專利名稱：受毛細作用控制的浮性種植體的制作方法
受毛細作用控制的浮性種植體 相關申請的交叉引用
本申請要求2006年6月11日提交的美國專利申請第60/804,438號
的優(yōu)先權。
背景技術：
本發(fā)明涉及浮性種植體(buoyant planter)。具體而言，本發(fā)明涉及受 毛細作用控制的浮性種植體。
在農學科學中，亞表層中的濕潤的植物生長帶被劃分成"飽和帶" 和不飽和帶或"滲流帶"。飽和帶是亞表層中位于或者低于水位的區(qū)域， 該區(qū)域土壤中所有的孔隙空間都被水填充。滲流帶是亞表層中在飽和帶 上面的部分，其含有一些水但不被水飽和。在滲流帶中的土壤顆粒之間 的孔隙空間含有水和氣體的組合。"滲流帶水"(或"滲流水")通過吸濕 力和毛細管力保持在適當位置。特定滲流帶中能夠保持的水的最大量取 決于顆粒尺寸和形狀。進入滲流帶的多余的水(例如，來自降雨)通過重力 穿過滲流帶向下排到飽和帶。陸生植物已經進化成能在滲流帶中茂盛生 長，因為它們需要它們的根部能夠在里面吸收水和空氣的生長介質。相 反，水生植物已經進化成能在飽和帶中茂盛生長；這些植物不需要它們 的根部周圍的填充有空氣的孔隙空間。
背景技術：
的浮性種植體中的生長介質常常太過潮濕而不能種植許多 想要的植物物種，因為這些產品沒有為植物生長提供適合的滲流帶。在 背景技術的實施方式中，水從漂浮有種植體的池塘中供應給生長介質中 的植物。水通過種植體外表面中的孔、篩網或者其它開口進入種植體。 對于這種類型的供水系統(tǒng)，生長介質必須向下延伸到池塘里的水位線下 以獲得水分。生長介質的延伸到水位線下的部分變得被水飽和。這種飽 和帶適合支撐水生植物物種，但是不適合大多數(shù)陸生植物物種和濱水植物物種，這些陸生植物物種和濱水植物物種不能在水飽和條件中生存， 除非向根部提供強制通氣。常規(guī)的浮性種植體通常依靠強制通氣來支持
水培植物的生長；例如，Tepper在美國專利第6,086,755號中描述了他的 用于"通氧的"(oxygenated)(即通氣的)水中的發(fā)明。在某些情況中，隨 著植物長高，種植體被施加負向的浮力，生長介質被推入到更深的水中， 使得隨著植物的成熟而逐漸導致更多的飽和條件。因此，背景技術的漂 浮種植體不能很好地適合種植高或者大的植物。
世界上有很多天然漂浮島嶼的例子。這些天然島嶼中的一些島嶼支 持廣泛的植物類型。這些島嶼的研究顯示它們通過水培方式生長有水生 植物，并且根部生長在死亡根和有機材料的水飽和的混合物中。另外， 這些島嶼生長有需要恒定但不飽和的水分水平的濱水植物。最后，這些 天然島嶼支持需要一些水分的大型陸生植物(例如松樹)的生長，但它 們不能持久地耐受飽和條件?？幽舅蓸淇赡苁沁@一規(guī)律的一個例外?？?木松常見于沿著阿拉斯加東南海岸存在的飽和的苔蘚沼澤中。
通常，天然漂浮島嶼通過隨時間變得更厚而生長。 一個成熟的天然 漂浮島嶼可能具有超過50英尺高的50年樹齡的樹。這些島通過向島體 的頂部和內部增加有機腐質而變得更厚。島的下部邊緣由周期性脫落到 水中的死亡材料組成。這些島的垂直生長模式通常導致島隨著時間的推 移而變得更厚，并伴有滲流帶的相應增厚。通過這種方式，更大的天然 島嶼趨向于支持更大的陸生植物(例如樹)的生長，這些陸生植物因其 根系較大而需要較厚的滲流帶。
天然漂浮島嶼通過在島嶼體內持續(xù)產生氣體而產生其厚的滲流帶。 這些氣體是通過多種類型的天然存在的在構成島體的材料上建立群落的 細菌和其它微生物而產生的。產生的氣體置換島體內的水，從而降低它 的重量并且產生向上的力或者浮力。如果島體由滲透性相對較低的材料 組成，則氣體產生的速率可等于或超過氣體從島體泄漏的速率，導致自 維持性浮力的產生。喜好濕潤但不飽和條件的陸生植物和濱水植物在島 體的這種不飽和帶中茂盛生長。適應了飽和條件的水生植物的根部在天 然漂浮島嶼的飽和帶中生長并穿過該飽和帶。
背景技術：
在美國專利第5,224,292號、第5,528,856號、第5,766,474 號、第5，980,738號、第6,086,755號和第6,555,219號和美國專利申請第 2003/0051398號、第2003/0208954號、第2005/0183331號中有描述；所 述專利和專利申請的公開內容通過參考而以如同在本文中充分闡述的方 式引入。

發(fā)明內容
在一個優(yōu)選的實施方式中，本發(fā)明涉及一種新型的浮性種植體，所 述浮性種植體被構造成支持水生植物、濱水植物和陸生植物的組合的生 長。這一實施方式通過調節(jié)和保持水分水平的寬范圍而克服了現(xiàn)有漂浮 種植體的水分水平的窄范圍，從而提供適合于各種植物類型的多樣生境。 本發(fā)明利用新型的方法復制已經在天然漂浮島嶼的根生長帶中觀察到的 寬范圍的水分條件。
在一個優(yōu)選的實施方式中，本發(fā)明涉及通過除了飽和帶之外還創(chuàng)造 出相對濕潤但不飽和的帶而解決生長介質條件過干或過濕的問題的人造
島嶼。可通過下述方式創(chuàng)造大的不飽和帶將水向上芯吸到湖水位線以 上、或者用氣體置換此前已飽和的帶里的水而使其不飽和、或者通過這 些效應的組合。在本申請全文中，用術語"湖"表示任何水體，包括但 不限于池塘、河流、溪流、或者甚至海洋。
多孔基質、毛細通道、親水性生長介質、和/或良好的微生物生長生 境的組合使得本發(fā)明的優(yōu)選實施方式能提供相對較厚的雙滲流帶
(bi-vadosezone),所述雙滲流帶生物模擬天然漂浮島嶼的相對較厚的滲流 帶，但不是以常規(guī)漂浮種植體進行提供。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中， 雙滲流帶和飽和帶的存在提供了如下植物生長生境，即所述植物生長生 境以生物方式模擬寬范圍的已經在天然漂浮島嶼上觀察到的生長條件， 但不是以常規(guī)漂浮種植體進行提供。
本發(fā)明的優(yōu)選實施方式提供了多種優(yōu)勢。優(yōu)選實施方式保持優(yōu)于背 景技術的實施方式的潮濕的生長環(huán)境，所述背景技術的實施方式經常不 是太干就是太濕。其它優(yōu)選實施方式在遍及寬范圍的島岣出水高度
9(freeboard)的生長介質中保持相對恒定的潮濕度。例如，因為植物向上生 長，島嶼由于附加的植物重量而向水中沉得更深，但是生長介質保持在 水位線之上，從而處在一個相對恒定的潮濕度水平上。
在優(yōu)選實施方式中，本發(fā)明為喜好潮濕而不飽和的條件的植物提供 了理想的生長環(huán)境。這些植物，包括陸生物種和濱水物種，對于下述應 用會比水生植物更優(yōu)選，即在所述應用中，島嶼是為特殊應用(例如水 處理)、或者為特殊的景觀美化項目而設計的。
在其它一些優(yōu)選實施方式中，本發(fā)明對于需要在生長介質的頂部表 面處或該表面附近萌發(fā)的發(fā)芽種子是理想的。對于這些實施方式，生長 介質的頂部是濕潤的；在背景技術的實施方式中，生長介質的頂部趨向 于飽和或者干燥。
在另外一些優(yōu)選實施方式中，本發(fā)明為植物根部的生長提供了 "安 全帶"。所述安全帶是島嶼基質中根部在其中能夠自由生長但是不被魚類 和其他水生食草動物食用的部分。通過這種方式，即使根部暴露的部分(超 出島嶼基質的邊緣)被食用，植物也能夠茂盛生長。換而言之，本申請人 的發(fā)明的優(yōu)選實施方式允許植物茂盛生長并且允許魚類食用。通過使島 嶼變厚，可培育植物，并且通過使島嶼變薄而可增強魚類牧詞。在一項 試驗(2004年在Fergus Falls,明尼蘇達州進行)中，本申請人發(fā)現(xiàn)，在大量 牧飼的魚類的存在下，植物要茂盛生長，需要至少2英寸的基質。
本申請人已經發(fā)現(xiàn)，通常只要對飽和土壤和水進行良好的通氣，并 且只要植物的根莖(即根部和莖部的交界處)不被長時間淹沒，陸生植物就 能夠在被淹沒的土壤中茂盛生長。然而，毛細管，即本說明書所公開的 雙滲流帶設計，消除了任何將植物暴露于任意潛在的不利條件的危險。 通過將水向上芯吸到植物，植物的根部具有在可用的出水高度內的安全 區(qū)，該安全區(qū)中的合適的間隙空間使得能夠進行充分的通氣。通過在7英 寸范圍內提供有效可用的出水高度和給島嶼提供可調控水平的儲備浮 力，優(yōu)選實施方式保護植物的根莖不被淹沒。
在另外一些實施方式中，本發(fā)明在自供水環(huán)境中培育陸生植物，而 沒有外部通氣的要求。這一實施方式使種植明顯更廣泛多樣、并且與濕
10地植物相比具有不同的性能和特征的陸生植物成為可能。因為陸生植物
的數(shù)量多于水生植物，兩者的比例為約9比1，所以本發(fā)明的優(yōu)選實施方 式提供了明顯多于當前可用的多樣性。
在一些優(yōu)選的實施方式中，本發(fā)明的毛細管還表示種植通道。垂直 毛細通道和水平毛細通道的組合允許進行策略性的種植。例如，使用本 說明書公開的系統(tǒng)可容易地實現(xiàn)拼寫出特定名字或推廣標語的植物。
為了擴展這一實施方式的主體，同樣可以再次策略性地使用與高度 完整的基質片材相對應的基質修整料。 一旦注入浮性粘性泡沫，泡沫和 基質都變得更結實。本質上，本發(fā)明的優(yōu)選實施方式使泡沫具有再循環(huán) 聚酯基質的骨骼。通過這種方式，取得了低成本、高容積、可調節(jié)漂浮 力、高表面積的島嶼結構材料。來自島嶼構建的修整料或者來自其它制 造操作的廢棄材料的使用為再利用廢棄聚合物材料提供了 一種途徑，否 則所述廢棄聚合物材料將被送去進行垃圾填埋；因此，包含修整料或廢 料的島嶼產生了相對較低成本的產品，并且通過再循環(huán)廢棄材料而提供 了有益的環(huán)境影響。
本發(fā)明優(yōu)選的實施方式可整合有可調節(jié)剛性的涂層，所述可調節(jié)剛 性的涂層可選地作為紫外(UV)光阻擋層而結合到非織造基質的頂部表 面，以保護非織造基質和聚氨酯泡沫。涂層可為有色的，并且它還提供 粘附性選擇，所述粘附性選擇允許粒料(如砂礫或碾碎的胡桃殼)的附 著。涂層還可以提供額外的阻擋層以阻止阻擋層下面產生的有浮力氣體 的逃逸，這為動態(tài)漂浮島嶼提供浮力?？烧{節(jié)剛性的涂層還可作為人和 機器的人行道或車行道而發(fā)揮作用。
在優(yōu)選的實施方式中，對在我們的墊層袋(bedding pocket)內部和下 面的表面區(qū)域的量進行操控使得使用者能夠針對微生物氣體的生成進行 設計，這進而能夠提供自維持浮力。通過操控剛性涂層之下的表面區(qū)域 的量，設計者能夠幫助本發(fā)明的島嶼具有自維持浮力，同時提供了紫外 線阻擋層，這進而保護聚合物泡沫(例如熱固性或者熱塑性泡沫)和非織造 基質。
可從頂部向下對本發(fā)明優(yōu)選實施方式中的滲流帶供應水，例如利用降雨供應水。另外，可通過毛細作用從底部向上對滲流帶供應水。因為 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的漂浮島嶼的這種"雙向"水供應能力不同于 常規(guī)農業(yè)的滲流帶中的"只從頂部向下"的水供應，所以本申請人設計 了術語"雙滲流"帶來定義本說明書中公開的漂浮島嶼內的不飽和帶。 雙滲流帶包含島體的濕潤但不飽和的部分；也就是說，島體的雙滲流帶 中的孔隙空間含有氣體和水的混合物。就本公開文本而言，即使?jié)B流帶 的底部可能在湖水位線的周圍平面的水平以下，雙滲流帶仍包含在底部 的飽和基質和在頂部的通常是干燥的基質之間的區(qū)域。
本發(fā)明優(yōu)選實施方式的雙滲流帶內的不飽和條件對許多適合采用漂 浮種植體和漂浮島嶼的陸生植物物種和濱水植物物種都是理想的。在這 些實施方式中，隨著植物的生長和島嶼質量的增加，生長介質的水分含 量保持相對穩(wěn)定。優(yōu)選的是，生長介質袋保持潮濕但處于水位線以上， 以在根據(jù)本發(fā)明的漂浮島嶼上具有相對寬范圍的出水高度條件。因為島 嶼能夠在同一個島體內提供有氧帶和無氧帶，因此可將它們用于通過微 生物糾正諸多污染問題；例如，氨去除需要有氧環(huán)境，而硝酸鹽去除需 要缺氧環(huán)境。這樣，可用成品島嶼來提供需氧或者厭氧的水處理而不需 要進行改造。
在一個優(yōu)選實施方式中，本發(fā)明涉及浮性種植體，所述浮性種植休 包含包含纖維的非織造基質體；多個浮性泡沫單元，所述浮性泡沫單 元被整合在所述非織造基質上以形成浮性主體，所述浮性泡沫單元包含 經膨脹、固化的聚合物樹脂，該聚合物樹脂包封部分所述纖維，或者作 為選擇，機械地定位在所述纖維內或附著到所述纖維上，以產生泡沫帶； 和由所述非織造基質體支持的親水性生長介質。優(yōu)選的是，所述泡沫帶 在形狀上為近似球形。優(yōu)選的是，所述浮性單元包被有噴涂聚合物外層 覆蓋物(spray-on polymer outer covering)。優(yōu)選的是，所述非織造基質體和 所述親水性生長介質能夠讓微生物性生物膜建立群落。
優(yōu)選的是，所述浮性種植體還包含具有所述親水性生長介質的雙 滲流帶和/或至少覆蓋部分所述非織造基質體的低滲透性外殼和/或在所 述非織造基質體內的毛細通道。優(yōu)選的是，所述毛細通道選自由完全穿
12透的毛細管和部分穿透的毛細管組成的組。優(yōu)選的是，所述毛細通道含 有選自由下述物質組成的組的芯吸材料親水性生長介質、親水性泡沫、 纖維素海綿、棉和泥炭。優(yōu)選的是，所述親水性生長介質由泥炭、親水 性泡沫和粉碎樹皮的混合物組成。
在另外一個優(yōu)選實施方式中，本發(fā)明是浮性種植體，所述浮性種植 體包含包含纖維的非織造基質體；多個在所述非織造基質體中的基本 垂直的毛細通道，每條所述基本垂直的毛細通道具有上部末端；設在所 述非織造基質體上并與所述上部末端連通的草皮。優(yōu)選的是，每條所述 基本垂直的毛細通道選自由完全穿透的毛細管和部分穿透的毛細管組成 的組。優(yōu)選的是，每條所述基本垂直的毛細通道含有選自由下述物質組 成的組的芯吸材料親水性生長介質、親水性泡沫、纖維素海綿、棉、 泥炭、浮石和硅土。
優(yōu)選的是，所述浮性種植體還包含在所述非織造基質體中的基本 水平的毛細通道。優(yōu)選的是，所述基本水平的毛細通道含有選自由下述 物質組成的組的芯吸材料親水性生長介質、親水性泡沫、纖維素海綿、 棉、泥炭、浮石和硅土。
在另一個優(yōu)選實施方式中，本發(fā)明是一種在湖中種植植物的方法， 該方法包括提供本說明書公開的浮性種植體；在所述親水性生長介質 中種植植物以產生浮性島嶼；和將所述浮性島嶼投放入(laimch)湖中。優(yōu) 選的是，該方法還包括在投放入所述浮性島嶼后，使所述親水性生長 介質暴露于溶解的硝酸鹽，從而在所述親水性生長介質中富集反硝化細 菌。在另一個實施方式中，本發(fā)明涉及一種在湖中種植植物的方法，該 方法包括提供本說明書公開的浮性種植體；和將所述浮性島嶼投放入 湖中。
在一個優(yōu)選實施方式中，本發(fā)明涉及浮性種植體，所述浮性種植體 包含非織造基質纖維體；親水性生長介質；和提供浮力的裝置。在一 個實施方式中，提供浮力的裝置是多個浮性泡沫單元，所述浮性泡沫單 元被整合到所述非織造基質纖維體中以制成浮性主體，并且所述浮性泡 沫單元由經膨脹、固化的聚合物樹脂組成，所述經膨脹、固化的聚合物樹脂包封部分所述纖維以產生泡沫帶。在一個替代性實施方式中，提供 浮力的裝置是由微生物產生的氣體。在一個替代性實施方式中，提供浮 力的裝置是浮性纖維，該浮性纖維組成非織造基質纖維體，并且該纖維 是由具有小于1.0的比重的熱塑性樹脂制造的。在一個替代性實施方式 中，在制造過程中將氣泡引入所述纖維的內部。
在另一個優(yōu)選實施方式中，本發(fā)明涉及浮性種植體，所述浮性種植
體包含外部殼體；和內部填充物；其中該種植體包含底部和側面；其 中該外部殼體由非織造基質組成，其覆蓋在所述種植體的底部和側面上； 并且其中所述內部填充物由親水性生長介質組成。優(yōu)選的是，水水平地 通過所述側面和垂直地通過所述底部而進入所述種植體，并且其中所述 親水性生長介質吸收并向上芯吸水。優(yōu)選的是將所述種植體置于水體上， 該水體具有水平面，并且水被向上芯吸到高于所述水體的水平面的位置， 從而在所述種植體內產生滲流帶。優(yōu)選的是將所述種植體置于水體上， 并且由于來自水體的靜水壓力和親水性生長介質的芯吸作用的組合，水 穿過所述親水性生長介質而向內徑向傳送。
從本發(fā)明的圖示和隨后的優(yōu)選實施方式描述可以明了本發(fā)明的其它 方面。本領域的技術人員應認識到，本發(fā)明可以具有其它實施方式，并 且可在許多方面修改本發(fā)明的細節(jié)而不背離其原理。所以隨后的附圖和 描述應被視為本質上是闡述性的而非限制性的。


通過參考闡述本發(fā)明的目前優(yōu)選的實施方式的附圖將更好地理解本 發(fā)明的特征。
圖1是天然漂浮島嶼的簡化側視截面圖。
圖2是本發(fā)明優(yōu)選實施方式的示意性俯視圖。
圖3是剛投放入水中之后且在氣體產生之前的浮性種植體的優(yōu)選實 施方式的示意性側視截面圖。
圖4是如在圖3中所示的浮性種植體在放入水中后數(shù)周時的示意性 側視截面圖。
14圖5是本發(fā)明第二優(yōu)選實施方式的示意性側視截面圖。
圖6是圖5的實施方式的一部分的放大圖，該放大圖顯示向上移動 的水滴通過完全穿透的毛細通道向上傳送并且遍布親水性生長介質的纖 維。
圖7是本發(fā)明第三優(yōu)選實施方式的分解透視圖。 圖8是圖7的側視截面圖，顯示非織造基質、完全穿透的毛細通道、 草皮和草根。
圖9是本發(fā)明第四優(yōu)選實施方式的俯視圖。
圖IO是圖9的實施方式的示意性側視截面圖，顯示如何使用完全穿 透的毛細管向水平毛細通道供應水。
下列數(shù)字標記用于在附圖中指示本發(fā)明的部分和環(huán)境 1天然漂浮島嶼 2飽和帶 3滲流帶 4干燥帶
5水飽和的島嶼平面，島嶼水平面
6湖水平面，湖水位線
7滲流帶頂部
8陸生植物和濱水植物
9水生植物
10非織造基質，基質
11親水性生長介質，生長介質
12浮性聚氨酯泡沫單元，浮性泡沫單元，浮性泡沫部
13氮氣泡
14雙滲流帶
15可用的出水高度
16向上移動的水滴
17向下移動的水滴
18草皮
1519草根，根部
20水平毛細通道
22浮性種植體，種植體，人造島嶼 24島體
26完全穿透的毛細管，完全穿透的毛細通道 28部分穿透的毛細管，部分穿透的毛細通道 30底部表面 32島嶼表面
具體實施例方式
本發(fā)明的浮性種植體由非織造基質纖維體、親水性生長介質和提供 浮力的裝置組成。在一個實施方式中，提供浮力的裝置通過多個浮性泡 沫單元提供，所述浮性泡沫單元被整合在所述非織造基質中以制成浮性 主體，所述浮性泡沬單元由經膨脹、固化的聚合物樹脂組成，所述經膨 脹、固化的聚合物樹脂包封部分所述纖維以產生泡沫帶。 在另外一個實施方式中，提供浮力的裝置通過由微生物產生的氣體 提供，所述氣體由在種植體內部建立群落的固著生物生成。固著生物主 要由從水體中攝取營養(yǎng)物和有機碳并產生氣體(如二氧化碳、氮和氧)的細 菌、藍細菌和浮游植物組成。這些氣體形成粘附到基質的被浸沒的纖維 上的氣泡，從而向種植體提供升浮力。
在另外一個實施方式中，非織造纖維基質由在水中天然具有浮性的 纖維制成，并且這些浮性纖維為種植體供應了提供浮力的裝置。浮性纖 維由具有小于1.0的比重的熱塑性樹脂制造。合適的熱塑性樹脂的例子包 括聚乙烯和聚丙烯。氣泡視需要可在制造過程中弓I入熱塑性纖維的內部 以進一步減少它們的比重，從而增加纖維能夠提供的浮力。
在另外一個實施方式中，提供浮力的裝置包括下列物質中的兩種以 上物質的組合浮性泡沫單元、由微生物產生的氣體、和浮性纖維。
參考圖1，其中呈現(xiàn)了背景技術的天然漂浮島嶼的簡化側視截面圖， 該截面圖示意性地顯示三種主要水分帶。天然漂浮島嶼1包括飽和帶2、滲流帶3和干燥帶4。如在圖1中所示，天然島嶼產生相對較厚的滲流帶 3，其中島體5中水飽和的平面比湖水平面6低，且滲流帶頂部7高于湖 水位線6。還顯示了陸生和濱水(即非水生)植物8和水生植物9。
2005年10月期間在威斯康星州Rainbow Flowage的一個1英畝漂浮 島嶼上進行的一項研究中，島嶼體內的水平面比湖水位線低約33英寸。 在這33英寸厚的帶中，島嶼的材料濕潤但不飽和。第二個濕潤但不飽和 帶存在于島嶼內高于湖水位線的滲流帶里。這一滲流帶在湖水位線之上 延伸約4英寸。因此，在這一島嶼上的、有數(shù)種非水生植物品種建立群 落的該特定位置，這兩個濕潤而不飽和帶的總厚度是約33英寸+4英寸= 37英寸。島嶼的邊緣是水飽和的，并且有水生植物建立群落。
參考圖2，其中呈現(xiàn)了本發(fā)明一個優(yōu)選實施方式的俯視圖。在這一 實施方式中，浮性種植體或者人造島嶼22包含島體24，所述島體24進 而包含非織造基質10，所述非織造基質10支持親水性生長介質11、陸 生或濱水植物8和水生植物9。
在一個優(yōu)選實施方式中，為漂浮而用浮性泡沫注射非織造基質10以 產生島體24。優(yōu)選的是，將特殊生長介質11的帶設計成促進根生長，并 可選地促進形成向生長介質輸送水的毛細通道?；|IO優(yōu)選為由聚酯纖 維組成，該聚酯纖維經纏繞而形成具有標準厚度和寬度的隨機取向的網 狀物或者"毯狀物"。合適的基質材料的一個制造商是喬治亞州Acworth 的Americo Manufacturing Company, Inc。
優(yōu)選的是通過并排且垂直地連接多片基質以形成島體24，從而確立 浮性種植體22的維度。在一個優(yōu)選的實施方式中，基質10由200旦(denier) 的聚酯纖維組成，所述聚酯纖維經纏繞而形成約1-3/4英寸厚x56英寸寬 的毯狀物?；|10優(yōu)選以連續(xù)的條帶生產并且被切割成約90英尺的長 度以進行運輸。毯狀物的標稱重量優(yōu)選是每平方碼41盎司。在一個優(yōu)選 實施方式中，毯狀物中的聚酯纖維的標稱重量是每平方碼26盎司。優(yōu)選 的是，將水基膠乳粘合劑烘干在纖維上以增加毯狀物的硬度和耐用性。 可通過改變建筑材料和制造工序來調整基質10的特性。例如，纖維的直 徑可從約6旦到300旦變化。粗纖維得到具有相對較小的用于微生物建立群落的表面積的相對較硬的基質，而細纖維得到具有相對較大的用于 微生物建立群落的表面積的相對較軟的基質。
可相對較少地或相對較多地施用膠乳粘合劑以改變基質的耐用性和 重量，可將染料或者顏料添加到粘合劑中以產生具有特定顏色的基質。 膠乳包被的纖維為有益微生物建立群落提供了優(yōu)異的生長基材。可使用
現(xiàn)有的制造技術將毯狀物的厚度從約1/4英寸調整到2英寸?？梢灶A見的 是，在未來可生產較厚的毯狀物，如果可以獲得這些較厚的毯狀物(例如， 3英寸 12英寸厚)，則優(yōu)選這些較厚的毯狀物。
圖3和圖4描述了本發(fā)明的第一優(yōu)選實施方式，其中將氣泡引入到 島體24的預先飽和的部分后，雙滲流帶延伸到湖水位線以下。圖3是剛 放入水中之后且在氣體產生之前的浮性種植體22這一實施方式的側視截 面圖。浮性種植體22由非織造基質10、親水性生長介質11、和浮性聚 氨酯泡沫單元12組成。如在圖3中所示，最初島嶼5中的水飽和平面的 位置與湖水平面6相同。
優(yōu)選的是，通過在壓力下將未固化的液態(tài)聚氨酯樹脂注入多孔基質 10中，從而將內部浮力引入到島體24內。隨后使聚氨酯樹脂在基質10 中原位膨脹并固化以形成浮性泡沫單元12。優(yōu)選的是，選擇注射壓力、 樹脂溫度和泡沫注射機器的注射物料量(shot)體積以提供所需終體積的經 固化的浮性泡沬?？膳渲门菽蕴峁┍榧盎|10的連續(xù)體，或者作為選 擇，可配置泡沫以提供在基質10內的被基質10的非泡沫區(qū)分隔的單獨 的浮性泡沫部12。根據(jù)種植體或者人造島嶼22的具體應用，可從島體 24的頂部、側面或者底部，或者從這些表面的組合注射聚氨酯樹脂。在 一個優(yōu)選的實施方式中，建造基質10以使其具有約8英寸的厚度。
優(yōu)選的是，將具有2.5磅/立方英尺(pcf)的標稱固化密度的未固化的 泡沫樹脂注射到基質10的底部中并穿透到基質10的頂部表面。優(yōu)選的 是，將四秒鐘物料量的未固化的泡沫以約70磅/平方英寸的壓力進行注 射，得到在形狀上近似球形的經固化的泡沫主體，所述主體具有約8英 寸的直徑。球體具有約5.8pcf的密度，由約2.5pcf的聚氨酯泡沫組成， 所述聚氨酯泡沫以具有約3.3 pcf的密度的基質加固?？赏ㄟ^改變樹脂的
18化學配方或者通過改變應用參數(shù)(如溫度和壓力)來調整聚氨酯泡沬的密
度。用于島嶼的泡沫的實用范圍優(yōu)選為約1.0 pcf到25.0pcf。在重視高浮 力和低成本的情況中(例如用于裝飾性水上花園島嶼)，希望的是較輕的 泡沫。在重視高強度和耐用性是情況中(例如在種植體22可能受到小船 碰撞的情況中)，優(yōu)選的是較重密度的泡沫?；|10中的泡沫單元12可 選地包被有噴涂聚氨酯外層覆蓋物以增加耐用性。作為選擇，可使用固 化成堅韌外罩的自覆殼泡沫以提供額外的耐用性。
圖4顯示放入水中數(shù)周后的如在圖3中所示的同一浮性種植體。雙 滲流帶14被繪成在島體24中的虛線邊界之內的區(qū)域。由于在生長介質 ll中水的向上芯吸作用，雙滲流帶14延伸到湖水位線6之上，并且山丁-氣體的產生，雙滲流帶14延伸到湖水位線6之下。非織造基質10和親 水性生長介質11均優(yōu)選以能夠讓微生物性生物膜建立群落的材料制成。 如圖所示，非織造基質IO和親水性生長介質11中的細菌己經產生氮氣 泡13，所述氮氣泡13從基質10和生長介質11中置換了一些水，從而使 種植體22更具浮性。該增加的浮力導致種植體22在水中漂浮得更高(如 在圖4中所示)。所產生的氮氣泡13中的一些氣泡附著到基質10中和生 長介質11中的纖維上，并且氮氣泡13中的一些氣泡逃逸到大氣和湖中 (如方向向上的箭頭所示)。同樣，由于生長介質11的頂部暴露于大氣， 所以氧和其它氣體從大氣通入生長介質11中(如方向向下的箭頭所示)。
在這一實施方式中，陸生或者濱水植物8得以建植，其中它的根生 長到雙滲流帶14中，并且這一植物的根由來自大氣的氧供養(yǎng)。水生植物 9也在雙滲流帶中得以建植，但是它的根優(yōu)先生長到種植體22的飽和部 分和湖中。在這一例子中，氮氣通過利用反硝化細菌將硝酸鹽細菌轉化 成氮氣而產生，這在廢水處理中是一種熟知的方法。
在多次實驗中，本申請人利用8英寸厚的島嶼測得了約為每天每平 方英尺的島嶼表面10.61克硝酸鹽和0.5克磷酸鹽的轉化速率。在許多湖 中，有充足的溶解在湖水中的硝酸鹽，從而可以產生足夠的用于島嶼浮 力的氮氣。在硝酸鹽濃度不足的湖中，可向種植體22施用硝酸鹽肥料， 在種植體22中，硝酸鹽肥料將溶解到島體24中并給細菌和植物的根提
19供硝酸鹽。許多湖還含有能夠在種植體22上建立群落并且產生氣體的天
然存在的細菌。如果想要或者需要，可將補充微生物加到種植體22以引
發(fā)或增加氣體的產生。有大量適合這種應用的商用微生物混合物可以利
用。適合的微生物混合物的一個例子是由科羅拉多州Wellington的KeetonIndustries銷售的AQUATRON。
隨著浮性種植體22成熟，藻類和其它有機物聚集在種植體的外表面上。隨著這種物質積聚，它趨向于形成圍繞種植體22的低滲透性"外殼"，所述低滲透性外殼進而減緩氣體從基質IO和生長介質11中逃逸，導致種植體浮力隨著時間的推移而增加。本申請人己經觀察到，在這一有機外殼已經形成后，陸生植物繼續(xù)在種植體22上茂盛生長，顯示氧轉移到種植體22中的速率保持在足以支持植物呼吸的水平。在一項采用具有25平方英尺的頂部表面面積的2英寸厚的種植體進行的試驗中，在淡水池塘中衰老6個月之后，種植體在水中浮起約1/2英寸高。在這一種植體的頂部表面上可以見到有大量藻類積聚。
可選的是，將低滲透性外殼機械地安裝在種植體22的邊緣上。該外殼可由聚脲、聚氨酯、硅酮、或任何其它相似的低滲透性覆蓋物形成?？蛇x的是，可將外殼用于其它目的，例如人行道或者裝載支持基地(loadsupport base)，例如風力發(fā)電站基地。
參考圖5，其中呈現(xiàn)了本發(fā)明的第二優(yōu)選實施方式的側視截面圖。在這一實施方式中，將特殊的毛細通道26、 28用于使島嶼的雙滲流帶延伸到在湖水位線之上。這一實施方式由非織造基質10、親水性生長介質11、陸生和濱水植物8、浮性聚氨酯泡沫單元12、完全穿透的毛細管26、和部分穿透的毛細管28組成。需要注意的是，親水性生長介質11的底部表面的位置優(yōu)選比島體24中的島嶼水平面5高。在這-實施方式屮，利用毛細作用將水通過毛細管26、 28上拉并供應至親水性生長介質11 。因為親水性生長介質ll的定位高于周圍的湖水平面6，所以湖水只能通過毛細管26、 28進入生長介質11，這導致生長介質11保持潮濕但不被水飽和。當生長介質11潮濕而不飽和時，生長介質11中的孔隙空間的一些空間被水填充，并且孔隙空間的其余空間被空氣填充。這一不飽和但潮濕的環(huán)境為非水生植物提供了理想的生長環(huán)境。
毛細管26、 28可以以任何適合的芯吸材料例如親水性生長介質、纖維素海綿、棉或者泥炭填充。當完全穿透的毛細管26的制造和裝配成本較少時，可優(yōu)選完全穿透的毛細管26 (與部分穿透的毛細管28相比)。當毛細管的材料趨向于逸出開口管的底部時，可優(yōu)選部分穿透的毛細管28 (與完全穿透的毛細管26相比)。只要管的底部在島嶼水平面5之下，
該管在水的芯吸方面就是等效的。
浮性種植體22的可用出水高度15是在湖水位線6和生長介質11的底部表面30之間的垂直高度。隨著植物變得更高和更大，它們將上部重量施加到浮性種植體22上，這使得浮性種植體22在水中沉得更深，從而減少浮性種植體22的可用出水高度15。通過設計具有相對較大的初始可用出水高度15的島嶼，可以使生長介質11隨著浮性種植體22增重并沉得更深而保持為濕潤但不飽和的狀態(tài)。
親水性生長介質11優(yōu)選由泥炭、親水性泡沫和粉碎樹皮的混合物組成。這種材料具有如下有益性質輕質、芯吸水、利于有益微生物建立群落、以及與大多數(shù)植物的根兼容。
可選的毛細通道26、 28優(yōu)選通過切割、模壓、或在基質10中形成垂直開口并以具有良好芯吸特性的材料裝填這些開口而形成。泥炭和/或親水性泡沫是用于形成毛細通道26、 28的優(yōu)選材料的兩個例子。親水性泡沬可由合成泡沫(如聚氨酯)或者天然材料(如纖維素)組成。這些親水性泡沬有一部分孔隙空間由吸收水和轉移水的開放小室組成，并且其余的空隙空間由不吸水的封閉小室組成。開放小室和封閉小室的這種組合導致芯吸水而同時保持相對輕質的材料的形成。實驗表明，在以泥炭和親水性聚氨酯泡沫的混合物填充的毛細通道26、 28中可獲得7英寸的芯吸高度。
參考圖6，其中呈現(xiàn)了圖5的一部分的放大圖，該放大圖顯示向上移動的水滴16通過完全穿透的毛細通道26向上傳送并且遍布親水性生長介質11的纖維。還顯示了通過降雨而被供應到生長介質11的向下移動的水滴17。水滴16、 17在進入生長介質11后，通過生長介質ll橫向擴散(如彎曲的箭頭所示)。因為在這幅圖中的生長介質11的整個體積含有一些水但不足以飽和，所以生長介質11的這一體積可被描述為完全處于雙滲流帶。
參考圖7，其中呈現(xiàn)了本發(fā)明第三優(yōu)選實施方式的分解透視圖。這
一實施方式包含非織造基質10、完全穿透的毛細通道26和草皮18。圖8是圖7的側視截面圖，其中顯示非織造基質10、完全穿透的毛細通道26、草皮18和草根19。如在圖8中所示，草根19優(yōu)先向毛細通道26生長并且生長到毛細通道26中。根19的向水生長的這種天然能力與穿過非織造基質10分布的毛細通道26的存在，提供了高于天然島嶼水平面5的高度上用于建立并維持草皮18的裝置。本申請人已經在實驗性試驗中測定到，當毛細管26占非織造基質10的內部體積的約10%時，草皮將高出湖水位線6七英寸而茂盛生長。
參考圖9，其中呈現(xiàn)了本發(fā)明第四優(yōu)選實施方式的俯視圖。在這一實施方式中，將水平毛細通道20用來在島嶼表面32上建造圖案。水平毛細通道20能夠支持植物生長，并且可種植與在生長介質11中所種植的植物不同種類的植物，從而創(chuàng)造由活的植物組成的圖案。在這個例了-中，圖案表示字母"FII"，該圖案是公司標志。圖10是圖9的實施方式的側視截面圖，其中顯示完全穿透的毛細管26如何被用來向水平毛細通道20供應水?？蓪⑺矫毻ǖ?0制造成具有與生長介質11的顏色形成對比的顏色，從而在植物在水平毛細通道20和生長介質11中長成之前提供原始的對比色圖案。
在另外一個實施方式中，種植體由下列物質組成由非織造基質組成的能夠覆蓋種植體底部和側面的外部殼體；和由親水性生長介質組成的內部填充物。外部殼體發(fā)揮容納親水性生長介質的作用，從而防止生長介質散開并逸入水體。具有滲透性的外部殼體還為水提供進入種植體的內部并與親水性生長介質接觸的手段。在這一實施方式中，水能夠通過側面水平地進入種植體內以及通過底部垂直地進入種植體內。在水穿透外部殼體后，它被親水性生長介質吸收，并且通過生長介質的親水性性質而被向上芯吸。水最后將被垂直芯吸到高于水體正常水平面的位置，從而在種植體中產生滲流帶。同時，由于來自水體的靜水壓力和生長介質的芯吸作用的組合，水將穿過親水性生長介質而向內徑向傳送。
在以上實施方式中描述的各種機構中的任何機構可以結合在單一的
人造島嶼22中以進而擴大島嶼的雙滲流帶。本領域的技術人員會想到本發(fā)明的許多其它變化。某些變化包括水平的毛細管和/或垂直的毛細管。其它一些變化需要引入浮性泡沫單元和/或親水性生長介質。所有這些變化都擬處在本發(fā)明的范圍和實旨內。
雖然某些所示實施方式包括某些特征，本發(fā)明人明確考慮到，本說明書中公開的任何特征可一起釆用或者以與本發(fā)明任何實施方式中的其它特征的結合而采用。同樣想到的還有，任何特征都可能從本發(fā)明的任何實施方式予以明確排除。
權利要求
1. 一種浮性種植體，所述浮性種植體包含包含纖維的非織造基質體；多個浮性泡沫單元，所述浮性泡沫單元被整合到所述非織造基質中以制成浮性主體，所述浮性泡沫單元由經膨脹、固化的聚合物樹脂組成，所述經膨脹、固化的聚合物樹脂包封部分所述纖維以產生泡沫帶；和由所述非織造基質體支持的親水性生長介質。
2. —種浮性種植體，所述浮性種植體包含包含纖維的非織造基質體；多個浮性泡沫單元，所述浮性泡沫單元被整合到所述非織造基質中 以制成浮性主體，所述浮性泡沫單元由經膨脹、固化的聚合物樹脂組成， 所述經膨脹、固化的聚合物樹脂被機械地結合在所述纖維內或所述纖維 上以產生泡沫帶；和由所述非織造基質體支持的親水性生長介質。
3. 如權利要求1所述的浮性種植體，其中所述泡沫帶在形狀上是近 似球形。
4. 如權利要求1所述的浮性植物，其中所述浮性單元包被有噴涂聚 合物外部覆蓋物。
5. 如權利要求1所述的浮性種植體，其中所述非織造基質體和所述 親水性生長介質能夠讓微生物性生物膜建立群落。
6. 如權利要求1所述的浮性種植體，所述浮性種植體還包含 帶有所述親水性生長介質的雙滲流帶。
7. 如權利要求1所述的浮性種植體，所述浮性種植體還包含至少覆蓋部分所述非織造基質體的低滲透性外殼。
8. 如權利要求1所述的浮性植物，所述浮性植物還包含 在所述非織造基質體內的毛細通道。
9. 如權利要求8所述的浮性種植體，其中所述毛細通道選自由下列毛細管組成的組完全穿透的毛細管；和 部分穿透的毛細管。
10. 如權利要求8所述的浮性種植體，其中所述毛細通道含有選自 由下列材料組成的組的芯吸材料親水性生長介質；親水性泡沫；纖維素海綿；棉；泥炭；浮石；和硅土。
11. 如權利要求1所述的浮性種植體，其中所述親水性生長介質由泥 炭、親水性泡沫和粉碎樹皮的混合物組成。
12. —種浮性種植體，所述浮性種植體包含 包含纖維的非織造基質體；多個在所述非織造基質體中的基本垂直的毛細通道，每一條所述基 本垂直的毛細通道都具有上部末端；和設在所述非織造基質體上并且與所述上部末端連通的草皮。
13. 如權利要求12所述的浮性種植體，其中每一條所述基本垂直的 毛細通道都選自由下列毛細管組成的組完全穿透的毛細管；和 部分穿透的毛細管。
14. 如權利要求12所述的浮性種植體，其中每一條所述基本垂直的 毛細通道都含有選自由下列物質組成的組的芯吸材料親水性生長介質； 親水性泡沬； 纖維素海綿； 棉；泥炭；浮石；和硅土。
15. 如權利要求12所述的浮性種植體，所述浮性種植體還包含-在所述非織造基質體中的基本水平的毛細通道。
16. 如權利要求15所述的浮性種植體，其中所述基本水平的毛細通道含有選自由下列物質組成的組的芯吸材料-親水性生長介質；親水性泡沫；纖維素海綿；棉；泥炭；浮石；和硅土。
17. —種在湖中種植植物的方法，所述方法包括提供權利要求1所述的浮性種植體；在所述親水性生長介質中栽培植物以產生浮性島嶼；和將所述浮性島嶼放入所述湖中。
18. 如權利要求17所述的方法，所述方法還包括在投放入所述浮性島嶼之后，將所述親水性生長介質暴露于溶解的硝酸鹽，從而在所述親水性生長介質中富集反硝化細菌。
19. 一種用于在湖中種植植物的方法，所述方法包括提供權利要求1所述的浮性種植體的步驟；在所述親水性生長介質中栽培植物以產生浮性島嶼的步驟；和將所述浮性島嶼投放入所述湖中的步驟。
20. —種用于在湖中種植植物的方法，所述方法包括提供權利要求1或12所述的浮性種植體；和將所述浮性島嶼投放入所述湖中。
21. —種用于在湖中種植植物的方法，所述方法包括提供權利要求1或12所述的浮性種植體的步驟；和將所述浮性島嶼投放入所述湖中的步驟。
22. —種浮性種植體，所述浮性種植體包含(a) 非織造基質纖維體；(b) 親水性生長介質；和(c) 提供浮力的裝置。
23. 如權利要求22所述的浮性種植體，其中所述提供浮力的裝置是多個浮性泡沫單元，所述浮性泡沫單元被整合到所述非織造基質纖維體中以制成浮性主體，并且其中所述浮性泡沫單元由經膨脹、固化的聚合物樹脂組成，所述經膨脹、固化的聚合物樹脂包封部分所述纖維以產生泡沫帶。
24. 如權利要求22所述的浮性種植體，其中所述提供浮力的裝置是由微生物產生的氣體。
25. 如權利要求22所述的浮性種植體，其中所述提供浮力的裝置是浮性纖維，其中所述浮性纖維組成所述非織造基質纖維體，并且其中所述纖維由具有小于1.0的比重的熱塑性樹脂制造。
26. 如權利要求25所述的浮性種植體，其中在制造過程中將氣泡引入到所述纖維的內部。
27. —種浮性種植體，所述浮性種植體包含(a) 外部殼體；和(b) 內部填充物；其中所述種植體包含底部和側面；其中所述外部殼體由非織造基質組成，所述非織造基質覆蓋所述種植體的所述底部和側面；并且其中所述內部填充物由親水性生長介質組成。
28. 如權利要求27所述的浮性種植體，其中水水平地通過所述側面并且垂直地通過所述底部而進入所述種植體，并且其中所述水被所述親水性生長介質吸收和向上芯吸。
29. 如權利要求28所述的浮性種植體，其中所述種植體被置于水體上，其中所述水體有水平面，并且其中所述水被向上芯吸到高于所述水體的所述水平面的位置，從而在所述種植體內產生滲流帶。
30.如權利要求28所述的浮性種植體，其中所述種植體被置于水體上，并且其中由于來自所述水體的靜水壓力和所述親水性生長介質的芯吸作用的組合，所述水穿過所述親水性生長介質向內徑向傳送。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種浮性種植體及其應用。在一個實施方式中，本發(fā)明涉及浮性種植體，其包含包含纖維的非織造基質體；多個被整合到所述非織造基質中以制成浮性主體的浮性泡沫單元，所述浮性泡沫單元由包封部分所述纖維以產生泡沫帶的經膨脹、固化的聚合物樹脂組成；和由所述非織造基質體支持的親水性生長介質。在另一個實施方式中，本發(fā)明涉及浮性種植體，其包含包含纖維的非織造基質體；多個在所述非織造基質體中的基本垂直的毛細通道，每一條所述基本垂直的毛細通道均具有上部末端；和設在所述非織造基質體上并與所述上部末端連通的草皮。
文檔編號B32B5/16GK101466536SQ200780021812
公開日2009年6月24日 申請日期2007年5月25日 優(yōu)先權日2006年6月11日
發(fā)明者布魯斯·G·卡尼亞, 弗蘭克·M·斯圖爾特 申請人:方太海德有限公司