聚氨酯缓控释肥制备研究

2023-01-29

当前人口快速增长, 人口与粮食之间的矛盾也越来越突出, 因此解决粮食增产问题已经成为各国关注的焦点。化肥对提高粮食产量有着至关重要的作用, 但是化肥的利用率低造成了大量资源的浪费, 一直是一个需要解决的问题, 因此, 提高化肥利用率, 减少因大量施用化肥造成的环境污染和能源浪费, 发展可持续高效农业获得了许多学者的关注, 掀起了缓控释肥的研究热潮。

一、缓控释肥

缓释肥和控释肥是两个不同的概念。控释肥料主要以颗粒肥料 (单质或复合肥) 为核心, 表面涂覆一层低水溶性的无机物质或有机聚合物, 或者利用化学方法将肥料均匀融入分解在聚合物中, 形成多孔网络体系, 并根据聚合物的降解情况而促进或延缓养分的释放, 使养分的供应能力与作物生长发育的需肥要求相一致的一种新型肥料。包膜控释肥料是其中的一大类。而缓释肥料是指肥料施入土壤之后转变为植物有效态养分的释放速率远远小于速溶肥料, 在土壤中能缓慢释放出其养分, 它对作物具有缓效性或者长效性, 只能延缓肥料的释放速度, 不能达到控释的目的。因此从广义上来讲, 缓释肥料是控释肥料的初级形式。包膜型缓控释肥料是当前研究的重点与热点, 最长用的膜材料就是聚氨酯。聚氨酯材料及其改性物质具有贮存稳定、耐水性、耐溶剂性以及耐老化性能等多种性能, 因此在缓控释肥料的制备中有非常重要的应用。包膜型缓控释肥料的制作工艺并不复杂, 包括加热、喷涂、干燥等环节, 主要目标就是在肥料颗粒表面喷涂一层或者几层有机聚合物或者无机物, 从而在肥料表面形成致密的低渗透性的膜, 从而能够达到控制肥料中的养分通过膜向外部逐步扩散的目的。

二、聚氨酯缓控释肥制备的研究进展

近些年, 关于聚氨酯缓控释肥料的制备及性能研究有许多, 并且取得了一定的研究成果。

燕山大学李青山等人利用多亚甲基多苯基异氰酸酯和多羟基化合物按照高分子设计配方在尿素表面进行反应成膜, 制备了聚氨酯缓控释肥, 其缓释时间能够达到40-50天。之后, 该研究还对不同包膜量的聚氨酯膜层的分子结构、缓释期、形貌等进行了详细的分析。该研究中利用红外光谱技术对聚氨酯膜层内部的分子结构进行了表征, 利用扫描电竞对膜层断面外观形貌进行了表征, 并且控制一定的温度, 测试了缓控释肥的肥效, 结果表明, 该聚氨酯膜层对缓释期的长短有直接的影响, 并且能够有效的提高膜层的阻水性能, 延长缓释期。

周桂南等人利用异氰酸酯与聚氧化丙烯二醇合成了聚氨酯, 在用其包裹尿素, 从而制备了聚氨酯包膜尿素肥料。该研究中还利用比色法对所制备的聚氨酯包膜尿素的缓释曲线进行了研究, 并且对异氰酸酯与羟基摩尔比、反应方式、包膜率、异氰酸酯、聚氧化丙烯二醇分子量等因素对包膜尿素缓释性能的影响进行了详细的考察。实验结果表明将异氰酸酯、丙酮和尿素在50℃下搅拌反应1h后, 在加入聚氧化丙烯二醇, 60℃下反应2h得聚氨酯包膜尿素的反应方式最为理想, 异氰酸酯与羟基摩尔比在1:1时能够获得性能理性的包膜, 包膜尿素的溶出率随着包膜率的增大而降低, 效果最佳的包膜率为百分之三十。该工艺制备的聚氨酯缓释肥料鞥够达到欧洲标准委员会对缓释肥料的标准。

中国科学院的王亮等人对水性聚氨酯包膜肥料进行了研制, 并且对其释放性质进行了评价。该研究中利用水性聚氨酯作为包膜剂, 石蜡作为封闭剂, 利用转鼓包衣工艺制备了包膜肥料, 并且利用土柱淋溶法和水培法对其进行了缓控释性能评价。实验结果表明, 利用水性聚氨酯包膜的六种缓控释肥料中, CRF-B1的初期溶出率最高, 能够达到百分之五十五以上, 而其他五种均低于百分之四十, 能够很好的达到缓控释肥的标准。其中效果名显的有CRF-A3、CRF-B3两种肥料, 分别能够达到百分之十三和百分之十九。另外, 通过对水性聚氨酯用量的考察发现, 6%用量的效果最为理想, 并且水性聚氨酯的成膜性能良好, 在条件适宜的情况下能够形成致密连续的肥料包膜, 从而很好的控制养分的释放。

山西化工设计院的宫涛等人利用无溶剂喷涂成型法制备了聚氨酯包膜缓释肥料, 并且详细讨论了喷涂比例对包膜量以及耐磨性对包膜肥料缓释性能的影响。实验结果表明, 随着包膜量的增加, 包膜肥的初溶率和微溶率呈现下降的趋势, 其缓释期得到延长, 并且包膜量越大, 包覆层越厚, 缓释效果越好。最终结果显示聚氨酯预聚体与扩链剂的喷涂比例在7.5:1, 实际包覆量为7.23%, 包膜缓释肥的缓释效果比较好, 并且该研究中利用扫描电镜对包膜肥料的颗粒表面、剖面以及释放后的包膜材料表面情况进行了表征, 并且与日本产的包膜肥料颗粒进行了对比。结果表明该实验中得到的包膜肥料成品表明光滑, 均匀度和耐磨性能好, 优于日本产的包膜肥料, 并且产品能够达到欧洲标准化委员会提出的初溶率和微溶率的要求。

结束语

肥料是农业生产中最大的物质投入, 对提高农作物产量有着非常重要的影响。聚氨酯缓控释肥料是一种养分能够进行缓慢释放的新型肥料产品, 近十年来, 缓控释肥料的研究在中国有非常明显的发展, 取得了许多的可喜结果。聚氨酯缓控释肥料是21世纪肥料发展的方向, 其良好的性能已经显示出广泛的应用前景。在今后的研究中, 对聚氨酯进行改性, 获得性能更加符合实际需要的膜材料仍然是研究的重点方向, 希望在相关学者的努力之下, 能够研究并开发出更多的性能优良的缓控释肥, 为提高我国农业生产水平作出应有的贡献。

摘要：聚合物包膜肥料能够显著提高肥料的利用率, 并且有节约能源、减少污染的优势, 因此已经成为肥料研究的重点和热点课题。本文就聚氨酯缓控释肥制备研究进展进行了综述, 希望对聚氨酯缓控释肥的进一步研究有一定的参考价值。

关键词：聚氨酯,缓控释,肥,制备,研究