聚氨酯緩控釋肥生產工藝開發

馬海生，宮錫余，肖 艷，杜迎輝，宋玉寶，胡 凡

（1. 河北省農業生物技術創新中心，河北 秦皇島 066004；2. 河北省農業廳植物營養與海洋功能肥料重點實驗室，河北 秦皇島 066004；3. 領先生物農業股份有限公司，河北 秦皇島 066004）

化肥是一種十分重要的農業生產資料［1］，施用化肥是提高糧食產量直接有效的措施之一。隨著人口的不斷增長，人們對糧食的需求量日益加大，化肥的使用量也日益增加。然而，肥料的利用率卻較低。據統計，發達國家肥料的平均利用率為50%～60%，氮肥利用率達到50%～70%，而我國氮肥利用率僅為30%～35%，磷肥利用率僅為10%～25%，遠低于發達國家［2］。較低的養分利用率不僅增加了肥料的投用量，更是導致資源浪費和經濟損失，對生態環境也會造成不利影響［3］。緩控釋肥不僅可以有效提高肥料利用率，降低肥料損失，還可以減少施肥次數，降低成本，在保護生態環境方面也起著積極的作用［4］。另外，緩控釋肥養分的釋放與農作物的生長需肥規律相匹配，可以增加農作物的產量［5］。

聚氨酯材料具有優異的力學性能、耐候性以及耐溶劑性等優點，在化工、電子、醫療等眾多領域得到廣泛應用［6］。聚氨酯包膜材料具有熔點低、易于成型、隔水性能較好、不受土壤條件影響等優點，可更好地滿足養分釋放與農作物需肥規律相匹配的要求［7］，得到廣大科研學者的青睞。

1 聚氨酯緩控釋肥膜材反應原理及養分釋放機制

1.1 聚氨酯膜材反應原理

聚氨酯緩控釋肥是一種物理阻礙控制釋放型肥料，由顆粒內核和外層包膜組成。外層聚氨酯包膜是由多異氰酸酯與多元醇等原料合成的聚合物，反應方程式為：

異氰酸酯易與水發生副反應，反應方程式為：

在生產過程中，包膜設備內進入水蒸氣或肥芯顆粒表面水分未完全烘干，均會引發異氰酸酯與水的反應，最終導致原料在尿素顆粒表面不能正常反應，若水蒸氣量稍大，將導致產品質量嚴重不合格。

1.2 養分釋放機制

一般來說，聚氨酯緩控釋肥釋放機制可以用擴散原理解釋［8-9］。水分子不斷通過包膜層滲透進入肥料顆粒內核，并溶解內部養分，在包膜內外兩側形成一定的濃度梯度。包膜內側肥料養分則在滲透壓的作用下不斷釋放出來，提供給農作物。整個釋放周期內，釋放累計量隨時間呈現出S 型曲線規律。可將其大致分為3 個階段，初期基本上沒有養分的釋放，中期養分大量釋放，末期釋放量又減少。包膜材料組分、膜層厚度以及膜層孔隙度等是影響養分釋放速率的最主要因素，決定著緩控釋肥的質量以及釋放周期。通過調節上述因素，可以使緩控釋肥養分的釋放與不同農作物生長需肥規律相匹配，滿足作物不同生長階段的養分需求。

2 聚氨酯緩控釋肥生產工藝

領先生物農業股份有限公司（以下簡稱公司）原緩控釋肥生產工藝為間歇式，自動化程度低，膜材包裹不均，產品質量不穩定，原材料損失嚴重，產量低，成本較高。為了解決以上問題，公司開發出了一套新的連續式緩控釋肥生產工藝，減少了人為操作誤差，反應參數控制更加精密，提高了生產效率，降低了生產成本。采用該工藝，通過更改膜材配方及參數，可生產不同類型及不同釋放期的緩控釋肥料產品。

連續式緩控釋肥生產工藝主要分為原料給料工序、包膜工序以及包裝工序。包膜工序是整個生產工藝中最重要的部分。原料給料工序為包膜工序提供定量的、粒徑合格的肥芯原料，肥芯原料在包膜工序與膜材混合形成聚氨酯包膜，包裝工序完成對包膜產品的降溫以及包裝等操作。

聚氨酯緩控釋肥生產工藝流程見圖1。

圖1 聚氨酯緩控釋肥生產工藝流程

2.1 原料給料工序

自原料倉庫運輸來的肥芯原料由1#斗提機運輸至篩分機，篩分后，合格原料由2#斗提機輸送至可計量式原料倉內，不合格物料由篩分機兩側進入接料盤。當進入原料倉內的料量達到設定值后，2#斗提機、篩分機、1#斗提機因連鎖先后停止運行，原料倉底部出口閥門自動開啟，肥芯原料被運輸至包膜工序。

2.2 包膜工序

包膜工序分為干燥系統和包膜系統兩部分。來自原料給料工序的肥芯原料在干燥系統內進行圓潤處理并被加熱至反應所需溫度，然后進入包膜系統。在包膜設備內，經過精確計量的帶有羥基的A料、帶有異氰酸酯基的B 料以及其他添加劑在肥芯顆粒外表面充分混合并發生化學反應，生成聚氨酯包膜層。反應結束后，包膜肥料被運輸至包裝工序。

2.3 包裝工序

若包膜肥料溫度較高，堆積后會導致產品結塊，影響產品質量。包裝工序設有冷卻系統，經過降溫的包膜肥料由包裝斗提機運輸至自動包裝機進行包裝，得到緩控釋肥產品。

3 緩控釋肥性能評價

緩控釋肥性能評價有靜水或鹽溶液中溶出率法、土壤培養法、土柱淋溶法、電超濾法、同位素示蹤法、生物學評價法等［7］，其中靜水溶出率法是最常用的方法。公司連續化生產工藝生產的釋放期為60 d 的聚氨酯包膜尿素在25 ℃蒸餾水中浸提，其養分釋放曲線如圖2所示。

圖2 25 ℃蒸餾水中聚氨酯包膜尿素釋放曲線

由圖2 可知，生產的釋放期為60 d 的聚氨酯包膜尿素在釋放周期內養分呈S 型規律逐步釋放。初期養分釋放率較低，第14 天養分累計釋放率僅為8%，中期養分大量釋放，第49 天時養分累計釋放率達到72%，后期養分釋放速率又逐漸下降，60 d 養分累計釋放率為79%。該聚氨酯包膜尿素具有良好的緩釋性能，符合農作物不同生長時期的需肥規律。

4 結論

緩控釋肥能顯著改善肥料的有效利用率，養分的釋放周期與農作物的需肥規律相匹配，是化肥行業未來的發展趨勢。眾多緩控釋肥類型中，聚氨酯包膜是應用較多的一種，具有良好的科研價值和較佳的經濟效益。公司在原有間歇式工藝基礎上開發了新的緩控釋肥生產工藝，不僅實現了連續自動化生產，大大提高了產能，降低了成本，而且也顯著改善了緩控釋肥產品質量，提高了市場競爭力。