脲醛泡沫塑料的制備及其在水稻育苗中的應(yīng)用

宋德智 張秋萍 張倩茜 張文政

(沈陽(yáng)化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng),110142)

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脲醛泡沫塑料的制備及其在水稻育苗中的應(yīng)用

宋德智 張秋萍 張倩茜 張文政*

(沈陽(yáng)化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng),110142)

摘要：以自制的改性脲醛樹脂膠為原料，分別以十二烷基硫酸鈉(K12)和碳酸鈉為發(fā)泡劑，以磷酸和羧甲基纖維素鈉為固化劑和增韌劑制備了脲醛泡沫板，該泡沫材料的壓縮強(qiáng)度為0.030 MPa，吸水率為1 125%，表觀密度為25.5 kg/m3和導(dǎo)熱系數(shù)為0.068 W/(m·K),脲醛泡沫板在土壤中放置3個(gè)月后，氮元素累計(jì)下降了6.17%，田間育苗試驗(yàn)說(shuō)明脲醛泡沫板可以用作水稻育苗的培養(yǎng)基質(zhì)，還起到緩釋性肥料的作用。

關(guān)鍵詞：脲醛樹脂泡沫塑料發(fā)泡劑水稻育苗

脲醛樹脂泡沫是一種全水基發(fā)泡的高效保溫材料，主要采用物理發(fā)泡法和化學(xué)發(fā)泡法。目前，脲醛泡沫最佳的用途是用作無(wú)土栽培的基質(zhì)。研究[1-2]認(rèn)為采用脲醛泡沫建植草坪具有省工、省水、省肥、省農(nóng)藥且無(wú)病蟲害、雜草的優(yōu)點(diǎn)，成本也比現(xiàn)有的其他基質(zhì)低。但是，到目前為止，脲醛泡沫在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究很少，特別是在水稻育苗中應(yīng)用就更少。以東北三省為例，其水田面積9 600萬(wàn)畝以上，為了育苗，每年要挖掉表層優(yōu)質(zhì)土3 500萬(wàn)cm3，按挖地表土10 cm計(jì)算，相當(dāng)于近45萬(wàn)畝表土被挖走，所以，利用脲醛泡沫作為栽培基質(zhì)，可以徹底解決育苗取土破壞植被及取土難的問(wèn)題。下面利用自制的脲醛樹脂膠進(jìn)行發(fā)泡，制得了脲醛泡沫塑料板，并以該泡沫板為基質(zhì)進(jìn)行了水稻育苗試驗(yàn)，以期為脲醛泡沫板在育苗領(lǐng)域的研究方法和質(zhì)量評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

1試驗(yàn)部分

1.1主要試驗(yàn)原料

甲醛(質(zhì)量分?jǐn)?shù)37%)，尿素，甲酸，氫氧化鈉，磷酸，三聚氰胺，十二烷基硫酸鈉(K12)，碳酸鈉(Na2CO3)，羧甲基纖維素鈉等為化學(xué)純，均購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2脲醛樹脂膠的制備

取甲醛溶液110 g，滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%氫氧化鈉水溶液至pH為7.5。加入尿素44 g，三聚氰胺6 g，在30 min內(nèi)將溫度升高到80 ℃，并在此溫度下保溫30 min；然后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%甲酸水溶液調(diào)整pH為5.2～5.5，在80 ℃下繼續(xù)反應(yīng)直至在40 ℃溫水中出現(xiàn)霧化現(xiàn)象；用質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%氫氧化鈉水溶液調(diào)整pH為7.5，加入尿素16 g，繼續(xù)反應(yīng)30 min；再次將pH調(diào)整至7.5，同時(shí)將溫度降至65 ℃，加入4 g氧化淀粉，保溫反應(yīng)30 min；最后當(dāng)脲醛樹脂迅速冷卻到40 ℃時(shí)，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的羧甲基纖維素鈉水溶液20 g，并將混合液的pH調(diào)至7.0～7.5后出料，將得到半透明乳白色黏性溶液,其中脲醛樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，黏度20～60 s (涂-4杯，25 ℃)。

1.3改性脲醛泡沫板的制備

物理發(fā)泡過(guò)程：發(fā)泡劑在機(jī)械攪拌條件下迅速形成泡沫，然后加入繼續(xù)攪拌直至泡沫體達(dá)到最大量，最后加入脲醛樹脂膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的磷酸固化劑繼續(xù)攪拌均勻后澆注到模具中，進(jìn)行常溫發(fā)泡。

化學(xué)發(fā)泡過(guò)程：將質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的 Na2CO3水溶液加入脲醛樹脂膠中攪拌均勻，然后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的磷酸，之后將混合液澆注到模具中，脲醛樹脂膠在模具中同時(shí)進(jìn)行常溫發(fā)泡和固化過(guò)程。

1.4分析測(cè)試

根據(jù)GB/T 6343—2009，利用廈門雄發(fā)儀器儀表公司XF-1895B型表觀密度測(cè)試儀測(cè)試脲醛泡沫塑料的表觀密度；根據(jù)GB/T 1034—2008，利用杭州研特科技公司YT-Cobb125可勃吸收性測(cè)定儀測(cè)試脲醛泡沫塑料的吸水性；根據(jù)GB/T 8813—1988，利用江蘇天源試驗(yàn)設(shè)備公司TY-8000系列壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測(cè)試脲醛泡沫塑料的壓縮強(qiáng)度；采用江西上饒鳳凰公司 XTL-165-VT型體視顯微鏡和日本電子公司 JSM-6360LV 型掃描電鏡對(duì)脲醛泡沫塑料切片進(jìn)行顯微分析；采用天津英貝爾公司IMDRY3001-Ⅲ型導(dǎo)熱系數(shù)儀測(cè)定脲醛泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)；采用美國(guó)Thermo Flash EA 1112 型有機(jī)元素分析儀測(cè)定脲醛泡沫氮元素含量；根據(jù)ASTMD-1048，利用涂-4杯測(cè)試脲醛樹脂膠的黏度。

1.5 育苗試驗(yàn)

試驗(yàn)采用物理發(fā)泡的脲醛泡沫板物理性能為壓縮強(qiáng)度0.030 MPa，吸水率1 125%，表觀密25.5 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)0.068 W/(m·K)，pH值6.1，氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)23.35%。

使用的水稻品種為綏粳17，水稻施種量為100 g/m2。在脲醛泡沫板上施種，并在表面平鋪1 cm厚的普通黑土作為試驗(yàn)樣本。以在普通黑土上施種，然后再平鋪1 cm厚的普通黑土作為空白樣本。

2結(jié)果與討論

2.1脲醛泡沫板氮元素的變化

脲醛泡沫板中的氮元素可以在土壤中的脲酶等微生物的作用下分解出來(lái)被植物利用，所以脲醛泡沫板既是栽培基質(zhì)也是一種在土壤中的氮元素緩釋型肥料。表1所示是土壤中脲醛泡沫板物理發(fā)泡氮元素含量隨時(shí)間的變化。

表1　脲醛泡沫板的緩釋效果

從表1可以看出：脲醛泡沫在土壤中放置3個(gè)月后，氮元素累計(jì)下降了6.17%。

2.2 脲醛泡沫基質(zhì)的增韌改性

未改性的脲醛泡沫板剛性大，而且樹脂發(fā)泡固化后會(huì)發(fā)生體積收縮，上述兩者共同作用導(dǎo)致脲醛泡沫板內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，形成大量裂紋[如圖1(a)所示]且粉化現(xiàn)象嚴(yán)重，說(shuō)明其韌性不足。制備脲醛樹脂膠時(shí)加入的羧甲基纖維素鈉是一種水溶性的陰離子型線性高分子，具有類似纖維的柔韌性。能達(dá)到增韌泡沫板的效果。

圖1　脲醛泡沫板照片

圖1可以看出，經(jīng)羧甲基纖維素鈉增韌改性的脲醛泡沫板可大幅度彎曲，說(shuō)明增韌改性效果明顯。

2.3脲醛泡沫板的微觀結(jié)構(gòu)

分別采用了物理發(fā)泡法和化學(xué)發(fā)泡法制備了改性脲醛泡沫板。圖2(a),(b)分別是經(jīng)過(guò)以K12和Na2CO3為發(fā)泡劑所得脲醛泡沫的掃描電鏡(SEM)照片，從圖2可以看出，采用K12所得泡沫的空隙大小不均勻，開孔泡較多；而采用Na2CO3為發(fā)泡劑所得泡沫相對(duì)均勻，開孔泡少一些。而從圖3所示的泡沫材料體視顯微鏡照片也可以看出，采用化學(xué)法制得的脲醛泡沫空隙小而均勻。

圖2　脲醛泡沫板SEM照片

圖3　脲醛泡沫板體視顯微鏡照片

2.4脲醛泡沫板的吸水率

脲醛泡沫板的開孔結(jié)構(gòu)能夠儲(chǔ)存營(yíng)養(yǎng)、水分和氧氣，同時(shí)為植物根系生長(zhǎng)提供生長(zhǎng)空間，吸水率是表征脲醛泡沫板性能的重要指標(biāo)。圖4是脲醛泡沫板的吸水率與K12和Na2CO3添加量的變化趨勢(shì)。從圖4可以看出，無(wú)論是采用物理發(fā)泡法還是化學(xué)發(fā)泡法，所得的脲醛泡沫板的吸水率都隨發(fā)泡劑添加量的增加而增大。

2.5板狀脲醛泡沫板的田間試驗(yàn)

以自制的脲醛泡沫板為培養(yǎng)基質(zhì)進(jìn)行水稻育苗試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，A區(qū)的稻苗長(zhǎng)得齊而壯，而B區(qū)則出苗不齊且弱小，這是由于脲醛泡沫板的多孔狀結(jié)構(gòu)具有良好的保溫效果，提高了稻苗根系的溫度，脲醛泡沫降解產(chǎn)生的氮元素可為稻苗提供營(yíng)養(yǎng)，使之生長(zhǎng)迅速。20天后的稻苗高度已經(jīng)適合田間移植。從圖5(b)中可以看出，水稻的根系已經(jīng)穿透并深植于脲醛泡沫板之中，可以從脲醛泡沫板中吸收養(yǎng)分。

圖4 不同發(fā)泡劑對(duì)脲醛泡沫板吸水率的影響

圖5 板狀脲醛泡沫板育苗試驗(yàn)

注：A為脲醛泡沫區(qū)，B為空白樣區(qū)。

3結(jié)論

a)經(jīng)羧甲基纖維素鈉增韌改性的脲醛泡沫板增韌改性效果明顯；與物理方法制備的泡沫板相比，采用Na2CO3為發(fā)泡劑所得泡沫板泡沫空隙相對(duì)小且均勻，開孔泡少。脲醛泡沫板的吸水率隨發(fā)泡劑添加量的增加而增大。

b)改性脲醛泡沫板在土壤中放置了3個(gè)月后，氮元素累計(jì)下降了6.17%，說(shuō)明該脲醛泡沫板不但可以用作水稻育苗的培養(yǎng)基質(zhì)，還起到緩釋性肥料的作用；田間育苗試驗(yàn)表明，采用該泡沫培育的稻苗20天后已經(jīng)適合在田間移植了。

參考文獻(xiàn)

[1]武良,徐秋明,谷佳林. 脲醛泡沫栽培基質(zhì)草坪質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010,8(7)：3781-3784.

[2]谷佳林,徐凱,張東雷,等. 脲醛泡沫基質(zhì)在高羊茅草坪建植中的應(yīng)用研究[J]. 北方園藝，2012，(21)：161-166.

收稿日期：2015-11-04;修改稿收到日期:2016-03-14。

作者簡(jiǎn)介：宋德智，在讀碩士研究生。主要從事高分子材料的合成與加工應(yīng)用。E-mail:149706806@qq.com。 *通信聯(lián)系人,E-mail:zhangwenxheng_0@163.com。

DOI:10.3969/j.issn.1004-3055.2016.03.006

Preparation of Urea-Formaldehyde Foam Plastics and Its Application in Rice Seedling

Song Dezhi Zhang Qiuping Zhang QianqianZhang Wenzheng

(College of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang ,Liaoning,110142)

Abstract：Urea-Formaldehyde(UF) foams were prepared by using sodium dodecyl sulfate (K12)and Na2CO3 as blowing agents， phosphoric acid and sodium carboxymethyl cellulose as curing agent and toughening agent, respectively. The compressive strength of UF foams was 0.030 MPa,and water absorption rate was 1 125%,and apparent density was 25.5 kg/m3 and thermal conductivity was 0.068 W/(m·K). After 3 months in soil, the N element in UF foams was cut down by 6.17 percent. The rice seedling experiment showed that UF foams could be used as both substrates and controlled release fertilizers in rice seeding.

Key words：urea-formaldehyderesin；foam plastic；blowing agent；rice seedling