فوم پلی یورتان به عنوان بستر پرورش گیاهان

 

ضرورت حفاظت از مواد غذایی است. به بیان دیگر، فرسایش خاک به یک معضل جهانی تبدیل شده است که اثرات فاجعه باری بر تولید مواد خوراکی خواهد گذاشت. هر ساله بیش از 24 بیلیون تن از خاک در اثر فرسایش از بین می رود. علاوه بر آن، حاصلخیزی خاک یکی دیگر از مشکلاتی است که جهان امروزه با آن مواجه شده است. از این رو، محققان به فکر توسعه فوم هایی با خواص ویژه افتاده اند که از نظر شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیکی بسیار مشابه با خاک عمل می کردند.

گونه به خصوصی از فوم های پلی یورتانی توسط محققان، به عنوان بستر پرورش و کشت گیاهان استفاده شده است که در اینگونه از فوم ها، محصولات غذایی از 2 تا 10 برابر نسبت به گیاهانی که در خاک کاشته می شدند سریعتر رشد می کردند. استفاده از این سیستم ها بسیار کارآمد بود زیرا با بکارگیری حداقل منابع، محصولات بیشتری تولید می شد که جمعیت گسترده تری می توانست از آن تغذیه کند. در این مقاله به این فوم ها و خواص آنها پرداخته خواهد شد.

 

سیستم های هیدروپونیک در حقیقت هنر کشاورزی بدون استفاده از خاک است. در این سیستم ها اغلب از محیط های کشت مصنوعی یا سنتزشده به عنوان بستر کشت گیاهان استفاده می شود که شامل محیط های آلی و معدنی هستند.

مهمترین ویژگی سیستم های هیدروپونیک، توانایی آنها در نگهداشتن مقدار کافی آب و هوا و وجود امکانی برای رشد ریشه و در نتیجه رویش گیاه است. این التزام می تواند توسط بسترهای متفاوتی تامین شود اما در گذشته از پشم شیشه بدین منظور استفاده می شد. با وجود اینکه این ماده بستر مناسبی برای رشد گیاهان بود، اما عمر مفید آن کوتاه (حداکثر 2 تا 3 سال) و مشکل بعدی، دور ریختن مقادیر زیادی از این مواد در طبیعت و عدم شکست یا تجزیه آنها بود. به همین دلیل، توجه ها به سمت بسترهایی معطوف شد که امکان استفاده مجدد از آنها برای مدت زمان طولانی تری وجود داشت.  

لازم به ذکر است که برای استفاده مجدد، بستر (محیط کشت) باید قابلیت ضدعفونی یا استریل شدن داشته باشد، علاوه بر آنکه باید به سادگی خشک شود و حمل آسان باشد؛ همچنین، ساختار آن نباید در اثر استفاده های متوالی دچار شکست شود.

 

با وجود اینکه بسترهای معدنی بخش اعظمی از این بسترهای بدون خاک را شامل می شوند (به دلیل ثبات فرآیند ساخت آنها و ماهیت خنثی محصول اولیه)، اما برای تولید آنها انرژی بالایی مصرف می شد. به عنوان مثال، در فرآیند تولید پشم شیشه مقدار انرژی اولیه بالایی لازم است و برای تولید هر متر مکعب از آن، 167 کیلوگرم کربن دی اکسید در محیط رها می شود.

فوم های پلی یورتانی از این جهت مورد توجه قرار گرفتند زیرا که بستر مناسبی را برای رشد گیاهان فراهم می آوردند و به سادگی امکان استریل کردن آنها و استفاده مجدد از آنها برای پرورش محصولات خوراکی گسترده ای وجود داشت. از این فوم، به عنوان محیط کشت مصنوعی به مدت ده ها سال می تواند مورد استفاده قرار گیرد. تخمین زده شده است که به ازای تولید هر کیلوگرم فوم پلی یورتان بر پایه MDI، 2.95 کیلوگرم کربن دی اکسید ایجاد می شود. این مقدار معادل با 132 کیلوگرم کربن دی اکسید برای تولید هر متر مکعب از فوم با چگالی kg/m³ 45 است.

فوم پلی یورتان هیدروپونیک به خصوص برای کشت میوه ها و سبزیجات یکی از بهترین بسترهای کشت محسوب می شود. برای ایجاد این فوم، از پلیمرهایی فوق جاذب و پلی ال های اصلاح شده از جمله پلیمرهای مالئیک انیدرید، پلی اکسی اتیلن پلی ال یا دی ال ها و ایزوسیانات هایی با گروه های انتهایی پلی اکسی اتیلن پلی ال ها به عنوان افزودنی هایی آب دوست، استفاده می شود. با این وجود، زمانی که پلی ال ها و دیگر اجزای تشکیل دهنده فوم ها (به عنوان مثال، تولوئن دی ایزوسیانات و دی ایزوسیانات های پلیمری) از منابع تجدیدناپذیر یا سوخت های فسیلی تولید شده باشند، کاربرد این فوم ها در صنعت باغبانی محدود می شود. به همین دلیل، استفاده از پلی ال های طبیعی برای تولید این پلی یورتان ها متداول تر است.

پس از سنتز فوم پلی یورتان خواص فیزیکی که شامل موارد زیر است اندازه گیری می شوند:

• چگالی فوم: با توجه به استاندارد ASTM D3574-11 آزمون A، فوم برش زده می شود و چگالی با تقسیم جرم نمونه به حجم آن بدست می آید.
• اندازه سلول ها: با توجه به استاندارد ASTM D3576-15نمونه ای از فوم عمود بر جهت رشد آن برش زده می شود و به کمک آزمون میکروسکوپ نوری، از ساختار فوم عکس برداری می شود و به کمک نرم افزار، اندازه هر کدام از سلول های آن تعیین می گردد.
• جریان هوا: با توجه به استانداردASTM D3574-11 آزمون G، جریان هوا اندازه گیری می شود. از این آزمون می تواند برای تعیین مقدار سلول های باز استفاده شود. جریان هوا در یک فشار ثابت (125 Pa) نگه داشته و مقدار جریان هوا عبوری از نمونه اندازه گیری می شود.
• مقدار آبی که فوم می تواند درون ساختار خود نگه دارد: ابعاد مشخصی از فوم برش زده و توزین می شود، پس از آن نمونه به مدت 24 ساعت درون آب غوطه ور و سپس به مدت 15 دقیقه بیرون از آب قرار داده می شود؛ با تقسیم وزن ها، درصد آب جذب شده بدست می آید.
• نفوذ قطره آب: یک آزمون مفید در علم خاک است که برای تعیین جذب آب در خاک استفاده می شود. قطره آبی دیونیزه شده و رنگی (حاوی 1% بروموفنول بلو) از ارتفاع 1 سانتی متری فوم رها می شود و مدت زمانی که طول می کشد تا این قطره جذب شود اندازه گیری می شود. این آزمون 5 مرتبه تکرار و میانگین آن گزارش می شود. براساس این آزمون، فوم ها را می توان با توجه به میزان آب دوستی تقسیم بندی کرد.
• کاپیلاریته: نمونه ای از فوم تهیه می شود، سپس درون سیستمی خورنده برای مدت معینی غوطه ور می گردد. این آزمون در چندین مرتبه تکرار و جرم نمونه پس از هر مرحله تعیین می شود. ارتفاع آب جذب شده می تواند از روی تغییرات جرم محاسبه شود. آزمون برای سه نمونه انجام می شود و مقدار میانیگین گزارش می شود.