聚氨酯在緩釋尿素中的應用

李 強，李怡靖，孟慶羽

（1. 山東農業大學，山東 泰安 271018；2. 山東農大肥業科技有限公司，山東 泰安 271600）

緩釋肥料能夠有效提高肥料利用率，減輕施肥對環境的影響，同時某些精心設計的緩釋肥料養分釋放曲線貼合植物的營養需求曲線，完美滿足植物生長的養分需求，從而達到保持甚至提高作物產量的目的。因為這個特點，施用緩釋肥料可以減少化肥的施用量，不僅減少了養分的氣態和淋溶損失，而且能夠實現一次性施肥，節省勞動力，降低成本［1］。

聚氨酯（PU）因為其理想的機械性能和相對較低的成本，在緩釋肥料中得到了廣泛應用。筆者介紹緩釋肥料分類、聚氨酯材料的發展及其在緩釋尿素中的應用。

1 緩釋肥料簡介

一般來說，緩釋肥料是指施用后，部分營養物質緩慢釋放，緩慢被作物吸收與利用的肥料，比速效肥肥效更長［2］。

緩釋肥料品種多樣，在分類上也有所差異。通常，可以按照以下標準分類：根據緩釋原理劃分，根據溶解性釋放方式劃分，根據養分釋放控制方式劃分，根據生產工藝和肥料性質劃分，根據化學組成劃分［3-5］。其中，根據緩釋原理劃分更易于理解，包含物理型、化學型和混合型。物理型是指采用物理手段（如包膜）減緩養分釋放；化學型是指添加化學物質減緩養分釋放；混合型則是采用兩種手段達到減緩養分釋放的目的。

物理型包含有機包膜（熱固性材料包膜、熱塑性材料包膜、蠟包膜等）緩釋肥料、無機包膜（硫包膜、金屬氧化物和金屬鹽包膜等）緩釋肥料、基質型緩釋肥料（營養吸附型、擴散控制型）。化學型分化學結合型與化學抑制型兩類。混合型較為綜合，一般采取添加化學制劑并包膜［6-8］。

包膜有助于實現可控的、長時間的養分釋放。因此，涂層材料的特性對于實現養分的延遲或控制釋放非常重要［9］。其中，聚氨酯包膜就屬于有機包膜中的熱固性樹脂包膜，聚氨酯材料優異的延展性和穩定性為其在緩釋尿素上的應用提供了優勢。緩釋肥中添加質量分數1%～4%的聚氨酯，便可達到良好的緩釋效果，且因添加量少，附加成本相對較低，可為生產者帶來利潤。同時，還能減輕肥料的結塊問題，并且相對提高肥料顆粒的硬度，為肥料的儲存、運輸提供了一定的便利。

2 聚氨酯的發展及現狀

聚氨酯是由多元異氰酸酯與聚酯（或聚醚）多元醇通過交聯反應，生成的一種含有氨基甲酸酯基團的有機高分子材料，全稱為聚氨基甲酸酯。

1937 年，德國化學家奧托·拜耳及其同事應用加成聚合原理首次研制出聚氨酯，拜耳也因此被稱為聚氨酯工業奠基人。美國于20 世紀50 年代初率先利用環氧丙烷和環氧乙烷共聚醚與甲苯二異氰酸酯合成了聚氨酯軟泡塑料，這是聚氨酯發展史上一個重要轉折點，將從煤炭中提取原料，轉變為從石油中提取原材料，降低了聚氨酯的生產成本，為其大規模工業化生產奠定了基礎。此后，聚氨酯衍生產品更加多樣化，可作為熱塑性材料、彈性體、涂料、膠粘劑或泡沫塑料使用，廣泛應用于建筑行業、汽車工業、航空工業、食品包裝業、紡織行業、醫療行業等。聚氨酯已經成為一種不可或缺的合成樹脂產品，全世界對包括熱塑性聚氨酯在內的聚氨酯的需求不斷增長。

我國聚氨酯行業也蓬勃發展，消費量和產量都有了巨大的提升。但聚氨酯生產依賴于石油原料，隨著社會進步和環保要求的提高，出臺的國家環保法規更加嚴格，對聚氨酯的發展同樣提出了新的要求。對環境問題和石油供應的日益關注推動了從可再生原料中開發聚氨酯生產原料，聚氨酯也須符合“三個前提”（資源、能源和無污染）以及“4E 原則”（經濟、效率、生態和能源）。目前生物基聚氨酯備受矚目，可降解的生物基聚氨酯或將成為研究熱點。

3 聚氨酯緩釋尿素發展

尿素因其高氮含量（w（N）46%）和低成本而被廣泛地作為氮肥使用，用量大，效果相對較好，其緩釋作用一直是研究者關注的焦點。美國最早于1961年成功研制出硫包膜尿素（Sulfur coated urea）。日本后來居上，于20世紀60年代研制有機包膜肥料，成功制備出聚烯烴類包膜緩釋尿素，開創了有機樹脂包膜緩釋肥料研究和生產的先河。此后聚氨酯才慢慢被應用于緩釋尿素領域。聚氨酯類緩釋肥料能長期維持營養供應，提高肥料利用率，減少施用頻率，可一次性施用，降低勞動強度，便于實現農業機械化。但由于聚氨酯本身性能穩定，殘留的聚氨酯殼在土壤中很難降解，可能是潛在的污染，對土壤環境有害。通過對聚氨酯進行改性達到降解目的是目前聚氨酯包膜緩釋尿素研究的一個熱點［10］。此外，目前聚氨酯原料來自于不可再生資源——石油。因此，越來越多的研究者考慮研發生物基聚氨酯包膜材料，嘗試制作生物基可降解的聚氨酯包膜尿素，并且取得了一定進展［11］。目前已經有研究者用植物油、液化木質素、軟木、咖啡渣、淀粉、大豆秸稈、甜菜漿等作為原料合成聚氨酯，并將它們用于包膜尿素［12］。

LIANG D S等利用蓖麻油制備釋放周期超長的聚氨酯包膜尿素［13］；YANG Y C 等分別用木質素、刺槐木、玉米秸稈、雞毛粉等制備了聚氨酯包膜尿素，并且大田試驗效果顯著［14-15］。目前成本和批量生產限制著生物基聚氨酯緩釋尿素的發展，但隨著科學技術進步和生產工藝流程改進，生物基聚氨酯緩釋尿素工業化指日可待。

目前，研究者已經不滿足于性質單一的生物降解聚氨酯緩釋肥料，將目光轉向功能化緩釋肥料的研究，例如表面超疏水的聚氨酯包膜緩釋肥料，溫敏型緩釋肥料等。

4 聚氨酯緩釋尿素的應用

聚氨酯包膜緩釋尿素（PCRU）的研究相對成熟，并且有著優異的緩釋效果。近年來，一些涂有聚氨酯、可降解聚合物和水性聚合物的緩釋肥料得到了廣泛應用。

LI P F 等研究比較了不同PCRU 對我國南方雙季水稻種植系統中N損失和N吸收的影響，結果表明，PCRU 可減少通過揮發和地表徑流造成的氮損失，同時保持水稻產量和氮吸收量，與尿素相比，在我國南方水稻雙季種植制度下，氮肥利用率也有所提高［16］。

YE H M等評價了PCRU對玉米幼苗生長的促進作用，結果表明，施用普通尿素的玉米5周齡幼苗的生長指標與施用PCRU玉米有明顯差異；PCRU顯著促進玉米生長，并且玉米株高、鮮質量顯著增加，表明PCRU 中氮營養的利用優于純尿素［17］。BORTOLETTO-SANTOS等探究了PCRU對壤土玉米田氧化亞氮排放的影響，證實PCRU有效減少了氧化亞氮的排放[18]。

山東省農業科學院農業資源與環境研究所張玉鳳等研究了PCRU 對小麥的影響，實驗結果表明，一次性施用PCRU，小麥總產量、氮肥表觀利用率均高于習慣施肥處理；四季作物的總經濟效益增加，并且土層保留的氮素量也有所增加［19］。

中化化肥有限公司朱志鋒等探究了不同類型緩控釋肥對小麥產量的影響，證實PCRU相對普通尿素對小麥產量提高有更大促進作用［20］。

眾多研究者的研究結果證實，PCRU 不論是在減少氮的流失還是在提高作物產量上，都有優異的表現。

5 結語

采用聚氨酯制備的緩釋尿素，在實際使用中取得良好的效果，能夠有效減少氮流失，增加部分作物產量。但聚氨酯化學性質穩定，會出現殘留的情況，造成環境問題，并且以石油為原料限制了聚氨酯的發展。可再生、可降解的生物基聚氨酯緩釋尿素具有廣泛應用空間和發展前景。