樹(shù)脂型包膜尿素試驗(yàn)研究

張 星，婁方亮

(云南云天化股份公司研發(fā)中心，云南 昆明 650228；云南云天化股份公司，云南 昆明 650228)

化肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最大的物質(zhì)投資，約占其全部生產(chǎn)性支出的50%。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織估計(jì)，發(fā)展中國(guó)家糧食的增產(chǎn)中，其55%來(lái)自化肥的作用。我國(guó)化肥的投入和糧食的關(guān)系也基本符合這一規(guī)律。隨著高產(chǎn)、高效優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，化肥在我國(guó)農(nóng)業(yè)中的地位將更為重要。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐表明，由于肥料性質(zhì)與土壤環(huán)境條件的綜合影響，肥料利用率低是化肥使用上普遍存在的問(wèn)題。

目前我國(guó)化肥的當(dāng)季利用率較低：氮為30%～35%，磷為10%～20%，鉀為30%～35%。而在美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家肥料的利用率一般可達(dá)50%～60%，西歐的肥料利用率更可達(dá)到70%～80%[1]。其中氮的損失特別嚴(yán)重，不僅造成了直接的經(jīng)濟(jì)損失，而且部分地區(qū)因施肥不當(dāng)已引起環(huán)境污染，出現(xiàn)地表富營(yíng)養(yǎng)化、地下水和蔬菜中硝態(tài)氮含量超標(biāo)，氧化亞氮排放量增加等問(wèn)題。因此，提高化肥利用率，減少因施肥而造成的污染發(fā)展可持續(xù)高效農(nóng)業(yè)已成為世界共同關(guān)注的問(wèn)題。由此可見(jiàn)，發(fā)展緩釋肥料迫在眉睫，肥料包膜材料主要包括無(wú)機(jī)類、有機(jī)類的和樹(shù)脂類。高分子聚合物包膜緩釋肥料緩釋性能良好，入土后影響肥料養(yǎng)分釋放的因素較少，可實(shí)現(xiàn)作物生育期的一次性施肥、明顯減少農(nóng)業(yè)勞動(dòng)量．提高生產(chǎn)率．是緩釋肥料發(fā)展的主流方向[2]。

本文以改性淀粉為二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)、多亞甲基多苯基多異氰酸酯(PAPI)、大豆油多元醇、松香甘油酯和聚丙烯酸鉀為主要原料制成的樹(shù)脂型緩釋包膜材料，噴涂在大顆粒尿素表面，包膜材料易降解，對(duì)土壤和水源無(wú)污染，是一種很有開(kāi)發(fā)前景的緩釋包膜材料[3]。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料和設(shè)備

1.1.1 試驗(yàn)原料

大豆油多元醇(表1)、 多亞甲基多苯基多異氰酸酯(PAPI)(表2)、 二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)(表3)、松香甘油酯和聚丙烯酸鉀、丙三醇(工業(yè)級(jí))、松香甘油酯、大顆粒尿素、二苯甲烷二異氰酸酯(PMDI)。

表1 試驗(yàn)原料組成

表2 PAPI組成

表3 MDI組成

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

燒杯，電加熱套，溫度計(jì)，筆式噴槍。

1.2 試驗(yàn)方法

將大豆多元醇、聚丙烯酸鉀、丙三醇(工業(yè)級(jí))和松香甘油酯一種或者多種加入三口燒瓶中，在100～200 ℃，0.05 MPa 負(fù)壓下，減壓脫水1～2 h，冷卻至 60 ℃；加入稱量好的MDI、PAPI、PMDI的一種或者多種，在(80±2)℃反應(yīng) 1.5 h，然后保溫 70 ℃ 0.5 h；在 70 ℃ 溫度下，把尿素放入滾動(dòng)的轉(zhuǎn)鼓中，用噴槍把液體膜材料噴到尿素顆粒表面，冷卻硬化，獲得包膜好的尿素顆粒。

2 結(jié)果與討論

2.1 包膜溶液配方

為了選取包膜材料配方，對(duì)二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)、多亞甲基多苯基多異氰酸酯(PAPI)、大豆油多元醇、松香甘油酯和聚丙烯酸鉀、丙三醇(工業(yè)級(jí))、二苯甲烷二異氰酸酯(PMDI)等原料進(jìn)行了篩選，通過(guò)不同原料的配比進(jìn)行篩選，獲得了最優(yōu)的配方組合。采用大豆多元醇和MDI兩種物料制備的包膜材料，具有流動(dòng)性好，成膜性好，且容易在肥料表面固化，是一種良好的膜材料。結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 包膜材料制備試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)表3看出，采用大豆多元醇和MDI進(jìn)行混合反應(yīng)，獲得的包膜材料流動(dòng)性好，噴涂在尿素顆粒表面，成膜均勻。

圖1、圖2是包膜材料，不同的包膜厚度所呈現(xiàn)的包膜顏色不相同；圖3、圖4是包膜材料噴涂在顆粒尿素表面的成品。圖3包膜厚度為 0.4 mm，圖4的包膜厚度為 0.25 mm，包膜厚度的不同影響尿素養(yǎng)分的釋放。

圖1 包膜材料 圖2 包膜材料

圖3 包膜尿素 圖4 包膜尿素

2.2 包膜比例

為了保證將來(lái)包膜尿素產(chǎn)品的w(氮)≥44%，且要求包膜具有半透膜性，其厚度要控制在0.2～0.4 mm。我們確定了尿素與包膜劑的質(zhì)量比為 18∶1～ 32∶1。

2.3 包膜尿素水中溶解速度

取100顆包膜尿素放入 250 mL 錐形瓶，加入 200 mL 純凈水。隨著時(shí)間推移，觀察尿素在水中溶解的情況，記錄尿素完全溶解的顆數(shù)，定性的了解膜的特性和常溫下包膜尿素在水中的溶解速度。結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 包膜尿素水中溶解數(shù)據(jù)

從圖5中三組平行試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，包膜尿素在15 d的時(shí)候溶解率約在5%;到20 d的時(shí)候，尿素溶解率約20%;到30 d的時(shí)候，尿素溶解了50%;到35 d的時(shí)候，尿素已經(jīng)溶解了近70%。包膜尿素在前15 d，是水分滲透膜材料過(guò)程;隨著水分的深入，后15 d，尿素迅速溶解。該膜材料包裹在尿素表面，具有一定的緩釋作用。

2.4 包膜尿素的結(jié)塊性能和抗壓性能

通過(guò)儀器檢測(cè)可知，包膜尿素在3個(gè)月中無(wú)結(jié)塊現(xiàn)象，而且抗壓性能數(shù)據(jù)一致在 8 N 以上，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于普通尿素(表5)。普通尿素由于表面是吸水性物質(zhì)，故在毛細(xì)吸附的作用下，使其極易吸水而發(fā)生結(jié)塊現(xiàn)象，而包膜尿素則在尿素的表面包裹了一層疏水性的聚氨酯樹(shù)脂，不僅使尿素顆粒間彼此隔離開(kāi)，又能使尿素顆粒與周圍的水蒸汽隔離，因此大大提高了尿素的抗結(jié)塊性。同樣，由于外包一層聚氨酯膜，使其抗壓性能也明顯地優(yōu)于普通尿素[3]。

表5 抗壓強(qiáng)度結(jié)果

3 結(jié)論

本文以改性淀粉為二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)、多亞甲基多苯基多異氰酸酯(PAPI)、大豆油多元醇、松香甘油酯和聚丙烯酸鉀為主要原料制成的樹(shù)脂型緩釋包膜材料，選用尿素作為包膜肥料進(jìn)行包膜，獲得了樹(shù)脂材料的包膜尿素。使用大豆多元醇和MDI進(jìn)行混合反應(yīng)，獲得的包膜材料流動(dòng)性好，成膜均勻。

包膜尿素在前15 d尿素釋放較少，到30 d的時(shí)候，尿素釋放率為70%，該包膜材料具有一定的緩釋作用，且包膜材料對(duì)尿素的物理性能和機(jī)械性能有一定的改善，提高了氮的利用率。目前，該包膜工藝存在包膜不夠均勻，且尿素釋放速率過(guò)快的問(wèn)題。今后，在包膜工藝和釋放速率方面進(jìn)一步進(jìn)行研究，改進(jìn)包膜材料的性能和包膜工藝。