脲醛泡沫塑料的制备及其在水稻育苗中的应用

宋德智 张秋萍 张倩茜 张文政

(沈阳化工大学材料科学与工程学院，辽宁 沈阳,110142)



脲醛泡沫塑料的制备及其在水稻育苗中的应用

宋德智 张秋萍 张倩茜 张文政*

(沈阳化工大学材料科学与工程学院，辽宁 沈阳,110142)

摘要：以自制的改性脲醛树脂胶为原料，分别以十二烷基硫酸钠(K12)和碳酸钠为发泡剂，以磷酸和羧甲基纤维素钠为固化剂和增韧剂制备了脲醛泡沫板，该泡沫材料的压缩强度为0.030 MPa，吸水率为1 125%，表观密度为25.5 kg/m3和导热系数为0.068 W/(m·K),脲醛泡沫板在土壤中放置3个月后，氮元素累计下降了6.17%，田间育苗试验说明脲醛泡沫板可以用作水稻育苗的培养基质，还起到缓释性肥料的作用。

关键词：脲醛树脂泡沫塑料发泡剂水稻育苗

脲醛树脂泡沫是一种全水基发泡的高效保温材料，主要采用物理发泡法和化学发泡法。目前，脲醛泡沫最佳的用途是用作无土栽培的基质。研究[1-2]认为采用脲醛泡沫建植草坪具有省工、省水、省肥、省农药且无病虫害、杂草的优点，成本也比现有的其他基质低。但是，到目前为止，脲醛泡沫在农业领域的研究很少，特别是在水稻育苗中应用就更少。以东北三省为例，其水田面积9 600万亩以上，为了育苗，每年要挖掉表层优质土3 500万cm3，按挖地表土10 cm计算，相当于近45万亩表土被挖走，所以，利用脲醛泡沫作为栽培基质，可以彻底解决育苗取土破坏植被及取土难的问题。下面利用自制的脲醛树脂胶进行发泡，制得了脲醛泡沫塑料板，并以该泡沫板为基质进行了水稻育苗试验，以期为脲醛泡沫板在育苗领域的研究方法和质量评价提供理论依据。

1试验部分

1.1主要试验原料

甲醛(质量分数37%)，尿素，甲酸，氢氧化钠，磷酸，三聚氰胺，十二烷基硫酸钠(K12)，碳酸钠(Na2CO3)，羧甲基纤维素钠等为化学纯，均购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2脲醛树脂胶的制备

取甲醛溶液110 g，滴加质量分数20%氢氧化钠水溶液至pH为7.5。加入尿素44 g，三聚氰胺6 g，在30 min内将温度升高到80 ℃，并在此温度下保温30 min；然后用质量分数20%甲酸水溶液调整pH为5.2～5.5，在80 ℃下继续反应直至在40 ℃温水中出现雾化现象；用质量分数20%氢氧化钠水溶液调整pH为7.5，加入尿素16 g，继续反应30 min；再次将pH调整至7.5，同时将温度降至65 ℃，加入4 g氧化淀粉，保温反应30 min；最后当脲醛树脂迅速冷却到40 ℃时，加入质量分数10%的羧甲基纤维素钠水溶液20 g，并将混合液的pH调至7.0～7.5后出料，将得到半透明乳白色黏性溶液,其中脲醛树脂质量分数为50%，黏度20～60 s (涂-4杯，25 ℃)。

1.3改性脲醛泡沫板的制备

物理发泡过程：发泡剂在机械搅拌条件下迅速形成泡沫，然后加入继续搅拌直至泡沫体达到最大量，最后加入脲醛树脂胶质量分数20%的磷酸固化剂继续搅拌均匀后浇注到模具中，进行常温发泡。

化学发泡过程：将质量分数20%的 Na2CO3水溶液加入脲醛树脂胶中搅拌均匀，然后加入质量分数20%的磷酸，之后将混合液浇注到模具中，脲醛树脂胶在模具中同时进行常温发泡和固化过程。

1.4分析测试

根据GB/T 6343—2009，利用厦门雄发仪器仪表公司XF-1895B型表观密度测试仪测试脲醛泡沫塑料的表观密度；根据GB/T 1034—2008，利用杭州研特科技公司YT-Cobb125可勃吸收性测定仪测试脲醛泡沫塑料的吸水性；根据GB/T 8813—1988，利用江苏天源试验设备公司TY-8000系列压缩强度试验机测试脲醛泡沫塑料的压缩强度；采用江西上饶凤凰公司 XTL-165-VT型体视显微镜和日本电子公司 JSM-6360LV 型扫描电镜对脲醛泡沫塑料切片进行显微分析；采用天津英贝尔公司IMDRY3001-Ⅲ型导热系数仪测定脲醛泡沫的导热系数；采用美国Thermo Flash EA 1112 型有机元素分析仪测定脲醛泡沫氮元素含量；根据ASTMD-1048，利用涂-4杯测试脲醛树脂胶的黏度。

1.5 育苗试验

试验采用物理发泡的脲醛泡沫板物理性能为压缩强度0.030 MPa，吸水率1 125%，表观密25.5 kg/m3，导热系数0.068 W/(m·K)，pH值6.1，氮元素质量分数23.35%。

使用的水稻品种为绥粳17，水稻施种量为100 g/m2。在脲醛泡沫板上施种，并在表面平铺1 cm厚的普通黑土作为试验样本。以在普通黑土上施种，然后再平铺1 cm厚的普通黑土作为空白样本。

2结果与讨论

2.1脲醛泡沫板氮元素的变化

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来被植物利用，所以脲醛泡沫板既是栽培基质也是一种在土壤中的氮元素缓释型肥料。表1所示是土壤中脲醛泡沫板物理发泡氮元素含量随时间的变化。

表1　脲醛泡沫板的缓释效果

从表1可以看出：脲醛泡沫在土壤中放置3个月后，氮元素累计下降了6.17%。

2.2 脲醛泡沫基质的增韧改性

未改性的脲醛泡沫板刚性大，而且树脂发泡固化后会发生体积收缩，上述两者共同作用导致脲醛泡沫板内部产生内应力，形成大量裂纹[如图1(a)所示]且粉化现象严重，说明其韧性不足。制备脲醛树脂胶时加入的羧甲基纤维素钠是一种水溶性的阴离子型线性高分子，具有类似纤维的柔韧性。能达到增韧泡沫板的效果。

图1　脲醛泡沫板照片

图1可以看出，经羧甲基纤维素钠增韧改性的脲醛泡沫板可大幅度弯曲，说明增韧改性效果明显。

2.3脲醛泡沫板的微观结构

分别采用了物理发泡法和化学发泡法制备了改性脲醛泡沫板。图2(a),(b)分别是经过以K12和Na2CO3为发泡剂所得脲醛泡沫的扫描电镜(SEM)照片，从图2可以看出，采用K12所得泡沫的空隙大小不均匀，开孔泡较多；而采用Na2CO3为发泡剂所得泡沫相对均匀，开孔泡少一些。而从图3所示的泡沫材料体视显微镜照片也可以看出，采用化学法制得的脲醛泡沫空隙小而均匀。

图2　脲醛泡沫板SEM照片

图3　脲醛泡沫板体视显微镜照片

2.4脲醛泡沫板的吸水率

脲醛泡沫板的开孔结构能够储存营养、水分和氧气，同时为植物根系生长提供生长空间，吸水率是表征脲醛泡沫板性能的重要指标。图4是脲醛泡沫板的吸水率与K12和Na2CO3添加量的变化趋势。从图4可以看出，无论是采用物理发泡法还是化学发泡法，所得的脲醛泡沫板的吸水率都随发泡剂添加量的增加而增大。

2.5板状脲醛泡沫板的田间试验

以自制的脲醛泡沫板为培养基质进行水稻育苗试验，试验结果如图5所示。从图5可以看出，A区的稻苗长得齐而壮，而B区则出苗不齐且弱小，这是由于脲醛泡沫板的多孔状结构具有良好的保温效果，提高了稻苗根系的温度，脲醛泡沫降解产生的氮元素可为稻苗提供营养，使之生长迅速。20天后的稻苗高度已经适合田间移植。从图5(b)中可以看出，水稻的根系已经穿透并深植于脲醛泡沫板之中，可以从脲醛泡沫板中吸收养分。

图4 不同发泡剂对脲醛泡沫板吸水率的影响

图5 板状脲醛泡沫板育苗试验

注：A为脲醛泡沫区，B为空白样区。

3结论

a)经羧甲基纤维素钠增韧改性的脲醛泡沫板增韧改性效果明显；与物理方法制备的泡沫板相比，采用Na2CO3为发泡剂所得泡沫板泡沫空隙相对小且均匀，开孔泡少。脲醛泡沫板的吸水率随发泡剂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个月后，氮元素累计下降了6.17%，说明该脲醛泡沫板不但可以用作水稻育苗的培养基质，还起到缓释性肥料的作用；田间育苗试验表明，采用该泡沫培育的稻苗20天后已经适合在田间移植了。

参考文献

[1]武良,徐秋明,谷佳林. 脲醛泡沫栽培基质草坪质量综合评价[J]. 安徽农业科学，2010,8(7)：3781-3784.

[2]谷佳林,徐凯,张东雷,等. 脲醛泡沫基质在高羊茅草坪建植中的应用研究[J]. 北方园艺，2012，(21)：161-166.

收稿日期：2015-11-04;修改稿收到日期:2016-03-14。

作者简介：宋德智，在读硕士研究生。主要从事高分子材料的合成与加工应用。E-mail:149706806@qq.com。 *通信联系人,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