CN103011947A - 一种悬浮型养分组成物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种悬浮型养分组成物及其制备方法，所述的悬浮型养分组成物包括：发泡化材料、胶体层和养分；所述的发泡化材料，包括淀粉、生物可分解聚酯以及可塑剂，该发泡化材料具有多个孔隙，这些孔隙是由物理发泡剂产生的气泡所形成，以该发泡化材料的总重量计，淀粉的含量为65wt%至75wt%，生物可分解聚酯的含量为15wt%至25wt%，可塑剂的含量为8wt%至13wt%，物理发泡剂的含量为0.5wt%至5wt%；所述的胶体层包覆在发泡化材料的表面；所述的养分分布于发泡化材料中。该悬浮型养分组成物可透过悬浮于水面上释出养分以增加养分于水中之整体均匀性，可以节省电能；制备方法简单，可推广应用，具备显著的经济和社会效益。
Description
技术领域
本发明属于农业技术领域，具体涉及一种悬浮型养分组成物及其制备方法。
背景技术
植物工厂被公认为国际上的设施农业(facility agriculture)中最高级别的发展阶段。植物工厂是一种技术高度密集，不受或很少受自然条件限制的生产方式，其具有无农药使用、操作省力、自动机率化程度高的优点。植物工厂的单位面积产量可达一般土地裁培的几十倍甚至上百倍，因此被认为是解决人口、资源、环境问题的重要途径。植物工厂的核心价值是能够协助提升农业朝向精致化发展，减少环境破坏与增加质量的控管。
植物工厂的主要技术在于水耕栽培、环境控制与生物技术的结合，其中水耕栽培可使作物生长离开土壤，避免地力损失以及连作(continuous cropping)障碍的缺点。具体而言，水耕栽培是直接透过养液(nutrient liquid)提供养分让植物吸收成长，藉此实现无土(soilless)栽培的目标。另外，水耕栽培的好处是方便自动化，且养液可循环使用更可方便随时监控。
一般而言，养液中包括水以及养分，通常是使用马达来循环养液以使养分均匀分散于水中。然而，使用马达将消耗过多的电能，而增加水耕栽培自动化控制的成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种悬浮型养分组成物及其制备方法，该悬浮型养分组成物可透过悬浮于水面上释出养分以增加养分于水中之整体均匀性，可以节省电能；制备方法简单，可推广应用，具备显著的经济和社会效益。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种悬浮型养分组成物，包括：发泡化材料、胶体层和养分；
所述的发泡化材料，包括淀粉、生物可分解聚酯以及可塑剂，该发泡化材料具有多个孔隙，这些孔隙是由物理发泡剂产生的气泡所形成，以该发泡化材料的总重量计，淀粉的含量为65 wt%至75 wt%，生物可分解聚酯的含量为15 wt%至25 wt%，可塑剂的含量为8 wt%至13 wt%，物理发泡剂的含量为0.5 wt%至5 wt%；
所述的胶体层包覆在发泡化材料的表面；
所述的养分分布于发泡化材料中。
所述的悬浮型养分组成物的密度小于1 g/cm3。
所述的养分分布于胶体层中。其中分布于发泡化材料的养分的含量大于分布于胶体层的养分的含量。
一种如上所述的悬浮型养分组成物的制备方法，包括：
（1）将淀粉、生物可分解聚酯、可塑剂以及物理发泡剂混合以形成第一混合物；
（2）将养分加入第一混合物中以形成第二混合物；
（3）将第二混合物进行热压，使物理发泡剂产生气泡，而形成具有多个孔隙的发泡化材料；
（4）进行涂布程序，以使胶体溶液包覆在发泡化材料的表面。
所述的制备方法还包括：在进行涂布程序之前，对发泡化材料进行低温固化程序。
在进行涂布程序之后，对已包覆胶体溶液的发泡化材料进行低温固化程序。
所述的制备方法包括：胶体溶液的制备，其步骤包括：将胶体粉末与液体混合并加热溶解，形成胶体溶液。或将养分加入已加热溶解后的胶体粉末与液体中，形成胶体溶液。
以胶体溶液的总重量计，胶体粉末的含量为1.5 wt%至51 wt%。
本发明的有益效果：本发明的悬浮型养分组成物可透过悬浮于水面上释出养分以增加养分于水中之整体均匀性，可以节省电能；制备方法简单，可推广应用，具备显著的经济和社会效益。
附图说明
图1为本发明悬浮型养分组成物的制造流程示意图。
图2为本发明悬浮型养分组成物的结构示意图。
图3为本发明另一种悬浮型养分组成物的结构示意图。
注：100、100a：悬浮型养分组成物；110：发泡化材料；110P：孔隙；120：胶体层；130：养分；S102、S104、S106、S108：步骤
具体实施方式
图1为本发明一实施例之悬浮型养分组成物的制造流程示意图。图2为本发明一实施例之悬浮型养分组成物的结构示意图。请先参考图1，首先，进行步骤S102，将一淀粉、一生物可分解聚酯、一可塑剂以及一物理发泡剂混合以形成一第一混合物。以第一混合物的总重量计，淀粉的含量为65 wt%至75 wt%，生物可分解聚酯的含量为15 wt%至25 wt%，可塑剂的含量为8 wt%至13 wt%，物理发泡剂的含量为0.5 wt%至5 wt%。
淀粉的功用在于吸附水溶液。举例而言，淀粉例如是玉米粉(corn starch)、树薯、马铃薯或其它适合之淀粉。当然，本发明不以此为限，一般食用级淀粉都可以作为本实施例所用的淀粉。
生物可分解聚酯的功用在于强化机械特性。举例而言，生物可分解聚酯例如是聚丁二酸丁二醇酯(Poly(butylene succinate), PBS)或聚乳酸(Poly Lactic Acid, PLA)。当然，本发明不以此为限，只要是生物可分解的聚酯都可以作为本实施例所用的生物可分解聚酯。
可塑剂的功用在于加工塑型。举例而言，可塑剂例如是甘油与水的混合物或多元醇。当然，本发明不以此为限，只要是生物可分解的可塑剂都可以作为本实施例所用的可塑剂。
物理发泡剂的功用在于产生气体孔洞。举例而言，物理发泡剂例如是尿素(CO(NH2)2)、碳酸氢钠(NaHCO3)、碳酸氢铵(NH4HCO3)或碳酸钙(CaCO3)。上述之物里发泡剂于加热后皆是以产生二氧化碳之气体为例说明，当然，本发明不以此为限。于其它实施例中，只要是加热后可以产生气体的发泡剂皆可作为本实施例所用的物理发泡剂。
再来，进行步骤S104，将一养分加入上述第一混合物中以形成一第二混合物。养分例如是肥料，而肥料的种类可视所欲栽培的作物而定。换言之，本发明并不限定养分的种类。具体而言，可以依照所欲添加的元素种类来决定养分的种类，其例如是氮肥、硼肥、磷肥、钾肥或钙肥等。再者，养分的含量比例可视不同的肥料种类而定。一般来说，养液中的氮肥浓度为120 ppm至300 ppm，养液中的钾肥浓度为40 ppm至150 ppm，养液中的钙肥浓度为100 ppm至260 ppm，确切的肥料浓度会因为作物不同而作调整。在本实施例中，养分于第二混合物中的含量例如为养液中肥料浓度的3至10倍。
在本实施例中，养分例如是一第一型肥料。第一型肥料例如是磷酸氢钾(KH2PO4)、硫酸镁(MgSO4．7H2O)、硫酸锰(MnSO4．4H2O)、硼酸(H3BO3)、四硼酸钠(Na2B4O7．10H2O)、硫酸铜(CuSO4．5H2O)、硫酸锌(ZnSO4．7H2O)、七钼酸铵((NH4)6Mo7O24．4H2O)、尿素(CO(NH2)2)或其任意组合。然而，本发明不限于此，在另一实施例中，养分例如是一第二型肥料。第二型肥料例如是硝酸钙(Ca(NO3)2．4H2O)、氯化钙(CaCl2)、铁-乙二胺四乙酸(Fe-EDTA)、硝酸钾(KNO3)或其任意组合。
接着，进行步骤S106，对第二混合物进行一热挤压制程，以使第二混合物中的物理发泡剂产生气泡，而形成至少一具有多个孔隙110P之发泡化材料110，请参考图2。举例而言，物理发泡剂可以由不同比例之尿素、碳酸氢钠、碳酸氢铵以及碳酸钙组成，上述物理发泡剂在加热后会产生二氧化碳，而且二氧化碳会停留在第二混合物中，以形成具有多个孔隙110P的发泡化材料110。
具体而言，上述热挤压制程例如是将第二混合物导入单螺杆挤压机中进行加工。加工条件例如是四段式加热程序。第一阶段例如是预热以及运送阶段，其温度为110 ℃至115 ℃。第二阶段例如是熔融以及混合阶段，其温度为125 ℃至130 ℃。第三阶段例如是挤压以及混炼阶段，其温度为125 ℃至130 ℃。第四阶段例如是降温以及输出阶段，其温度为105 ℃至110 ℃。另外，螺杆转速例如是40 rpm至50 rpm。换言之，上述热挤压制程例如是在加热第二混合物的同时，挤压第二混合物以使其形成长条状的发泡化材料。然而，本发明并不限定发泡化材料的形状。
接着，可以选择性地进行一切割程序，以将长条状的发泡化材料110切割成多个发泡化颗粒。而且，本发明不限定发泡化颗粒的形状。换言之，发泡化材料110可以是具有任意形状的颗粒。
接着，可以选择性地进行一低温固化程序，以固定发泡化材料的形状。此处，固化的温度例如是-20℃。
再来，进行步骤S108，即，进行一涂布程序，以使一胶体溶液包覆发泡化材料110的表面。其中，进行涂布程序的步骤包括：首先，将一胶体粉末与一25℃至30℃的液体均匀混合后，再缓慢搅拌并进行一加热溶解程序而形成一胶体溶液，其中胶体粉末的含量为1.5 wt%至51 wt%。此处，液体例如是水，而加热溶解程序时的温度例如是介于60℃至80℃。在本实施例中，胶体例如是天然生物胶体或化学合成胶体。天然生物胶体例如是琼脂 (agar)、三仙胶 (xanthan gum)、虫胶(shellac)、关华豆胶(guar gum)、γ-聚麸胺酸(Gamma-polyglutamic Acid)、果胶(pectin)或海藻酸钠(Sodium alginate)。另外，化学合成胶体例如是聚乳酸-甘醇酸(poly (lactic-co-glycolic acid), PLGA)等合成水胶。
在本实施例中，胶体溶液是由胶体粉末以及液体所组成。然而，本发明不限于此。在另一实施例中，为了有助于将发泡化材料110中的养分130释放，可进一步将养分130加入上述已加热溶解后之混合后的胶体粉末与液体中。此时，分布于发泡化材料110的养分130含量例如是大于分布于胶体溶液的养分130含量。
然后，将胶体溶液涂布于已固化之发泡化材料110的表面。举例而言，可以将已固化发泡化材料110投入胶体溶液中，再将表面已覆盖胶体溶液之发泡化材料取出。
在进行涂布程序之后，可再选择性地对已包覆胶体溶液的发泡化材料110进行一低温固化程序，而使胶体溶液形成固化态的胶体层120而包覆其内之发泡化材料110。至此，即可完成本实施例之悬浮型养分组成物100的制造。承上述，本实施例之悬浮型养分组成物100的制造方法简单，因此具有易于加工量产且制造成本低的优点。
在结构上，请再参考图2，本实施例之悬浮型养分组成物100包括一发泡化材料110、一胶体层120一物理发泡剂以及一养分130，其中胶体层120包覆发泡化材料110之表面。发泡化材料110具有多个孔隙110P。养分130分布于发泡化材料110中。有关发泡化材料110的成分请参考前述实施例，于此不再重复叙述。
当将悬浮型养分组成物100放置于水中时，水可渗透进入悬浮型养分组成物100，而悬浮型养分组成物100中的养分130则会因为浓度梯度的影响而由悬浮型养分组成物100慢慢扩散到水中。举例而言，养分130由发泡化材料110经过胶体层120而扩散到水中。此时，透过悬浮型养分组成物100中养分130的含量多寡，可以控制养分130释出于水中的速率。如此一来，本实施例之悬浮型养分组成物100可将养分130缓慢且均匀地释放于水中。
在本实施例中，悬浮型养分组成物100的密度小于等于1 g/cm3。较佳地是，悬浮型养分组成物100的密度例如小于1 g/cm3。据此，悬浮型养分组成物100可悬浮于水面上，此时，养分130可以均匀地扩散到水中，以使水中的养分130浓度一致。
此外，当悬浮型养分组成物100中的养分130的浓度与水中的养分130浓度实质上相同时，悬浮型养分组成物100中的养分130将不再释出于水中。此时，由于悬浮型养分组成物100中的发泡化材料110是由生物可分解的材料组成，因此可以将悬浮型养分组成物100直接掩埋于耕地中，藉由土壤中的微生物将其分解。如此一来，不仅不易造成环境污染，更可以增加耕地的地力。
另外，在其它实施例中，养分130也可以同时分布于发泡化材料110以及胶体层120中，如图3所示。在此实施例中，分布于发泡化材料110的养分130含量大于分布于胶体层120的养分130含量。当悬浮型养分组成物100a被放置于水中时，胶体层120中的养分130会比发泡化材料110中的养分130较快扩散到水中，以进一步缩短养分130释出于水中的时间。具体而言，本实施例之悬浮型养分组成物100a在不使用马达循环养液的前提下，就可以使养分130均匀扩散于养液中。基此，使用本实施例之悬浮型养分组成物100a可具有节省电能并且降低耕种成本的优点。
综上所述，本发明之悬浮型养分组成物透过胶体层包覆发泡化材料，以使发泡化材料中的养分可缓慢释放于水中，以控制水中养分浓度以及养分释出速率。另外，本发明之悬浮型养分组成物可悬浮于水面上，因此当养分扩散至水中时，养分由上而下且均匀地扩散至水中时，以使植物能够持续吸收到养分。此外，本发明之悬浮型养分组成物的成分为生物可分解性，因此使用后可以直接掩埋于土地中以减少环境污染。再者，本发明之悬浮型养分组成物的制造方法具有制造成本低且易于加工量产的特性。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与润饰，故本发明之保护范围当视后附之申请专利范围所界定者为准。
Claims (10)
1. 一种悬浮型养分组成物，其特征在于：所述的悬浮型养分组成物包括：发泡化材料、胶体层和养分；
所述的发泡化材料，包括淀粉、生物可分解聚酯以及可塑剂，该发泡化材料具有多个孔隙，这些孔隙是由物理发泡剂产生的气泡所形成，以该发泡化材料的总重量计，淀粉的含量为65 wt%至75 wt%，生物可分解聚酯的含量为15 wt%至25 wt%，可塑剂的含量为8 wt%至13 wt%，物理发泡剂的含量为0.5 wt%至5 wt%；
所述的胶体层包覆在发泡化材料的表面；
所述的养分分布于发泡化材料中。
2. 根据权利要求1所述的悬浮型养分组成物，其特征在于：所述的悬浮型养分组成物的密度小于1 g/cm3。
3. 根据权利要求1所述的悬浮型养分组成物，其特征在于：所述的养分分布于胶体层中。
4. 根据权利要求1或3所述的悬浮型养分组成物，其特征在于：其中分布于发泡化材料的养分的含量大于分布于胶体层的养分的含量。
5. 一种如权利要求1所述的悬浮型养分组成物的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括：
（1）将淀粉、生物可分解聚酯、可塑剂以及物理发泡剂混合以形成第一混合物；
（2）将养分加入第一混合物中以形成第二混合物；
（3）将第二混合物进行热压，使物理发泡剂产生气泡，而形成具有多个孔隙的发泡化材料；
（4）进行涂布程序，以使胶体溶液包覆在发泡化材料的表面。
6. 根据权利要求5所述的悬浮型养分组成物的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括：
在进行涂布程序之前，对发泡化材料进行低温固化程序。
7. 根据权利要求5所述的悬浮型养分组成物的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括：
在进行涂布程序之后，对已包覆胶体溶液的发泡化材料进行低温固化程序。
8. 根据权利要求5所述的悬浮型养分组成物的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括：胶体溶液的制备，其步骤包括：
将胶体粉末与液体混合并加热溶解，形成胶体溶液。
9. 根据权利要求8所述的悬浮型养分组成物的制备方法，其特征在于：所述的胶体溶液的制备方法包括：
将养分加入已加热溶解后的胶体粉末与液体中，形成胶体溶液。
10. 根据权利要求8或9所述的悬浮型养分组成物的制备方法，其特征在于：以胶体溶液的总重量计，胶体粉末的含量为1.5 wt%至51 wt%。
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