Water storage materials

本発明は植物に対して長期間にわたって水を供給するための水貯蔵性材料に関する。

ＤＥ４４２７２９２Ａ１は初期の根の定着性を改良するリザーバーを提供し、そして水まき操作を節約することができるように、植物の根の領域に天然スポンジを挿入することを提案している。 しかしながら、それにより達成される水貯蔵効果は非常に限定されている。

ＤＥ１９９２０６４１Ａ１に記載されるような混合物から主としてなる水貯蔵性組成物も同様である。 特に、これらの材料が植物の根の領域に配置されるときに、水貯蔵性材料にかかる圧力がその水貯蔵能力の大部分を失わせ、この水貯蔵能力は最初から制限されてしまう。 さらに、このような材料は、その主成分、混合物の源が確実に区別されえないので、汚染物質を含有することがよくある。

水を吸収するときにゲルを形成して、自重の何倍もの水を吸い上げることができる、ポリアクリレート、ポリアクリルアミド、ポリビニルアミン及びそれらの誘導体をベースとする、いわゆる、超吸収剤は、非常に適切な吸水剤である。 このことは、一方で、上述の高吸水性能力によるもので、他方で、吸収剤粒子により保持された貯蔵水は高圧下であっても開放されないことによるものである。 高加圧を受けたときにも、水を吸収する継続的な能力の特性を維持する。

過剰な液体が存在するときに、これらの粒子、通常には、粒状吸水剤は液体を吸い上げそして結合し、そして、乾燥してくると、環境へと貯蔵した水を開放することができる。

いわゆる超吸収剤（たとえば、ＢＡＳＦ ＡＧにより販売されているLuquasorb（商標））の製造者の１つは、大きなパックで供給される粒剤を２〜５０ｇ／ｍ ^２の割合で土壌に導入することを推奨している。 このことは、不十分な灌漑及び有意な程度の乾燥に対する植物の耐性を増加させ、散水操作の必要回数を大きく低減し、結果として水消費量を低減することが意図されている。

超吸収性粒剤を土壌中に導入することのさらなる利点は粒剤材料が水を吸収しそして開放するときにこの材料の粒子の膨張及び収縮により、土壌を緩くするによって記述される。 さらなる効果は根の通気が改良されることによって記述される。

超吸収剤のこれらの効果は確実であるが、実際に、超吸収剤は実用的に使用することが容易ではない。

特に、庭師が粒剤を取り扱うときに、投与量の問題に出くわす。 局所的な過剰投与は植物を隆起させ、又は、最悪の場合には、倒れさせることがある。 このことは、水を吸収するときに生じる超吸収性粒剤材料の粒子の体積の大きな増加によるものである。 さらに、粒剤の凝集物が形成することがあり、この凝集物は粒子のブロッキングにより水吸収能力を低減する。

これまで、配置用の不織布材料の通気性バッグ中のバルクの形態の粒状吸収剤を植物の根の領域に供給することで、この投与量の問題に対処してきた。 しかし、これはせいぜい小面積にわたって使用されるときに有効なだけである。 林間地での使用は、このため、実用的でない。

本発明の目的は、使用される吸水剤に対して最大の水貯蔵能力を達成することができそして小面積及び大面積にわたって正確な投与量で投与することが容易である、水貯蔵性材料を提供することである。

この目的は、上記の水貯蔵性材料が平らな生分解性キャリア材料及び粒状吸水剤を含み、吸水剤の粒子が均一に分布した様式でキャリア材料上に固定されていることで本発明において達成される。

本発明の吸水性材料の場合、キャリア材料上の均一に分布した状態で吸水剤粒子が固定されることで、各粒子が水貯蔵機能を完全に発揮し、そして粒子の凝集が信頼を置いて回避されることを確実にする。 キャリア材料の主たる目的は、特定の領域にわたって粒子を均一に分布させておくことである。

粒子の固定は、たとえば、好ましくは、キャリア材料に、同様の生分解性の接着剤を適用し、その後、その上に、吸水剤粒子を散布することで達成できる。

または、キャリア材料は接着剤を含んでいてもよく、それは吸水剤粒子の適用の前に活性化される。

使用される接着剤は、好ましくは、粒子に対する水のアクセスを容易に可能にするようなものであり、すなわち、接着剤は吸水剤粒子を完全に包囲すべきでなく、又は、吸水剤粒子によって即座に吸い上げられるべく存在する水に対して少なくとも十分に水透過性であるべきである。 キャリア材料自体が接着剤を含むときには、このことは非常に単純に達成される。

水の吸収、及び、続く、貯蔵した水の乾燥環境への開放のプロセスは、特に、上述のいわゆる超吸収剤を吸水剤として使用するときに、所望なだけ頻繁に実質的に行うことができる。

好ましくは、水中で膨潤性である接着剤を用い、それにより、これ自体が吸水性を増加させ、そして水貯蔵性材料の水貯蔵能力を増加させることになる。 水貯蔵性能力に対しするこの寄与は、接着剤に要求される生分解によって、時間とともに自然と低下する。

本発明で使用される接着剤は、水溶性であってもよい。 というのは、植物の根の領域の土壌中に水貯蔵性材料が一旦埋め込まれたら、接着剤はその目的を、通常、達成しており、粒状吸水剤は、その後、土壌自体によって十分な間隔をおいた関係で維持されるからである。

上記のファクターを考えると、適切な接着剤はポリペプチドであり、特に好ましくはコラーゲン加水分解物である。

この場合、特に、平均分子量Ｍｗが１，０００〜２０，０００ダルトン、特に、３，０００〜１５，０００ダルトンであるコラーゲン加水分解物は好ましい。

キャリア材料自体は、生体適合性であり、特に、生分解性である材料から選ばれ、特に適切な材料はポリサッカリド、ポリペプチド又はポリビニルアルコールなどのポリマーである。

特に、コラーゲン、ゼラチン、スターチ又はセルロースなどのバイオポリマーは使用できる。 上記の材料は単独で使用されても又は混合されていてもよい。

これらのポリマーは、また、本発明の水貯蔵性材料がその全体が土壌中に続いて残存することができ、又は、周囲の土壌とともに堆肥化されうるように時間とともに生分解するものであるという追加の利点がある。

本発明で使用されるキャリア材料は、好ましくは、たとえば、販売される植物の球根の周囲を包囲することができるような可とう性の材料の形であり、それにより、長時間にわたって、たとえば、輸送の間に、球根を湿潤させたままにする。

乾燥状態であっても十分な可とう性を示し、所望の様式で、たとえば、球根の周囲を包囲するときに、成形されうる能力を示す水貯蔵性材料は好ましい。 それゆえ、好ましいキャリア材料は可とう性のシート及びフォームシートである。

キャリアの生分解性材料が生来的に可とう性でないならば、可塑剤が添加されてよい。

推奨される物質は、たとえば、レシチン、脂肪、脂肪酸、グリセロール、ジグリセロール、トリグリセロール及びソルビトールなどの低分子量可塑剤である。 他の推奨される物質は特に吸湿性ポリマーである。 というのは、バイオポリマーにとって水がしばしば最良の可塑剤であるからである。 その例は、ポリグリセロール、ポリオキシアルキレン、ポリオキシアルキレンエステル、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ＰＶＦｍ、ＰＶＡｍ、ソルビタンエステル、及び、ＣＭＣなどのセルロース誘導体である。

より好ましくは、キャリア材料は、自己の水貯蔵能力を示し、すなわち、発泡材料、特に、連続気泡発泡材料が好ましくは使用される。

発泡材料は５〜５０ｍｇ／ｃｍ ^３の範囲の乾燥密度を有することが推奨される。 このような材料は、一方で、キャリア材料の重量を最小にしながらも、他方で取扱目的のために十分に高い強度を有するように製造されることができる。

キャリア材料は、または、不織構造又はネットワーク構造の形態であってもよく、それにより、キャリア材料のより大きな表面積が接着剤によって結合される吸水剤の粒子の数を増加させることを可能にする。

本発明の水貯蔵性材料の別の態様において、吸水剤粒子に加えて、キャリア材料上に粒剤肥料が均一に分布される。 吸水剤粒子の固定に関する説明と同一の説明が肥料粒子の固定に対しても適用される。

ここでも、キャリア材料上での肥料粒子の均一な分布は有利な効果を有する。 というのは、このことは土壌に肥沃な物質を均一に広がった状態で供給することを保証するからである。

本発明の水貯蔵性材料は、植物のための、特に、植物容器に植えられた植物のための水貯蔵ベイスンとしての使用に特に適切であり、水貯蔵性材料は土壌への連続的な湿分浸透を確保することができる。 本発明による、キャリア材料上に分布した様式で固定された粒剤吸水剤の使用のために、吸水剤の全能力が水貯蔵効果に使用できる。 というのは、これでは、吸水剤粒子の凝集が起こりえないからである。 逆に、全ての粒子は水貯蔵性を行うために完全に与えられる。 同様に、分布した様式で固定されることができる肥料粒子にも同一のことが適用される。

粗いネットワーク構造などのキャリア材料の特定の構造が使用されるならば、場合により肥料粒子との組み合わせで吸水剤粒子が結合される表面積の増加がある。

キャリア材料の水貯蔵機能自体は、なおも別の水貯蔵効果を示し、そして使用できる水貯蔵性材料は必ずしも加圧下に水を保持しなければならないものでなく、すなわち、それは発泡材料であってよく、たとえば、特に、連続気泡材料であってよく、たとえば、発泡ポリサッカリド、ポリペプチド又はＰＶＡなどである。

使用されるキャリア材料は、それ自体に接着剤を含んでよく、又は、それ自体が接着剤として活性化されることができるものであってもよい。 このため、たとえば、ゼラチンがキャリア材料として使用されるときには、ゼラチンは単に水で濡らすことで接着剤として活性化されることができ、それにより、吸水剤粒子は平らなキャリア材料上に容易に分布されそして濡れたゼラチンによってその上に直接的に固定されることができる。

考えられることとして、比較的に粗い多孔性の連続気泡のフォームであるキャリア材料は使用されてよく、このキャリア材料上で、吸水剤粒子は巨視的な表面に結合するだけでなく、発泡構造の連続気泡の内部にも包含され、接着剤によって固定される。

特に、土壌中に永久に残存することになっている水貯蔵性材料は根の貫通を可能にするものであろう。

本発明のこれらの利点及び他の利点は以下において図面を参照してより詳細に説明される。
図１は参照番号１０で示す水貯蔵性材料を示し、そして平らなキャリア材料１２、特に、発泡ポリペプチドを含み、それはその上部表面に、多数の均一に分布した吸水剤の粒子１４を含む。 この場合、吸水剤の粒子は接着剤、特に、平均分子量が３，０００〜１５，０００ダルトンの範囲にあるコラーゲン加水分解物によって結合されている。 肥料粒子１６も結合されていてよい。

キャリア材料１２は、図２に示すとおり、発泡ポリペプチドであり、そのため、それ自体が超吸収剤の粒子１４の水貯蔵能力に加えて作用する水貯蔵機能を有する。

図３は本発明の水貯蔵性材料の別の態様を示し、この場合、参照番号２０によって示されている。 ここで使用される水貯蔵性材料２０は二次元ネットの形態の平らなキャリア材料を含み、そのネットワーク構造は矩形メッシュを含んでよく、または、他の所望のトポロジーのメッシュを含んでよい。

超吸収剤の粒子２４は平らなキャリア材料２２のネットワーク構造の個々の結合部の間の個々のランドの表面に結合されており、ここでも、使用される接着剤は好ましくは、平均分子量が３，０００〜１５，０００ダルトンの範囲にあるコラーゲン加水分解物である。

吸水剤粒子が均一に分布しそして結合されている平らなキャリア材料を有する本発明の水貯蔵性材料は吸水剤の個々の粒子の全能力を全て利用することができそして互いに凝集しえないという利点を有するだけでなく、キャリア材料が追加の水貯蔵機能を発揮するように調整されうるという利点も有する。 吸収剤粒子に加えて、肥料粒子１６、２６は平らなキャリア材料１２、２２に結合されてよく、均一に分布した様式で存在してよい。

ポリサッカリド、ポリペプチド又はＰＶＡなどの生分解性材料のキャリア材料１２、２２を用いるならば、全体の水貯蔵性材料は崩壊によって完全に分解されるまで土壌中に残存することができ、又は、それは周囲の土壌とともに時間とともに堆肥化されうる。 このような場合、コラーゲン加水分解物を接着剤として使用することが特に推奨される。 というのは、これは土壌中での生分解性に非常に低い耐性を示すからである。

通常に、ポリアクリル酸ポリマー、ポリアクリルアミド、ポリビニルアミン及びそれらの誘導体をベースとする、吸水剤として推奨される超吸収剤は、水貯蔵機能の長期間効果がキャリア材料の分解に要求される時間を超えて長期になるように、生分解性に対して、よりずっと大きな耐性を示すべきである。 上記のポリマーは生体適合性であり、それゆえ、土壌中に永久に残存することができる。

本発明は、以下の実施例を参照してさらに幾つかの態様について詳細に示される。
例１.発泡した平らなキャリア材料の製造 冷水中で高ブルーム数を有する豚皮ゼラチンの細粒を予備的に膨潤させ、次いで、６０℃で溶解させることによって、その１５％溶液を製造する。 その後、溶液を４５℃に冷却し、それを用いて連続通気（装置：Mondomix Mini）によってフォームを製造する。 ４５０ｒｐｍのポンプ速度、７５０ｒｐｍのミキシングヘッド設定及び７５ｍＬの密度設定を用いて、１３０ｍｇ／ｃｍ ^３の湿密度が得られる。 このフォームをスロットダイをとおしてボックス形状の成形型に押し出す。 この発泡したケークを状態設定した空気で乾燥し、その後、２０×２０×０．６ｃｍの大きさのパネルに切断する。 フォームシートの密度は２５ｍｇ／ｃｍ ^３である。

比較的に高価な高品質の豚皮ゼラチンを用いる代わりに、他の品質及び／又は出所のゼラチン、たとえば、骨ゼラチンを使用するときに、機能の大きな損失は生じない。

または、フォーム形成を援助するために使用されるゼラチンを実質的により安価なスターチとともにブレンドすることが可能である。 １０〜２０ｗｔ％又はさらにそれより多量のスターチの含有分はフォーム形成を阻害しない。 逆に、純粋なスターチベースの発泡材料が可能であり、この場合、ゼラチンの含有分はキャリア材料の安定性を改良する。

コラーゲンを源とするキャリア材料の場合には、原料は、その１０〜５５ｗｔ％、好ましくはその２０〜４０ｗｔ％が＜４０，０００ダルトンの分子量Ｍｗを有するように選択される。 この場合、コラーゲンキャリア材料の接着作用は単純な水との接触により誘発されうる。 このことは、もちろん、発泡キャリア材料及び非発泡キャリア材料の両方に当てはまる。

水和状態でのキャリア材料の構造一体性の改良 寸法安定性、特に、水和状態での寸法安定性を改良するために、生分解性の発泡もしくは非発泡キャリア材料はその製造の間に又はそれに続いて架橋されてよい。 架橋のために、適切ないかなる架橋剤を用いてもよい。 この場合に、生分解性は維持されるべきである。 たんぱく質、特に、コラーゲン加水分解物では、適切な架橋剤の例は、アルデヒド、ジアルデヒド、ジイソシアネート、脂肪族及び芳香族ジハロゲン化物、反応性ビニル化合物、活性エステルの形の有機ジカルボン酸、そして、無機架橋剤、ならびに、ホスフェートなどの錯化剤である。 加熱脱水及びＵＶ照射によっても架橋はうまく達成される。 このことは、キャリア材料がフォームのシートの形態であるときにも適用される。

機械特性の所望の改良の程度によって、たとえば、３，０００ｐｐｍ以下のホルムアルデヒドを添加してよい（例３参照）。

２． 本発明の水貯蔵性材料の製造 例１において得られるキャリアシート又は発泡シートを水でスプレーし、そして１０分後、コラーゲン加水分解物の水溶性成分を水性相に通過させる間に、アクリレート超吸収剤の粉末をその上に散布する（１．２５ｇ／１００ｃｍ ^２ ）。 吸収剤がキャリアに結合した後に、全体を乾燥する。 ２０×２０×０．６ｃｍの寸法のフォームシートは約１Ｌの吸水性を示す。 適切な超吸収剤は、たとえば、ＢＡＳＦ ＡＧによってLuquasorb（商標）の商品名で販売される材料である。

吸水能力の比較

２０×２０×０．６ｃｍ ^３の寸法のシートの１つは、たとえば、高さが５０〜１００ｃｍのボックスウッドプラントに完全に適切である。 他方、均一に分布した様式でこのような植物の根の領域に対応する量のバルクの超吸収剤粒子（５ｇ）を導入することは実際上困難であり、しばしば過剰投与となる傾向があり、その結果、植物の定着、根系の土壌中への定着が援助されずに、逆に、妨げられる。

上記の表は、水貯蔵能力に関して、ガーデンモールドよりも、本発明の水貯蔵性材料が優れていることを示す。

３． 本発明のさらなる水貯蔵性材料の製造 例１に記載したのと同様に、１３％のゼラチン、２％のジグリセロール、０．２％の染料（酸化鉄ブラウン）及び１０００ｐｐｍのホルムアルデヒド（ゼラチンをベースとして）を含む溶液を調製する。 この溶液を記載のとおりに発泡させ、その後、スロットダイをとおしてコンベアベルト上に押し出す。 ６ｍｍの厚さのゼラチンフォームを超吸収剤で処理し（１.２５ｇ／１．２５ｃｍ ^２ ）、そして乾燥トンネルで乾燥する。 得られる製品は可とう性であり、そして乾燥状態で変形されうる。

驚くべきことに、このような乾燥した発泡キャリア材料の引張強度は架橋剤の濃度によって若干だけ影響を受けることが判った。 安定性は、むしろ、気泡構造、特に、気泡壁の厚さによって制御される。 これは、発泡されるたんぱく質溶液の濃度を変化させることによって調節できる。 このため、試験サンプル（１０×２．５×２ｃｍ）を破壊するのに必要な力は、初期溶液中のたんぱく質濃度を１０％から１８％に上げるときに、４倍に増加する。

しかし、湿潤状態では、架橋は安定効果を有し、そして材料の生分解性は遅くなる。

得られる材料の水貯蔵能力は例２において達成されたのと実質的に同一である。

４． 本発明によるさらに別の水貯蔵性材料 再生セルロースのスポンジクロス（たとえば、Freudenberg & Co KGによりViledaの商品名で販売されている家庭用クロス）を、５，０００ダルトンの平均Ｍｗを有する５％濃度のコラーゲン加水分解物溶液でスプレーし、超吸収剤で処理し（１．２５ｇ／１．２５ｃｍ ^２ ）、乾燥する。 ここでも、得られる水貯蔵能力は例２及び３の材料と同等である。

図１は本発明の水貯蔵性材料の斜視図である。

図１に示す材料の境界領域の詳細図である。

本発明の水貯蔵性材料の別の態様を示す。