
Связующая композиция перед отверждением включает следующие компоненты:
компонент (i) в форме одного или более соединений, выбранных из
- соединений формулы, и любых их солей:
в которой R1 соответствует Н, алкильной, моногидроксиалкильной, дигидроксиалкильной, полигидроксиалкильной, алкиленовой, алкоксильной, аминной группе;
- соединений формулы, и любых их солей:
в которой R2 соответствует Н, алкильной, моногидроксиалкильной, дигидроксиалкильной, полигидроксиалкильной, алкиленовой, алкоксильной, аминной группе;
компонент (ii) в форме одного или более соединений, выбранных из группы аммиака, аминов или любых их солей;
компонент (iii) в форме одного или более углеводов.
2
2
Связующая композиция предпочтительно представляет собой водную связующую композицию. Это позволяет улучшить смешивание связующего материала, улучшить распределение связующего материала во всем питательном MMVF-субстрате, и также означает, что требуется более низкое содержание связующего материала. Связующие материалы предпочтительно имеют значение рН 6-9. Связующие материалы предпочтительно не содержат формальдегид. Для цели настоящей заявки термин «не содержит формальдегид» определяется для охарактеризования изделия из минерального волокна, где эмиссия составляет ниже 5 мкг/м/час формальдегида из изделия из минерального волокна, предпочтительно ниже 3 мкг/м/час. Испытание предпочтительно проводится в соответствии со стандартом ISO 16000 для тестирования выбросов альдегидов.
1
10
1
10
1
10
1
10
1
10
1
10
Алкильная группа предпочтительно представляет собой С-С-алкил. Моногидроксиалкильная группа предпочтительно представляет собой С-С-моногидроксиалкильную группу. Дигидроксиалкильная группа предпочтительно представляет собой С-С-дигидроксиалкильную группу. Полигидроксиалкильная группа предпочтительно представляет собой С-С-полигидроксиалкильную группу. Алкиленовая группа предпочтительно представляет собой алкилен-С-С-алкильную группу. Алкоксильная группа предпочтительно представляет собой алкокси-С-С-алкильную группу.
Компонент (i) связующей композиции
Компонент (i) предпочтительно присутствует в форме одного или более компонентов, выбранных из аскорбиновой кислоты, или ее изомеров, или солей, или производных, предпочтительно окисленных производных.
Авторы настоящего изобретения нашли, что аскорбиновая кислота, которая представляет собой материал со сравнительно невысокой стоимостью, и может быть получена из биомассы, или ее производные, могут быть использованы в качестве основы для связующей композиции для применения в MMVF-субстратах для выращивания растений.
Аскорбиновая кислота, или витамин С, представляет собой нетоксичное органическое соединение природного происхождения с антиоксидантными свойствами. В промышленности аскорбиновая кислота может быть получена, например, ферментацией глюкозы. Структура скелета аскорбиновой кислоты содержит уникальный пятичленный цикл, γ-лактон, содержащий ендиольный фрагмент. Тем самым аскорбиновая кислота может быть классифицирована как 3,4-дигидроксифуран-2-он. Она является особенно благоприятной, когда используется в качестве связующего материала в субстратах для выращивания растений, благодаря низкой фитотоксичности этого соединения.
Несмотря на то, что аскорбиновая кислота не содержит функциональную группу карбоновой кислоты, 3-гидроксигруппа проявляет умеренную кислотность (pKa=4,04), поскольку образующийся аскорбат-анион стабилизируется в результате делокализации заряда.
В предпочтительном варианте исполнения компонент (i) выбирается из L-аскорбиновой кислоты, D-изоаскорбиновой кислоты, 5,6-изопропилиденаскорбиновой кислоты, дегидроаскорбиновой кислоты, и/или любой соли соединений, предпочтительно солей кальция, натрия, калия, магния и железа.
В дополнительном предпочтительном варианте исполнения компонент (i) выбирается из L-аскорбиновой кислоты, D-изоаскорбиновой кислоты, 5,6-изопропилиденаскорбиновой кислоты и дегидроаскорбиновой кислоты
Компонент (ii) связующей композиции
Компонент (ii) выбирается из аммиака, аминов или любых их солей. В предпочтительном варианте исполнения компонент (ii) выбирается из аммиака, пиперазина, гексадиметилендиамина, мета-ксилилендиамина, диэтилентриамина, триэтилентетрамина, тетраэтиленпентамина, моноэтаноламина, диэтаноламина и/или триэтаноламина.
В наиболее предпочтительном варианте исполнения компонент (ii) представляет собой аммиак. Аммиак может быть добавлен как соль аммония и/или как аммиак. Аммиак является особенно предпочтительным, так как он является относительно недорогим и простым в обращении, по сравнению с другими аминными соединениями. Применение аммиака в раскрытой здесь связующей композиции также обусловливает более низкие температуры начала и окончания отверждения, сравнительно с другими аминами.
Компонент (iii) связующей композиции
Компонент (iii) находится в форме одного или более углеводов. В качестве исходного материала для разнообразных углеводов, таких как сиропы глюкозы и декстрозы, может быть использован крахмал. В зависимости от реакционных условий, применяемых при гидролизе крахмала, получаются разнообразные смеси декстрозы и промежуточных продуктов, которые могут быть охарактеризованы по их DE-числу. DE представляет сокращенное наименование Декстрозного Эквивалента, и определяется как содержание восстанавливающих сахаров, выражаемое как число граммов безводной D-глюкозы в 100 г сухого материала в образце, когда определяется методом, регламентированным Международным Стандартом ISO 5377-1981 (Е). Этим методом измеряются восстанавливающие концевые группы, и значение DE приписывается чистой декстрозе как равное 100, и чистому крахмалу как равное 0.
В предпочтительном варианте исполнения углевод выбирается из сахарозы, восстанавливающих сахаров, в частности, декстрозы, полиуглеводов, и их смесей, предпочтительно декстринов и мальтодекстринов, более предпочтительно сиропов глюкозы, и более предпочтительно глюкозных сиропов со значением декстрозного эквивалента DE=20-99, таким как DE=50-85, таким как DE=60-99. Термин «декстроза», как используемый в настоящей заявке, определяется как включающий глюкозу и ее гидраты.
В дополнительном предпочтительном варианте исполнения углевод выбирается из гексоз, в частности, аллозы, альтрозы, глюкозы, маннозы, гулозы, идозы, галактозы, талозы, псикозы, фруктозы, сорбозы и/или тагатозы; и/или пентоз, в частности, арабинозы, ликсозы, рибозы, ксилозы, рибулозы и/или ксилулозы; и/или тетроз, в частности, эритрозы, треозы и/или эритрулозы.
В дополнительном предпочтительном варианте исполнения углевод выбирается из гексозы, такой как фруктоза, и/или пентозы, такой как ксилоза.
В особенно предпочтительном варианте исполнения компонент (iii) выбирается из декстрозы, глюкозного сиропа, ксилозы, фруктозы или сахарозы. Глюкозный сироп является предпочтительным, так как он представляет собой недорогой источник глюкозы.
Поскольку углеводы компонента (iii) являются сравнительно недорогими соединениями и получаются из возобновляемых источников, введение больших количеств компонента (iii) в связующий материал позволяет получать связующий материал для MMVF, который является благоприятным по экономическим соображениям, и в то же время позволяет получать экологически нетоксичный связующий материал. Это является особенно преимущественным в связующих материалах субстратов для выращивания растений, так как растения чувствительны к определенным соединениям, которые часто могут негативно влиять на их рост и развитие. В настоящем изобретении применение крахмала позволяет иметь связующую композицию с низкой фитотоксичностью.
В предпочтительном варианте исполнения пропорция компонентов (i), (ii) и (iii) варьирует в пределах диапазона от 1 до 50 масс.% компонента (i), в расчете на массу компонентов (i) и (iii), от 50 до 99 масс.% компонента (iii), в расчете на массу компонентов (i) и (iii), и от 0,1 до 10,0 молярных масс эквивалента компонента (ii) относительно компонента (i). Когда компонент (i) присутствует в таком количестве, что содержание компонента в массовых % составляет более 50%, тогда прочность связующего материала становится более низкой, чем желательно. Добавление амина согласно компоненту (ii) в вышеуказанных молярных массах эквивалентов повышает прочность связующей композиции.
В особенно предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения связующая композиция перед отверждением содержит аскорбиновую кислоту в качестве компонента (i), аммиак в качестве компонента (ii) и декстрозу и/или глюкозу с DE 60-99 в качестве компонента (iii).
Компонент (iv) связующей композиции
В предпочтительном варианте исполнения связующая композиция согласно настоящему изобретению дополнительно содержит компонент (iv) в форме одной или более добавок. Эти добавки (iv) предпочтительно представляют собой катализаторы реакции, в которой формируется связующий материал при отверждении, а именно, они не расходуются в реакции.
Добавка предпочтительно представляет собой минеральную кислоту или ее соли. Неожиданно было обнаружено, что при добавлении минеральной кислоты к связующей композиции могут быть значительно улучшены свойства связующей композиции согласно настоящему изобретению. В частности, авторы настоящего изобретения нашли, что введением минеральной кислоты, такой как фосфорноватистая кислота, в связующую композицию согласно настоящему изобретению может быть значительно понижена температура начала отверждения и окончания отверждения. Кроме того, при введении минеральной кислоты может быть сокращена реакционная убыль, тогда как в то же время механические свойства материала питательного MMVF-субстрата сохраняются.
4
2
4
4
4
4
2
4
2
2
4
2
3
4
3
4
2
4
4
2
4
В особенно предпочтительном варианте исполнения компонент (iv) выбирается из группы, состоящей из солей сульфата аммония, солей фосфата аммония, солей нитрата аммония и солей карбоната аммония. Соли сульфата аммония могут включать (NH)SO, (NH)HSO и (NH)Fe(SO)⋅6HO. Соли карбоната аммония могут включать (NH)CO и NHHCO. Соли фосфата аммония могут включать H(NH)PO, NHHPO, гипофосфит аммония и полифосфат аммония.
В особенно предпочтительном варианте исполнения компонент (iv) выбирается из группы, состоящей из серной кислоты, азотной кислоты, борной кислоты, фосфорноватистой кислоты и фосфорной кислоты, сульфаминовой кислоты и ее солей. Предпочтительным компонентом (iv) является натриевая соль фосфорноватистой кислоты.
Компонент (iv) может быть выбран из группы, состоящей из сульфаминовой кислоты и любой ее соли, такой как сульфамат аммония, сульфамат кальция, сульфамат натрия, сульфамат калия, сульфамат магния, сульфамат кобальта, сульфамат никеля, N-циклогексилсульфаминовой кислоты и любой ее соли, такой как N-циклогексилсульфамат натрия. В особенно предпочтительном варианте исполнения компонент (iv) представляет собой сульфамат аммония.
Сульфаминовая кислота представляет собой нетоксичное соединение, имеющее формулу:
Сульфаминовая кислота и многие из ее солей представляют собой устойчивые при хранении нелетучие соединения, и доступны по сравнительно низкой цене. Это обеспечивает возможность получения связующей композиции для применения в MMVF-субстратах для выращивания растений, которое является экономичным.
Кроме получения связующих материалов, которые позволяют изготовить изделия из минеральных волокон, имеющие превосходные механические свойства, введение компонента (iv), как правило, также обеспечивает улучшенные огнестойкость и противогнилостные характеристики в отношении MMVF-субстрата для выращивания растений согласно настоящему изобретению. Кроме того, применение сульфаминовой кислоты и ее производных в связующей композиции является особенно благоприятным в субстратах для выращивания растений, так как эти соединения имеют низкую фитотоксичность.
В особенно предпочтительном варианте исполнения компонент (iv) присутствует в количестве от 0,05 до 10 масс.%, таком как от 1 до 7 масс.%, в расчете на массу компонентов (i) и (iii), соответственно чему компонент (ii) предпочтительно присутствует в количестве от 0,1 до 10 молярных масс эквивалентов компонента (ii) относительно объединенных молярных масс эквивалентов компонента (i) и компонента (iv).
Компонент (v) связующей композиции
Необязательно, водная связующая композиция согласно настоящему изобретению дополнительно содержит компонент (v) в форме мочевины. Мочевина предпочтительно присутствует в количестве от 0 до 20 масс.% мочевины, более предпочтительно от 0 до 10 масс.% мочевины, в расчете на массу компонентов (i) и (iii).
Мочевина предпочтительно присутствует в связующей композиции согласно настоящему изобретению для предотвращения гниения.
Смачивающий агент
Связный ростовой субстратный продукт согласно настоящему изобретению включает смачивающий агент. Смачивающий агент будет увеличивать количество воды, которое может поглощать ростовой субстратный продукт. Применение смачивающего агента в комбинации с гидрофобным связующим материалом приводит к гидрофильному ростовому субстратному продукту.
Смачивающий агент может быть любым из смачивающих агентов, известных для применения в MMVF-субстратах, которые используются в качестве питательных субстратов.
Смачивающий агент может представлять собой неионный смачивающий агент, такой как Triton X-100 или Rewopal. Rewopal представляет собой полиэтоксилат олеиновой кислоты, в котором число этоксигрупп n=70. Некоторые неионные смачивающие агенты могут со временем вымываться из MMVF-субстрата. Поэтому может быть предпочтительным применение ионного смачивающего агента, в особенности анионного смачивающего агента, такого как линейный алкилбензолсульфонат (LAS). Они не вымываются из MMVF-субстрата до такой степени. Предпочтительным примером является натриевая соль линейного алкилбензолсульфоната.
В предпочтительном варианте исполнения смачивающий агент представляет собой поверхностно-активное вещество на основе простого алкилэфирсульфата. Смачивающий агент может представлять собой простой алкилэфирсульфат щелочного металла или простой алкилэфирсульфат аммония. Смачивающий агент предпочтительно представляет собой простой алкилэфирсульфат натрия.
Алкил в простом алкилэфирсульфате предпочтительно имеет длину цепи от 8 до 18 атомов углерода, предпочтительно от 12 до 15 атомов углерода, предпочтительно от 12 до 14 атомов углерода. Такие простые алкилэфирсульфаты имеют предпочтительный размер молекул, чем подразумевается, что они с меньшей вероятностью вымываются из ростового субстратного продукта.
Смачивающий агент предпочтительно имеет среднюю степень этоксилирования в диапазоне от 1 до 5, более предпочтительно в диапазоне от 2 до 4. Применение таких простых алкилэфирсульфатов в материалах питательных субстратов позволяет изделиям проявлять повышенные характеристики смачивания. Как представляется, это обусловлено усиленным эффектом снижения поверхностного натяжения таких простых алкилэфирсульфатов, что приводит к более низким краевым углам и тем самым эффективному и равномерному растеканию воды по поверхности волокон (относительно простых алкилэфирсульфатов с более высокой степенью этоксилирования).
Смачивающий агент предпочтительно имеет формулу
2
2
n
3
RO(CHCHO)SONa,
в которой R представляет линейную или разветвленную, циклическую или нециклическую C8-18-алкильную группу, причем предпочтительно R представляет линейную или разветвленную, циклическую или нециклическую C12-15-алкильную группу, причем более предпочтительно R представляет линейную или разветвленную, циклическую или нециклическую C12-14-алкильную группу; и причем n варьирует в диапазоне от 1 до 10, причем предпочтительно n варьирует в диапазоне от 2 до 3. Такие смачивающие агенты проявляют значительный эффект снижения поверхностного натяжения, что имеет результатом более низкие краевые углы и тем самым эффективное и равномерное растекание воды по поверхности волокон.
Особенно предпочтительным смачивающим агентом является простой лаурилэфирсульфат натрия (SLES), причем смачивающий агент предпочтительно имеет среднюю степень этоксилирования в диапазоне от 2 до 3. Такие средние степени этоксилирования предпочтительны потому, что это обусловливает низкое поверхностное натяжение простого лаурилэфирсульфата натрия, что приводит к сильному эффекту снижения поверхностного натяжения и тем самым эффективному и равномерному растеканию воды по поверхности волокон.
Уровни содержания смачивающего агента предпочтительно варьируют в диапазоне от 0,05 до 3 масс.%, в расчете на массу ростового субстратного продукта, в частности, в диапазоне от 0,05 до 0,8 масс.%, в расчете на массу ростового субстратного продукта.
Особенные преимущества смачивающего агента на основе простого алкилэфирсульфата состоят в том, что он с трудом вымывается из материалов питательных субстратов. Простые алкилэфирсульфаты улучшают первоначальное смачивание ростового субстратного продукта, сравнительно с известными смачивающими агентами. Материалы питательных субстратов с использованием смачивающего агента согласно изобретению стабильны и сохраняют свои характеристики первоначального смачивания и повторного насыщения при долговременном применении.
Простые алкилэфирсульфаты являются особенно предпочтительными, так как они представляют собой смачивающие агенты с низкой токсичностью, которые не оказывают вредного влияния на рост растений, сравнительно с более широко применяемыми смачивающими агентами, такими как LAS. Кроме того, простые алкилэфирсульфаты могут быть применены при изготовлении ростового субстратного продукта без необходимости в дополнительной технологической добавке, в отличие от таких смачивающих агентов, как LAS.
Авторы настоящего изобретения нашли, что, когда такие смачивающие агенты, как определено выше, в том числе LAS и простые алкилэфирсульфаты, применяются в комбинации со связующей композицией согласно настоящему изобретению, проявляются превосходные свойства в плане регулирования водоснабжения. Например, настоящее изобретение показывает улучшенные характеристики повторного насыщения; улучшенные характеристики распределения воды; улучшенное удерживание воды и улучшенное первоначальное смачивание. Это в конечном итоге приводит к выращиванию более сильных и здоровых растений.
Кроме того, когда смачивающий агент применяется в комбинации со связующей композицией согласно настоящему изобретению, проявляются улучшенное сохранение и размножение семян, укоренение и рост растений с более высокой долей растений в требуемой селекционной категории и с наивысшей однородностью среди растений.
Кроме того, когда смачивающий агент применяется в комбинации со связующей композицией согласно настоящему изобретению, проявляется уменьшенное пенообразование. Пенообразование является нежелательным побочным эффектом, который может иметь место, когда питательные субстраты подвергаются смачиванию в технологической линии орошения, в которой аэрозоль из водяных капелек наносится на субстрат. Избыточная вода и вода, которая проходит через изделие, собираются и повторно используются для орошения системы.
Ростовой субстратный продукт может содержать традиционные добавки других типов, в дополнение к связующему материалу и смачивающим агентам, например, соли, такие как сульфат аммония, и стимуляторы адгезии, такие как силаны.
Применение ростового субстратного продукта
Настоящее изобретение представляет применение ростового субстратного продукта в качестве питательного субстрата для выращивания растений или для семенного размножения. Подразумевается, что ростовой субстратный продукт согласно изобретению используется для выращивания растений и для семенного размножения.
Способ выращивания растений
Настоящее изобретение представляет способ выращивания растений в связном ростовом субстратном продукте, причем способ включает:
обеспечение по меньшей мере одного ростового субстратного продукта, сформированного из искусственных стекловидных волокон, связанных отвержденной связующей композицией и смачивающим агентом;
размещение одного или более растений для выращивания в ростовом субстратном продукте; и
орошение ростового субстратного продукта;
отличающийся тем, что связующая композиция перед отверждением является такой, как описано выше в настоящем изобретении.
Орошение может выполняться непосредственным поливом ростового субстратного продукта, то есть, вода подается непосредственно на ростовой субстратный продукт, например, с помощью поливного трубопровода, периодического обводнения, дождевателя, разбрызгивателя, или другой оросительной системы.
Ростовой субстратный продукт, используемый в способе выращивания растений, предпочтительно является таким, как описано выше.
Способ семенного размножения
Настоящее изобретение представляет способ семенного размножения в связном ростовом субстратном продукте, причем способ включает:
обеспечение по меньшей мере одного ростового субстратного продукта, сформированного из искусственных стекловидных волокон, связанных отвержденной связующей композицией и смачивающим агентом,
размещение одного или более семян для выращивания в ростовом субстратном продукте,
орошение ростового субстратного продукта; и
обеспечение возможности прорастания и роста семени с образованием рассады;
отличающийся тем, что связующая композиция перед отверждением является такой, как описано выше в настоящем изобретении.
Орошение может выполняться непосредственным поливом ростового субстратного продукта, то есть, вода подается непосредственно на ростовой субстратный продукт, например, с помощью поливного трубопровода, периодического обводнения, дождевателя, разбрызгивателя, или другой оросительной системы.
Ростовой субстратный продукт, используемый в способе семенного размножения, предпочтительно является таким, как описано выше.
Способ изготовления связного ростовогго субстрата
Способ изготовления связного ростового субстратного продукта, включающий стадии:
i. обеспечения искусственных стекловидных волокон;
ii. распыления на искусственные стекловидные волокна связующей композиции;
iii. распыления на искусственные стекловидные волокна смачивающего агента;
iv. сбора и объединения искусственных стекловидных волокон; и
(v) отверждения связующей композиции;
отличающийся тем, что связующая композиция перед отверждением является такой, как описано выше в настоящем изобретении.
Стадии ii и iii предпочтительно проводятся по существу одновременно. Это значит, что связующая композиция и смачивающий агент могут быть нанесены распылением из отдельных пульверизаторов. В альтернативном варианте, смачивающий агент и связующий материал могут быть смешаны и распылены из одного и того же брызгального устройства. Преимущество по существу одновременного распыления связующего материала и смачивающего агента состоит в том, что искусственные стекловидные волокна принимают согласованное количество как связующего материала, так и смачивающего агента.
Примеры
Изобретение теперь будет описано в отношении следующих неограничивающих примеров.
Пример 1
Синтез связующих материалов согласно настоящему изобретению и известных связующих композиций был проведен следующим образом;
Связующий материал А (контрольный связующий материал)
Приготовили модифицированную мочевиной фенол-формальдегидную смолу, PUF-резол. Этот связующий материал подобен известным из прототипа связующим композициям. Фенол-формальдегидную смолу получили реакцией 37%-ного водного раствора формальдегида (606 г) и фенола (189 г) в присутствии 46%-ного водного раствора гидроксида калия (25,5 г) при температуре реакционной смеси 84°С, чему предшествовало нагревание со скоростью приблизительно 1°С в минуту. Реакцию продолжали при температуре 84°С, пока кислотостойкость смолы не достигла значения 4, и была преобразована  часть фенола. Испытание на кислотостойкость более подробно описано ниже. Затем добавили мочевину (241 г), и смесь охладили.
Используя полученную модифицированную мочевиной фенол-формальдегидную смолу, изготовили связующий материал добавлением 25%-ного водного раствора аммиака (90 мл) и сульфата аммония (13,2 г), затем воды (1,30 кг).
Для связующих смесей, содержащих смачивающий агент, затем добавили необходимое количество смачивающего агента (например, Rewopal, SLES, LAS).
Затем готовую связующую смесь с желательным содержанием твердых веществ в связующих материалах получили разбавлением необходимым количеством воды и 10%-ным водным раствором силана (15%-ный раствор твердых компонентов связующего материала; 0,5% силана в твердых компонентах связующего материала).
Связующий материал В (контрольный связующий материал)
Связующий материал получили на основе продуктов реакции алканоламина с ангидридом поликарбоновой кислоты. Этот связующий материал соответствует связующей композиции, раскрытой в патентном документе WO2012/028650.
Диэтаноламин (DEA, 231,4 г) поместили в стеклянный реактор емкостью 5 литров, оснащенный мешалкой и нагревательной/охлаждающей рубашкой. Температуру диэтаноламина повысили до 60°С, к которому после этого добавили тетрагидрофталевый ангидрид (THPA, 128,9 г). После повышения температуры и выдерживания ее при 130°С, добавили вторую порцию тетрагидрофталевого ангидрида (64,5 г), после чего добавили тримеллитовый ангидрид (TMA, 128,9 г). После проведения реакции при температуре 130°С в течение 1 часа смесь охладили до 95°С. Добавили воду (190,8 г), и продолжали перемешивание в течение 1 часа. После охлаждения до температуры окружающей среды смесь вылили в воду (3,40 кг), и при перемешивании добавили 50%-ный водный раствор фосфорноватистой кислоты (9,6 г) и 25%-ный водный раствор аммиака (107,9 г). Глюкозный сироп (1,11 кг) нагрели до температуры 60°С, и затем добавили при перемешивании, с последующим добавлением 50%-ного водного раствора силана (5,0 г, Momentive VS-142).
Для связующих смесей, содержащих смачивающий агент, затем добавили необходимое количество смачивающего агента (например, Rewopal, SLES, LAS).
Затем готовую связующую смесь с желательным содержанием твердых веществ в связующих материалах получили разбавлением необходимым количеством воды (15%-ный раствор твердых компонентов связующего материала).
Связующий материал С (связующий материал согласно изобретению)
Получили связующую композицию для применения в настоящем изобретении. Смесь L-аскорбиновой кислоты (3,00 г, 17,0 ммол) и 75,1%-ного водного глюкозного сиропа (36,0 г; тем самым по существу 27,0 г глюкозного сиропа) в воде (61,0 г) перемешивали при комнатной температуре, пока не был получен прозрачный раствор. Затем добавили 50%-ный водный раствор фосфорноватистой кислоты (1,20 г; тем самым 0,60 г, 9,10 ммол фосфорноватистой кислоты). Затем по каплям добавили 28%-ный водный раствор аммиака (1,86 г; тем самым 0,52 г, 30,6 ммол аммиака) до достижения величины рН=6,6.
Смачивающий агент может быть введен в Связующий материал С следующим образом. 27%-ный водный раствор SLES (0,041 г/г связующей смеси) добавили в конце вышеуказанной процедуры, и смесь перемешивали до однородного состояния.
Для исследований методом DMA и водопоглощения (15%-ный раствор твердого связующего материала, 0,5% силана относительно твердых веществ связующего материала) связующую смесь разбавили водой (0,354 г/г связующей смеси) и 10%-ным водным раствором силана (0,010 г/г связующей смеси). Конечная связующая смесь имела значение рН=6,7.
Связующий материал D (связующий материал согласно изобретению)
Получили связующую композицию для применения в настоящем изобретении. Смесь L-аскорбиновой кислоты (3,00 г, 17,0 ммол) и 75,1%-ного водного глюкозного сиропа (36,0 г; тем самым 27,0 г глюкозного сиропа) в воде (61,0 г) перемешивали при комнатной температуре, пока не был получен прозрачный раствор. Затем добавили 50%-ный водный раствор фосфорноватистой кислоты (1,20 г; тем самым 0,60 г, 9,10 ммол фосфорноватистой кислоты) и мочевину (1,50 г). Затем по каплям добавили 28%-ный водный раствор аммиака (1,83 г; тем самым 0,51 г, 30,1 ммол аммиака) до достижения величины рН=7,0.
Смачивающий агент может быть введен в Связующий материал D следующим образом. 27%-ный водный раствор SLES (0,042 г/г связующей смеси) добавили в конце вышеуказанной процедуры, и смесь перемешивали до однородного состояния.
Для исследований методом DMA и водопоглощения (15%-ный раствор твердого связующего материала, 0,5% силана относительно твердых веществ связующего материала) связующую смесь разбавили водой (0,391 г/г связующей смеси) и 10%-ным водным раствором силана (0,011 г/г связующей смеси). Конечная связующая смесь имела значение рН=7,0.
Связующий материал E (связующий материал согласно изобретению)
Смесь L-аскорбиновой кислоты (6,26 г, 35,5 ммол) и 75,1%-ного водного глюкозного сиропа (33,4 г; тем самым 25,1 г глюкозного сиропа) в воде (57,1 г) перемешивали при комнатной температуре. Затем по каплям добавили 28%-ный водный раствор аммиака (3,13 г; тем самым 0,88 г, 51,5 ммол аммиака) до достижения величины рН=8,8.
Смачивающий агент может быть введен в Связующий материал E следующим образом. 27%-ный водный раствор SLES (0,040 г/г связующей смеси) добавили в конце вышеуказанной процедуры, и смесь перемешивали до однородного состояния.
Для исследований методом DMA и водопоглощения (15%-ный раствор твердого связующего материала, 0,5% силана относительно твердых веществ связующего материала) связующую смесь разбавили водой (0,335 г/г связующей смеси) и 10%-ным водным раствором силана (0,010 г/г связующей смеси). Конечная связующая смесь имела значение рН=8,8.
Пример 2
Исследовали разнообразные свойства вышеописанных связующих композиций, в том числе начало отверждения, окончание отверждения, реакционную убыль и водопоглощение. Результаты показаны ниже в Таблицах 1 и 2. В Таблице 1 Контрольные связующие материалы А1-А4 были получены, как описано выше для Связующего материала А, и Контрольные связующие материалы В1-В4 были получены, как описано выше для Связующего материала В. В Таблице 2 Новые связующие материалы С1-С4, D1-D4 и Е1-Е4 были получены, как описано выше для Связующего материала С, Связующего материала D и Связующего материала Е, соответственно.
Таблица 1. Контрольные связующие материалы
Контрольные связующие материалы
Контрольные связующие материалы
<b>Пример </b>
А1
А2
А3
А4
В1
В2
В3
В4
<b>Смачивающий агент (добавление масс.%)</b><sup><b>[а]</b></sup>
Rewopal
-
10,0
-
-
-
10,0
-
-
LAS
-
-
4,8
-
-
-
4,8
-
SLES
-
-
-
5,4
-
-
-
5,4
Силан (% от твердого связующего материала)<sup>[b]</sup>
0,5
0,5
0,5
0,5
-
-
-
-
<b>Свойства связующего материала</b>
Начало отверждения (°С)
150
150
158
156
180
177
182
185
Конец отверждения (°С)
171
171
175
173
210
211
216
218
Реакционная убыль (%)
29
32
32
34
29
32
32
32
рН 15%-ного раствора
9,6
9,6
9,6
9,5
5,8
5,9
5,9
5,9
<b>Характеристики водопоглощения</b>
Водопоглощение, 30 сек. по вертикали (%)
2
4
29
23
22
2
36
38
Водопоглощение, 1 мин. при погружении (%)
7
13
37
48
31
5
50
50
Водопоглощение, 24 часа при погружении (%)
28
36
38
50
33
18
51
52
[a]
[b]
Относительно твердых веществ связующего материала. Силан (Momentive VS-142) был поставлен фирмой Momentive, и был рассчитан как 100% для простоты.
Таблица 2. Связующие материалы согласно изобретению
<b>Пример </b>
С1
С2
С3
С4
D1
D2
D3
D4
Е1
Е2
Е3
Е4
<b>Связующая композиция</b>
Компонент (i)
L-Аскорбиновая кислота (масс.%)
10
10
10
10
10
10
10
10
20
20
20
20
Компонент (iii)
Глюкозный сироп (масс.%)
90
90
90
90
90
90
90
90
80
80
80
80
Компонент (iv)<sup>[a]</sup>
Фосфорноватистаякислота (масс.%)
2
2
2
2
2
2
2
2
-
-
-
-
Компонент (v) мочевина<sup>[a]</sup>
-
-
-
-
5
5
5
5
-
-
-
-
Компонент (ii) (эквив.)<sup>[b]</sup>
Аммиак
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,4
1,4
1,4
1,4
Смачивающий агент (добавление масс.%)<sup>[c]</sup>
Rewopal
-
10,0
-
-
-
10,0
-
-
-
10,0
-
-
LAS
-
-
4,8
-
-
-
4,8
-
-
-
4,8
-
SLES
-
-
-
5,4
-
-
-
5,4
-
-
-
5,4
Силан (% от твердых веществ связующего материала)<sup>[d]</sup>
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
<b>Свойства связующего материала</b>
Начало отверждения (°С)
172
173
173
173
170
172
170
170
175
182
174
178
Конец отверждения (°С)
191
193
194
192
192
194
195
192
198
201
199
199
Реакционная убыль (%)
32
34
32
31
33
33
31
31
37
39
38
37
рН 15%-ного раствора
6,2
6,7
6,8
6,8
7,0
7,0
7,1
7,0
8,8
8,8
8,8
8,8
<b>Характеристики водопоглощения</b>
30 сек. по вертикали (%)
23
1
39
43
9
1
34
36
9
2
30
39
1 мин. при погружении (%)
29
4
45
49
24
5
35
40
23
8
40
42
24 часа при погружении (%)
31
25
46
50
35
18
37
42
32
14
43
43
[a]
[b]
[c]
[b]
Относительно компонента (i)+компонента (iii). Молярные массы эквивалентов относительно компонента (i)+компонента (iv). Относительно твердых веществ связующего материала.Силан (Momentive VS-142) был поставлен фирмой Momentive, и был рассчитан как 100% для простоты.
Твердые вещества связующего материала
Содержание связующего материала после отверждения обозначается как «твердые вещества связующего материала». Оно измеряется следующим образом.
Дискообразные образцы из минеральной ваты (диаметр: 5 см; высота 1 см) вырезали из минеральной ваты и подвергли термической обработке при температуре 580°С в течение по меньшей мере 30 минут для удаления всех органических веществ. Твердые вещества связующей смеси измерили распределением образца связующей смеси (люминесцентного, 2 г) на термически обработанном диске из минеральной ваты в контейнере из оловянной фольги. Вес контейнера из оловянной фольги, содержащего диск из минеральной ваты, определили до и непосредственно после добавления связующей смеси. Изготовили два таких диска из минеральной ваты с помещенной на них связующей смесью в контейнерах из оловянной фольги, и нагревали их при температуре 200°С в течение 1 часа. После охлаждения и выдерживания при комнатной температуре в течение 10 минут образцы взвесили, и количества твердых веществ связующего материала рассчитали как среднее значение двух результатов.
Содержание твердых компонентов связующего материала
Содержание каждого из компонентов в данном растворе связующего материала перед отверждением основывается на массе безводных компонентов.
Реакционная убыль
Реакционная убыль определяется как разность между содержанием твердых компонентов связующего материала и твердых веществ связующего материала.
Начало и конец отверждения
Метод определения начала отверждения и конца отверждения включает DMA-измерения (динамического механического анализа).
∅
Разбавлением описанных выше связующих композиций А-Е необходимым количеством воды получили 15%-ный связующий раствор твердых веществ связующего материала. В 15%-ный связующий раствор на 10 секунд погрузили вырезанные и взвешенные стеклянные микроволоконные фильтры из стекла Whatman™ (GF/B, диаметр  150 мм, каталожный № 1821 150) (2,5×1 см). Затем полученный пропитанный связующим материалом фильтр высушили в «сэндвиче», состоящем из (1) металлической пластины массой 0,60 кг и размерами 8×8×1 см, (2) четырех слоев стандартной фильтровальной бумаги, (3) пропитанного связующим материалом стеклянного микроволоконного фильтра, (4) четырех слоев стандартной фильтровальной бумаги, и (5) металлической пластины массой 0,60 кг и размерами 8×8×1 см, в течение приблизительно 2×2 минут, с приложением весовой нагрузки 3,21 кг на верх «сэндвича». В типичном эксперименте вырезанный стеклянный микроволоконный фильтр Whatman™ имел бы массу 0,035 г перед нанесением связующего материала, и 0,125 г после нанесения и высушивания, что соответствует величине загрузки раствора связующего материала 72%. Все DMA-измерения были выполнены с величинами загрузки раствора связующего материала 72±1%.
Результаты DMA-измерений были зарегистрированы на анализаторе Mettler Toledo DMA 1, калиброванном по сертифицированному термометру при температуре окружающей среды и температурам плавления сертифицированных индия и олова. Устройство работало в режиме простого изгиба консоли; с титановыми зажимами; с расстоянием между зажимами 1,0 см; типа температурных сегментов; в температурном диапазоне 40-280°С; при скорости нагревания 3°С/минуту; со смещением 20 мкм; с частотой 1 Гц; в режиме одночастотной генерации. Начало отверждения и конец отверждения оценивались с использованием пакета программ STARe, версия 12.00.
Исследования водопоглощения
Характеристики водопоглощения связующих материалов были исследованы в таблеточном испытании. Для каждого связующего материала были изготовлены две таблетки из смеси связующего материала и дробинок минеральной ваты из процесса прядения минеральной ваты.
Для каждой из связующих композиций А-Е получили 15%-ный раствор твердых связующих материалов, содержащий необходимые количества силана (Momentive VS-142). Образец этого связующего раствора (4,0 г) тщательно смешали с дробинками (20,0 г). Дробинки представляют собой частицы, которые имеют такой же состав расплава, как волокна минеральной ваты, и дробинки обычно рассматриваются как отходы процесса прядения. Дробинки, использованные для таблеточной композиции, имеют размер 0,25-0,50 мм.
∅
∅
Затем полученную смесь перенесли в круглый контейнер из алюминиевой фольги (дно с диаметром =4,5 см, верх с диаметром =7,5 см, высота=1,5 см). Затем смесь плотно спрессовали с помощью подходящего по размеру стеклянного или пластмассового стакана с плоским дном для формирования таблетки с ровной поверхностью. Этим путем изготовили две таблетки из каждого связующего материала. Затем полученные таблетки высушили при температуре 95°С в течение 1 часа, с последующим отверждением при температуре 250°С в течение 1 часа. После охлаждения до комнатной температуры таблетки осторожно извлекли из контейнеров.
∅
Таблетки взвесили, и затем погрузили вертикально в слой воды глубиной 2 см в стеклянном стакане емкостью 250 мл с внутренним диаметром =5,5 см в течение 30 секунд, подняли вертикально вверх и удерживали в этом положении, пока между каплями каждый раз было >10 секунд, с последующим взвешиванием. Затем таблетки полностью погрузили горизонтально в воду на 1 минуту, подняли и выдерживали горизонтально до тех пор, пока между каплями каждый раз было >10 секунд, и затем осторожно повернули в вертикальное положение и выдерживали в этом положении, пока между каплями каждый раз было >10 секунд. Затем таблетки взвесили. Наконец, таблетки оставили лежать горизонтально в воде в течение 24 часов при комнатной температуре, с последующей такой же процедурой стекания по каплям, как указано выше, и затем взвешиванием.
Выводы
Из Таблиц 1 и 2 может быть сделан следующий вывод;
Введение смачивающих агентов оказывает только незначительное (если вообще любое) влияние на характеристики отверждения. Это можно видеть, например, из сравнения условий начала отверждения и конца отверждения С1 с С2/С3/С4 в Таблице 2. Это является благоприятным, так как негативное влияние было бы недостатком.
Подобным образом, величины реакционной убыли также остаются неизменными при добавлении смачивающего агента; значительное увеличение было бы нежелательным.
Данные водопоглощения ясно демонстрируют, что добавление SLES или LAS к новым связующим материалам повышает водопоглощение сравнительно со связующими материалами, не содержащими смачивающий агент.
Из сравнения температур начала и конца отверждения между контрольными связующими материалами и новыми связующими материалами можно видеть, что связующие материалы, использованные в настоящем изобретении, имеют условия отверждения, которые сравнимы со Связующим материалом А из формальдегидных связующих материалов, и являются более низкими, чем для известных не содержащих формальдегид связующих материалов, Связующего материала В.
Из сравнения характеристик водопоглощения между контрольными связующими материалами и новыми связующими материалами можно видеть, что водопоглощение улучшается для связующих материалов согласно настоящему изобретению, когда добавляется SLES.
Пример 3
Испытание на фитотоксичность для растений было проведено, чтобы исследовать влияние связующих материалов, как определено в настоящем изобретении, на рост растений (Связующие материалы С, D и Е). Также были исследованы для сравнения известные связующие материалы, связующие композиции на основе фенола, мочевины и формальдегида (Связующий материал А) и на основе сахара, как определено в патентном документе WO2012/028650 (Связующий материал В).
Все связующие материалы были разбавлены питательным раствором до 3-4 растворов, имеющих следующие концентрации;
- А 0,04%, 0,4%, 4%, 6%
- В 0,04%, 0,4%, 4%
- С 0,04%, 0,4%, 4%, 6%
- D 0,04%, 0,4%, 4%, 6%
- Е 0,04%, 0,4%, 4%, 6%
Не использованную ранее минеральную вату залили 160 мл раствора, высеяли 3 семени и покрыли вермикулитом в каждом горшке. Затем горшки перенесли в камеру для выращивания на неделю. После этого измерили длину первого листа (семядольный лист) и общую всхожесть на горшок (1, 2 или 3 проросших семени). Использовали семена фламинго (огурцов).
Столбиковая диаграмма в Фигуре 1 показывает длину листа в зависимости от концентрации и связующего материала.
Из Фигуры 1 можно видеть, что связующие материалы согласно настоящему изобретению в общем проявляют лучшее влияние на рост растения сравнительно с современными связующими материалами. Когда Контрольный связующий материал А используется с высокими концентрациями 4/6%, рост не наблюдается.
Вышеуказанное испытание повторили на семенах огурцов, но на этот раз с включением простого алкилэфирсульфата натрия в качестве смачивающего агента (SLES). Связующие материалы в комбинации со смачивающим агентом SLES имели следующие концентрации (при соотношении 1 SLES:40 связующего материала)
- связующий материал 0,04% 0,4% 4%
- смачивающий агент (SLES) 0,001% 0,01% 0,1%
Результаты показаны в Фигуре 2. Из Фигуры 2 можно видеть, что связующие материалы согласно настоящему изобретению обеспечивают лучший рост сравнительно со связующими материалами А и В. Когда Контрольный связующий материал А используется с высокими концентрациями 4%, рост не наблюдался.
Пример 4
Измерили многочисленные свойства питательных MMVF-субстратов согласно настоящему изобретению, и сравнили со свойствами известных питательных субстратов. Питательные субстраты согласно настоящему изобретению, называемые как «Новый тампон», «Новый блок» и «Новая пластина», содержали связующую композицию, как здесь описанную (Связующий материал D), и SLES в качестве смачивающего агента. «Контрольный тампон» содержал фенол-формальдегидный связующий материал (Связующий материал А) и Rewopal в качестве смачивающего агента, «Контрольный блок» и «Контрольная пластина» содержали фенол-формальдегидный связующий материал (Связующий материал А) и LAS в качестве смачивающего агента. Тампоны, блоки и пластины имеют размеры и объемы в соответствии с описанными здесь диапазонами.
Результаты тестирования выносливости растений, вымывания формальдегида, удерживания воды, повторного насыщения, распределения воды по высоте и первоначального смачивания показаны ниже в таблице.
Таблица 3
<b>Свойство</b>
<b>Новый тампон против Контрольного тампона</b>
<b>Новый блок против Контрольного блока</b>
<b>Новая пластина против Контрольной пластины</b>
<b>Выносливость растений</b>
Улучшилась (+6%)
Улучшилась (+6%)
Улучшилась (+5%)
<b>Вымывание формальдегида</b>
Улучшилось (-5 мг/л)
Улучшилось (-8 мг/л)
Улучшилось (-5 мг/л)
<b>Удерживание воды (WC-10)</b>
Повысилось (+30%)
Повысилось (+17%)
Повысилось (+5%)
<b>Повторное насыщение</b>
Повысилось (+8%)
Повысилось (+7%)
Повысилось (+2%)
<b>Распределение воды по высоте</b>
Улучшилось
Сравнимое
Сравнимое
<b>Первоначальное смачивание</b>
Сравнимое
Улучшилось
Улучшилось
Выносливость растений
Образцы были приготовлены пропиткой испытательных образцов питательным раствором. После 16 часов образцы были выжаты, и раствор профильтрован для получения экстракта.
Этот экстракт добавили к грануляту первичного минерального волокна, и вырастили рассаду огурцов в климатической камере в течение одной недели. Измерили относительную длину долей, и результаты показаны в первом ряду Таблицы 2. Результаты показывают, что проявляется улучшенная выносливость растений по сравнению с известными системами связующего материала/смачивающего агента.
Вымывание формальдегида
К испытательному образцу добавили буферный раствор и выдерживали в течение 16 часов при температуре 35°С. Раствор профильтровали, и добавили чувствительный к УФ-излучению краситель. Затем образцы проанализировали методом HPLC (ВЭЖХ, высокоэффективной жидкостной хроматографии) с УФ-детектором. Растения чувствительны к высоким концентрациям формальдегида, которые, как известно, негативно влияют на рост и развитие растений. Из вышеуказанных результатов можно видеть, что количество формальдегида в данной композиции связующего материала/смачивающего агента является значительно более низким, чем количество в известных комбинациях связующего материала/смачивающего агента.
Удерживание воды
Тампоны, блоки и пластины, как описанные выше, трижды промыли водой. После этого измерили уровень водоудержания, как описано в патентном документе EP-A-310501. В принципе, образцы насыщают водой и затем укладывают на слой песка. С использованием в качестве контроля середину образца, затем в образце через слой песка создают разрежение в 10 см водяного столба. Через 4 часа образец снимают со слоя песка и взвешивают. На основе измеренной массы в сухом и влажном состоянии и измеренных размеров образцов рассчитывают содержание воды в расчете на объем.
Опять же, результаты в Таблице 2 ясно показывают, что система связующего материала/смачивающего агента имеет улучшенное водоудержание по сравнению с известными системами связующего материала/смачивающего агента.
Повторное насыщение
Повторное насыщение определяется как способность питательного субстрата впитывать воду второй раз после того, как он был смочен и затем высушен. Образцы насытили водой, и затем дали воде стечь, пока образцы не стали иметь общее содержание воды 50%±2%. Затем образцы поместили в контейнер, в котором слой воды имел высоту 5 мм. Через 4 часа образцы извлекли из контейнера и взвесили. Измерили массу после 4 часов, и этот результат вместе с размерами образца дает содержание воды в расчете на объем после 4 часов. Тогда это представляет собой меру способности к повторному насыщению.
Результаты показаны в Таблице 2, и ясно демонстрируют, что повторное насыщение питательных субстратов согласно настоящему изобретению улучшается, когда рассматривается в сравнении с комбинациями связующего материала/смачивающего агента согласно прототипу.
Распределение воды по высоте
Распределение воды по высоте определяется как способность питательного субстрата удерживать воду с более однородной концентрацией на протяжении высоты питательного субстрата, не сосредоточивая ее у основания.
Образцы насытили водой, и затем дали воде стечь, пока образцы не стали иметь общее содержание воды 50%±2%. Затем измерили содержание воды на различных высотах образцов с помощью устройства для измерения содержания воды.
Результаты показаны в таблице 2; можно заключить, что не проявляются существенные различия для пластин и блоков (которые имеют высоту только 6,5 см). Для тампонов отмечено четкое различие с прототипными образцами; тампоны согласно настоящему изобретению имеют лучшее распределение воды по высоте.
Первоначальное смачивание
Образцы взвесили в сухом состоянии, и также измерили их размеры в сухой форме. Образцы опрыскали водой помещением их на оросительную линию и оставлением образцов поглощать воду. После прохождения через все струи брызг взвесили образцы с водой. На основе измеренной сухой массы и измеренных размеров образцов рассчитывают первоначальное смачиванием в расчете на объем.
Для блоков и пластин согласно настоящему изобретению первоначальное смачивание явно улучшается сравнительно с прототипными изделиями. Результаты для тампонов являются сравнимыми.
Кислотостойкость
Кислотостойкость (AT) выражает величину, во сколько раз данный объем связующего материала может быть разбавлен кислотой без того, чтобы смесь становилась мутной (вследствие осадков связующего материала). Для определения критерия остановки в изготовлении связующего материала используется серная кислота, и значение кислотостойкости ниже 4 показывает завершение реакции связующего материала.
Для измерения AT готовят титрант разбавлением 2,5 мл концентрированной серной кислоты (>99%) 1 литром очищенной ионным обменом воды. Затем 5 мл исследуемого связующего материала оттитровывают при комнатной температуре этим титрантом, в то же время удерживая связующий материал в движении взбалтыванием его вручную; но предпочтительно может быть использована магнитная мешалка и магнитный якорек. Титрование продолжают до тех пор, пока в связующем материале не появится легкое помутнение, которое не исчезает при взбалтывании связующего материала.
Кислотостойкость (AT) рассчитывается делением количества (мл) использованной для титрования кислоты на количество (мл) образца:
AT=(использованный для титрования объем (мл))/(объем (мл) образца)