水凝胶种子及其制备方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 110999595 A(43)申请公布日 2020.04.14

(21)申请号 201911414028.9(22)申请日 2019.12.31

(71)申请人 赵梓权

地址 528400 广东省中山市石岐区学院路1

号

申请人 李伟

(72)发明人 赵梓俨　李伟　赵梓权　万文超　

刘劲鹏　李鹏辉　(74)专利代理机构 深圳中创智财知识产权代理

有限公司 44553

代理人 文言　娄建平(51)Int.Cl.

A01C 1/06(2006.01)C09D 5/14(2006.01)

权利要求书2页 说明书6页

(54)发明名称

水凝胶种子及其制备方法(57)摘要

本发明实施例公开一种水凝胶种子及其制备方法。所述水凝胶种子包括有植物种子和覆盖于植物种子表面的凝胶保护层，所述凝胶保护层至少含有以下成分：经过预处理的二维层状光催化材料；纳米氮化硼球，0.01-0.5g/100ml；营养剂和/或辅助剂，营养剂为5-7g/100ml，辅助剂为20％-30％，以及水。本发明实施例具有显著提高的抗菌性、自修复性和长程保水性。

CN 110999595 ACN 110999595 A

权　利　要　求　书

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1.一种水凝胶种子，其特征在于，包括有植物种子和覆盖于植物种子表面的凝胶保护层，所述凝胶保护层含有以下成分：

经过预处理的二维层状光催化材料，质量浓度不超过15％；纳米氮化硼球，0.01-0.5g/100ml；营养剂和/或者辅助剂，营养剂为5-7g/100ml，辅助剂体积分数为20％-30％；以及水。

2.如权利要求1所述的水凝胶种子，其特征在于：对二维层状光催化材料的预处理包括超声处理、机械搅拌处理、球磨处理中的至少一种处理方式。

3.如权利要求1所述的水凝胶种子，其特征在于，所述纳米氮化硼球用以下组分替换：三价铁盐，0.05-0.1g/100ml；或者，甘油和纳米氮化硼球混合物，0.1-0.5g/100ml。4.如权利要求1至3中任一项所述的水凝胶种子，其特征在于：所述二维层状光催化材料包括纳米非金属光催化材料、非金属掺杂光催化材料、以及非金属复合光催化材料中的至少一种；和/或，

所述辅助剂包括海藻酸钠/丙二醇混合物、琼脂、甘油、明胶、淀粉、纤维素中的至少一种；和/或，

所述营养剂选自氮、磷、钾、硫、钙、镁无机物；氨基酸、多糖机物和微量营养物质中的至少一种。

5.如权利要求4所述的水凝胶种子，其特征在于：所述纳米非金属光催化材料包括氮化碳和氮化硼；和/或者，

所述非金属掺杂光催化材料包括碳掺杂光催化材料和氮掺杂光催化材料；和/或者，所述非金属复合光催化材料包括C3N4/石墨烯组合物或C3N4/SiO2组合物。6.一种水凝胶种子制备方法，其特征在于，包括：对二维层状光催化材料进行超声处理、机械搅拌处理、球磨处理中的至少一种剥离处理后，制备成二维层状光催化材料的质量浓度不超过15％的光催化溶液；

在所述光催化溶液中加入0.01-0.5g/100ml的纳米氮化硼球、水、营养剂和/或辅助剂；将加入了所述纳米氮化硼球、水、营养剂和/或辅助剂的光催化溶液制备成光催化凝胶；

将所述光催化凝胶包覆于植物种子表面，形成凝胶保护层。7.如权利要求6所述的水凝胶种子制备方法，其特征在于，所述纳米氮化硼球用以下组分替换：

三价铁盐，0.05-0.1g/100ml；或者甘油和纳米氮化硼球混合物，0.1-0.5g/100ml。

8.根据权利要求6或7所述的水凝胶种子制备方法，其特征在于，对光催化溶液进行酸碱调和处理，使其pH值为6-8.5。

9.根据权利要求6或7所述的水凝胶种子制备方法，其特征在于，在所述光催化溶液中加入的营养剂为5-7g/100ml，辅助剂的体积分数为20％-30％，机械搅拌转速为100-3500r/min，机械搅拌时长为0.5-1.5小时，超声处理的超声波频率为25Hz-80Hz，球磨处理的球磨转速为2000-10000r/min。

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CN 110999595 A

权　利　要　求　书

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10.根据权利要求6或7所述的水凝胶种子制备方法，其特征在于：在将所述光催化凝胶包覆于植物种子表面以形成凝胶保护层之前，对种子进行消毒处理。

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CN 110999595 A

说　明　书

水凝胶种子及其制备方法

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技术领域

[0001]本发明涉及农业种植技术领域，尤其涉及一种水凝胶种子及其制备方法。背景技术

[0002]农业种植中，种子植物、块根植物等在前期发芽破土阶段，容易受到病虫害的影响。将需要播种的种子置于水凝胶保护层内，可以起到有效保护种子抵御病虫害的作用、供应植物生长所需的营养物质和水，提高植物种子发芽率，保障植物的正常生长。[0003]然而，发明人在实施本发明的过程中发现，现有技术的水凝胶种子，其抗菌性较差、在低温和长程等恶劣环境或气候条件下，水凝胶保护层极易遭到破坏，造成水和营养物质流失。

发明内容

[0004]本发明的目的在于提出一种新的水凝胶种子及其制备方法，以获得显著高的抗菌性、自修复性和长程保水性。[0005]为达此目的，本发明采用以下技术方案：[0006]一种水凝胶种子，包括有植物种子和覆盖于植物种子表面的凝胶保护层，所述凝胶保护层至少含有以下成分：

[0007]经过预处理的二维层状光催化材料，质量浓度不超过15％；[0008]纳米氮化硼球，0.01-0.5g/100ml；[0009]营养剂和/或者辅助剂，营养剂为5-7g/100ml，辅助剂体积分数为20％-30％；[0010]以及水。

[0011]在一些可能的实施方式中，对二维层状光催化材料的预处理包括超声处理、机械搅拌处理、球磨处理中的至少一种处理方式。[0012]在一些可能的实施方式中，所述纳米氮化硼球用以下组分替换：[0013]三价铁盐，0.05-0.1g/100ml；或者，[0014]甘油和纳米氮化硼球混合物，0.1-0.5g/100ml。[0015]在一些可能的实施方式中，所述二维层状光催化材料包括纳米非金属光催化材料、非金属掺杂光催化材料、以及非金属复合光催化材料中的至少一种；和/或，[0016]所述辅助剂包括海藻酸钠/丙二醇混合物、琼脂、甘油、明胶、淀粉、纤维素中的至少一种；和/或，

[0017]所述营养剂选自氮、磷、钾、硫、钙、镁无机物；氨基酸、多糖机物和微量营养物质中的至少一种。

[0018]在一些可能的实施方式中，所述纳米非金属光催化材料包括氮化碳和氮化硼；和/或者，

[0019]所述非金属掺杂光催化材料包括碳掺杂光催化材料和氮掺杂光催化材料；和/或者，

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CN 110999595 A[0020]

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所述非金属复合光催化材料包括C3N4/石墨烯组合物或C3N4/SiO2组合物。

[0021]一种水凝胶种子制备方法，包括：

[0022]对二维层状光催化材料进行超声处理、机械搅拌处理、球磨处理中的至少一种剥离处理后，制备成二维层状光催化材料的质量浓度不超过15％的光催化溶液；[0023]在所述光催化溶液中加入0.01-0.5g/100ml的纳米氮化硼球、水、营养剂和/或辅助剂；

[0024]将加入了所述纳米氮化硼球、水、营养剂和/或辅助剂的光催化溶液制备成光催化凝胶；

[0025]将所述光催化凝胶包覆于植物种子表面，形成凝胶保护层。[0026]在一些可能的实施方式中，所述纳米氮化硼球用以下组分替换：[0027]三价铁盐，0.05-0.1g/100ml；或者[0028]甘油和纳米氮化硼球混合物，0.1-0.5g/100ml。[0029]在一些可能的实施方式中，对光催化溶液进行酸碱调和处理，使其pH值为6-8.5。[0030]在一些可能的实施方式中，在所述光催化溶液中加入的营养剂为5-7g/100ml，辅助剂的体积分数为20％-30％，机械搅拌转速为100-3500r/min，机械搅拌时长为0.5-1.5小时，超声处理的超声波频率为25Hz-80Hz，球磨处理的球磨转速为2000-10000r/min。[0031]在一些可能的实施方式中，在将所述光催化凝胶包覆于植物种子表面以形成凝胶保护层之前，对种子进行消毒处理。

[0032]本发明的实施例通过在水凝胶种子中添加二维层状光催化材料和纳米氮化硼球/三价铁盐，从而获得了显著提高的抗菌性、自修复性和长程保水性，保障了种子在低温、干旱等极端生存环境下的生长，拓展了水凝胶种子的环境气候适应性，可广泛应用于水土保湿、无土栽培、植物生长、种子播种等农业领域及种子播撒、幼芽保护、营养保护剂等园林领域。

具体实施方式

[0033]为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0034]本发明实施例中揭露的数值是近似值，而并非确定值。在误差或者实验条件允许的情况下，可以包括在误差范围内的所有值而不限于本发明实施例中公开的具体数值。[0035]本发明实施例中揭露的数值范围用于表示在混合物中组分的相对量以及其他方法实施例中列举的温度或者其他参数的范围。该数值范围内的一个或者多个数值点在适当的条件下取得。

[0036]光催化材料是具有光催化活性，在光的激发下，可以产生大量氧化物质，用以实现抗菌等功能的材料。

[0037]下面详细描述本实施例提供的水凝胶种子的一个实施例。本实施例主要包括有植物种子和覆盖于植物种子表面的凝胶保护层，所述凝胶保护层至少含有以下成分：[0038]经过预处理的二维层状光催化材料，质量浓度不超过15％；[0039]纳米氮化硼球，0.01-0.5g/100ml；

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营养剂，5-7g/100ml；和/或者辅助剂，体积分数为20％-30％；

[0041]以及水。

[0042]在一些可能的实施方式中，所述纳米氮化硼球还可以用以下组分替换：[0043]三价铁盐，0.05g/100ml；或者[0044]甘油和纳米氮化硼球混合物，0.5g/100ml。[0045]在一些可能的实施方式中，对二维层状光催化材料的预处理包括超声处理、机械搅拌处理、球磨处理中的至少一种处理方式。[0046]在一些可能的实施方式中，所述二维层状光催化材料可包括纳米非金属光催化材料、非金属掺杂光催化材料、以及非金属复合光催化材料中的一种或多种。[0047]在一些可能的实施方式中，所述纳米非金属光催化材料包括氮化碳和氮化硼；和/或者

[0048]所述非金属掺杂光催化材料包括碳掺杂光催化材料和氮掺杂光催化材料；和/或者

[0049]所述非金属复合光催化材料包括C3N4/石墨烯或C3N4/SiO2。[0050]在一些可能的实施方式中，所述辅助剂包括海藻酸钠和丙二醇，所述海藻酸钠和丙二醇的体积比为2：5。

[0051]在一些可能的实施方式中，所述辅助剂包括有琼脂、甘油、明胶、淀粉、纤维素中的至少一种。

[0052]在一些可能的实施方式中，所述营养剂包括氮、磷、钾、硫、钙、镁等无机物，氨基酸、多糖等有机物和微量营养物质中的一种或多种混合，其含量每100ml不超过7g。[0053]本发明实施例所适用的植物种子可以是：[0054]1、粮油作物，如：小麦、谷子、高粱、水稻、大豆、黑豆、绿豆、红小豆种子等；[0055]2、林木果树种子，如：苹果、梨、桃、杏、柿、枣、山楂、葡萄、猕猴桃、樱桃、石榴、核桃、板栗、苦楝、臭椿、梧桐、松树、栾树、皂角、刺槐等种子；[0056]3、蔬菜种子，如：辣椒、茄子、西红柿、菜豆、白菜、萝卜、油菜等种子[0057]4、杂草种子，如：狗尾草、莠草、车前子、香附子、蒲公英等种子；[0058]5、块根，如：甘薯、紫薯、红薯、土豆、何首乌、木薯、甜菜等种子；[0059]6、花卉植物种子，如：茉莉、米兰、栀子、菊花、杜鹃、茶花等种子；[0060]7、扦插植物种子，如：柳、杨、榆、槐、水杉、银杏树等种子。[0061]下面详细描述本发明实施例提供的水凝胶种子的制备方法，所述方法包括以下步骤：

[0062]110、对二维层状光催化材料进行二维层状材料剥离处理后，制备成质量浓度不超过15％的光催化溶液。

[0063]对二维层状光催化材料进行二维层状材料剥离处理，一方面可增加光催化材料的分散性、有利于形成稳定的溶液，保证光催化材料发挥效果；另一方面好还可以保证得到足够细小的颗粒，从而无需再进行透析处理，缩短制备时间。[0064]在一些可能的实施方式中，可通过以下处理方式对所述二维层状材料进行剥离处理：

[0065]超声处理、机械搅拌处理、球磨处理中的一种或多种。

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在一些可能的实施方式中，对光催化溶液进行酸碱调和处理，使其pH值为6-8.5，

以防止其出现腐蚀损害种子的情况。[0067]酸处理中所用酸可以是中强酸，包括硫酸、盐酸、硝酸、醋酸等，[0068]碱处理中的所用碱可以是中强碱，包括氢氧化钠、氢氧化钾等。[0069]超声处理的超声波频率为25Hz-80Hz，[0070]机械搅拌的转速为100-3500r/min，

[0071]球磨处理的球磨转速为2000-10000r/min。[0072]本领域技术人员可以根据实际情况的需要，调整或者选择合适的材料溶液浓度，这样的浓度调整通常是基于已知的调整原则或者经验。[0073]120、在所述光催化溶液中加入纳米氮化硼球、水、营养剂和/或辅助剂。[0074]在一些可能的实施方式中，具体可包括：

[0075]在所述光催化溶液中加入含量为每100ml中营养物质5-7g的营养剂，机械搅拌0.5-1.5小时，转速为100-3500r/min；

[0076]所述光催化溶液中加入纳米氮化硼球和水；[0077]加入体积分数为20％-30％的辅助剂。[0078]在一些实施例中，在光催化水凝胶中加入所述营养物质、功能性物质和辅助剂进行搅拌，以使得充分混合并成型。为便于搅拌操作，较佳的可以选择使用超声处理、机械搅拌处理、球磨处理中的至少一种。

[0079]具体所需要的搅拌处理时间可以根据实际情况而确定或者进行调整，最终获得的光催化水凝胶。[0080]130、将加入了所述纳米氮化硼球、水、营养剂和/或辅助剂的光催化溶液制备成光催化凝胶。[0081]140、将所述光催化凝胶包覆于植物种子表面，形成凝胶保护层。在一些可能的实施方式中，可通过浸泡消毒、熏蒸消毒、或高温杀菌对植物种子表面涂覆光催化凝胶前对其进行消毒处理。[0082]其中：浸泡消毒的溶液可采用浓度为50％-75％的乙醇溶液、浓度为5％-10％的次氯酸钠溶液；熏蒸消毒的溶液可采用浓度为5％-8％的醋酸溶液、无菌水；高温杀菌的温度可设定为100℃-120℃。

[0083]在一些可能的实施方式中，所述纳米氮化硼球可用以下组分替换：[0084]三价铁盐，0.05g/100ml；或者[0085]甘油和纳米氮化硼球混合物，0.5g/100ml。

[0086]本发明的实施例通过在水凝胶种子中添加二维层状光催化材料和纳米氮化硼球/三价铁盐，从而获得了显著提高的抗菌性、自修复性和长程保水性，保障了种子在低温、干旱等极端生存环境下的生长，拓展了水凝胶种子的环境气候适应性。本发明实施例绿色无毒、制备工艺简单、生产成本低、生产效率高，可广泛应用于水土保湿、无土栽培、植物生长、种子播种等农业领域及种子播撒、幼芽保护、营养保护剂等园林领域。[0087]下面基于本发明提供的水凝胶种子及其制备方法，提供若干具体实例以详细说明。

[0088]实施例1：

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1)将C3N4光催化材料进行酸化预处理，实现二维层状材料的剥离。

[0090]在一些实施例中，可使用浓硫酸进行处理，酸化时间12小时后，进行多次过滤洗涤直至溶液变成弱酸或中性(pH值6-7)，经过超声处理，超声时间2小时，超声波频率为40Hz，得到光催化溶液；

[0091]2)光催化溶液中加入含有氮、磷等无机物，氨基酸、多糖等有机物的营养物质，含量为每100ml中营养物质7g，机械搅拌0.5小时，转速为2000r/min；[0092]3)向2)溶液中加入功能性物质和辅助剂，辅助剂的体积分数为30％，包括甘油和琼脂，二者的体积比为10:1，功能性物质为微量级，每100ml加入量为0.05g，功能性物质包括三价铁盐，加入水进行球磨混合，球磨时间为0.5小时，转速为5000r/min，得到光催化水凝胶，水凝胶具有良好的保水性、抗菌性和抗冻性；[0093]4)将小麦种子，进行浸泡，在50％浓度的乙醇溶液中浸泡1分钟消毒之后，进入浓度为5％的次氯酸钠溶液中浸泡2分钟，最后用无菌水进行多次洗涤，之后80℃下迅速烘干；[0094]5)将植物种子加入光催化水凝胶中，得到水凝胶小麦种子。[0095]本实施例制备的水凝胶小麦种子可通过喷洒方式播种。[0096]本发明实施例制备的水凝胶小麦种子的抗菌性能，以及形成的水凝胶的保营养物质和保水的特性，具有广泛应用的潜力，满足绝大多数种子的播种条件，其中铁离子的加入使水凝胶具备自修复能力，加入光催化材料提升水凝胶的抗菌性。本发明实施例制备工艺简单，制作成本低，其制备获得的水凝胶种子，具有良好的抗菌性能和自修复性能，具有保护功能，防止种子播种遭受病虫害的特性，可作为植物保护和抗菌类产品，应用于水土保湿剂、无土栽培、植物生长、种子播种等农业领域，种子播撒、幼芽保护、营养保护剂等园林领域。

[0097]实施例2：

[0098]1)将C3N4/石墨烯光催化材料进行碱化预处理，实现二维层状材料的剥离，使用氢氧化钠溶液进行处理，碱化时间6小时，之后进行多次过滤洗涤直至溶液变成偏中性(pH值7-8.5)，经过过滤干燥之后，重新制备成为溶液，经过超声处理，超声时间1小时，超声波频率为70Hz，得到光催化溶液；

[0099]2)光催化溶液中加入含有氮、磷等无机物，氨基酸、多糖等有机物的营养物质，含量为每100ml中营养物质5g，机械搅拌0.5小时，转速为2000r/min；[0100]3)向2)溶液中加入功能性物质和辅助剂，辅助剂的体积分数为20％，包括海藻酸钠和丙二醇，二者的体积比为2：5，功能性物质为微量级，每100ml加入量为0.01g，功能性包括纳米氮化硼球，加入水进行球磨混合，球磨时间为1小时，转速为5000r/min，得到光催化水凝胶，水凝胶具有优异的抗菌性、低温自修复性、长程保水性；[0101]4)对植物种子土豆块根进行熏蒸消毒，具体可为：将土豆块根在浓度为5％的醋酸溶液下熏蒸5分钟，经过无菌水多次洗涤之后，80℃下迅速烘干；[0102]5)将光催化水凝胶均匀包覆于土豆块根上，实现有效的包覆，得到水凝胶土豆块根。

[0103]本实施例制备的水凝胶土豆块根可通过条播方式播种。[0104]本发明实施例制备的水凝胶土豆块根的抗菌性能，以及形成的水凝胶的保营养物质和保水的特性，具有广泛应用的潜力，满足在高寒、缺水地区的种子的播种和生长需求，

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其中加入纳米氮化硼球，增强水凝胶的刚度和韧性，从而提升自修复能力、抗冻性、耐寒性、长程保水性，加入光催化材料提升水凝胶的抗菌性。本发明实施例制备工艺简单，制作成本低，其制备获得的水水凝胶种子，具有良好的抗菌性能，具有保护功能，防止种子播种遭受病虫害的特性，可作为植物保护和抗菌类产品，应用于水土保湿剂、无土栽培、植物生长、种子播种等农业领域，种子播撒、幼芽保护、营养保护剂等园林领域。[0105]实施例3：

[0106]1)将C3N4/SiO2光催化材料进行球磨预处理，实现二维层状材料的剥离和与SiO2有效复合，球磨时间为2小时，转速为7000r/min，得到C3N4/SiO2光催化溶液；[0107]2)向光催化溶液中继续加入营养物质，含有无机物和多糖等有机物，含量为每100ml中营养物质7g，球磨时间为1小时，转速为5000r/min；[0108]3)向2)溶液中加入功能性物质和辅助剂，辅助剂的体积分数为25％，包括明胶和甘油，二者的体积比为1：7，功能性物质为微量级，每100ml加入量为0.5g，物质包括甘油和纳米氮化硼球混合物，加入水进行球磨混合，球磨时间为0.5小时，转速为5000r/min，得到光催化水凝胶，水凝胶具有良好的抗冻性、抗菌性、自修复性；

[0109]4)将柳条种子在浓度为50％的乙醇溶液下浸泡2分钟消毒，经过无菌水多次洗涤之后，在60℃下迅速烘干；

[0110]5)将柳条浸泡在光催化水凝胶中，实现有效的包覆，得到水凝胶柳条种子。[0111]本实施例制备的水凝胶柳条种子可通过扦插方式播种。[0112]本发明实施例制备的水凝胶柳条种子的抗菌性能，以及形成的水凝胶的保营养物质和保水的特性，具有广泛应用的潜力，能够满足在高温、干旱、寒冷等地区和环境天气的种子播种和生长，延长植物保护和防止营养物质流失，保持长程保水性，其中加入纳米氮化硼球，增强水凝胶的刚度和韧性，从而提升自修复能力、抗冻性、耐寒性、长程保水性；加入甘油，提高水凝胶的保水性、自修复性能、抗冻性；二者结合加入能够有效提高水凝胶的自修复和抗冻性，加入光催化材料提升水凝胶的抗菌性。本发明实施例制备工艺简单，制作成本低，其制备获得的水水凝胶种子，具有良好的抗菌性能，具有保护功能，防止种子播种遭受病虫害的特性，可作为植物保护和抗菌类产品，应用于水土保湿剂、无土栽培、植物生长、种子播种等农业领域，种子播撒、幼芽保护、营养保护剂等园林领域。[0113]注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

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