明膠/PVA類肥料包膜材料的制備與環保性能研究

劉 穎，魏 敏，楊平華，耿丹丹

（四川省農業科學院生物技術核技術研究所，成都 610066）

0 引言

包膜肥料是以顆粒化肥為核心，在表面涂覆一層膜材料的顆粒肥料，當養分釋放完后，其膜將會殘留于土壤中，故膜材料的性能直接影響環境問題。探究具有較好生物降解性又兼備一定緩控釋效果的包膜材料對生態循環農業具有重要意義。

國內外對包膜肥料膜材料尤其是聚合物包膜材料的研究做了大量工作，純天然高分子膜材料如淀粉[1-3]、纖維素[4-6]、殼聚糖[7-8]等雖然具有價格低廉、可生物降解性，但其機械性、黏合性差，肥料緩控釋特性較差。合成高分子膜材料如聚烯烴[9]、聚乙烯[10-11]、聚苯乙烯[12]等雖然克服了天然高分子膜材料的缺點，但其降解性差，可能導致土壤污染。同時，大多數有機高分子材料在噴涂過程中都要使用大量的有毒溶劑，溶劑回收、揮發都可引起成本高和環境污染問題。

2種或2種以上的高分子材料通過共混改性，可制備出兼得這些高分子材料性能的混合物[13]。明膠是膠原蛋白的變性產物，來源廣、成本低[14]，聚乙烯醇(PVA)是一種無毒、成膜性好的水溶性高分子材料[15-17]，兩者共混可降低材料成本，又能提高材料的生物降解性。聚乙烯醇與明膠的復合材料用于緩釋肥料目前已有研究，但主要集中于包膜工藝[18]、配方[19]、養分緩釋性[20-21]方面的研究，在材料應用對環境安全性問題研究較少。

本研究通過兩者共混改性，制備明膠/PVA類包膜尿素，利用紅外光譜、掃描電鏡表征、力學性能測試，研究膜材料組分相容性，利用受控需氧堆肥試驗、小鼠急性經口毒性試驗，探索明膠/PVA類包膜尿素對環境安全性問題，為進一點對明膠/PVA類包膜肥料的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試劑、試驗動物和儀器

明膠，分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；甘油，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；聚乙烯醇(PVA)，聚合度1799，分析純，成都科龍化工試劑廠；微晶纖維素，色譜純，美國Sigma Aldrich公司；硫包尿素(SCU)，自制，含氮量38.98%，硫膜含量16.02%；SPF級NIH小鼠（雌雄各半），動物合格證號：NO.44007200074747，廣東省醫學實驗動物中心；60Co輻射源，四川農業科學院生物技術核技術研究所；流態化底噴包衣機，LDP-1.5，常州市磐豐干燥設備有限公司；恒溫鼓風干燥箱，上海瑯玕實驗設備有限公司；紫外可見分光光度計，Lambca35，美國PerkinElmer公司；傅里葉變換紅外光譜儀，TENSORⅡ，德國Bruker公司；總有機碳分析儀，multi N/C 3100，德國AnalytikJena公司；掃描電子顯微鏡，SU3550，日本HITACHI公司。試驗在四川省農業科學院生物技術核技術研究所實驗室，于2018年6月—2019年12月份進行。

1.2 材料的制備

取一定量明膠置于三口燒瓶中，加入定量去離子水，在50℃水浴鍋中機械攪拌至全部溶解，過濾，得質量分數為10%的明膠溶液。取一定量PVA置于三口燒瓶中，加入定量去離子水，在85℃水浴鍋中機械攪拌至全部溶解，過濾，得質量分數為10%的PVA溶液。按不同質量比例取明膠和PVA水溶液混合，同時加入占總質量5%的甘油，并置于40℃水浴鍋中機械攪拌30 min，靜置脫泡。

設定流態化底噴包衣機蠕動泵轉速2轉/min，物料倉60℃，稱300 g SCU投入包衣機物料倉中，用上述制備的配比液為m(PVA):m(Gel)=4:1的膜材料，對其底噴包膜，烘干，得到聚合物硫包尿素，且聚合物包膜量為5%。

1.3 復合膜材料紅外光譜分析(FTIR)

將充分干燥后的樣品與是樣品100倍的KBr混合，在紅外燈下充分研磨并制片。用傅立葉變換紅外光譜儀對樣品結構進行分析。

1.4 掃描電鏡分析(SEM)

將烘干后的復合膜材料放入液氮中淬斷，對斷面進行噴金處理，放入掃描電子顯微鏡中，觀察斷面形貌。

1.5 復合膜材料力學性能

按照標準GB/T 4456—1984，將材料制成啞鈴型，采用萬能材料試驗機進行拉伸試驗，拉伸速度為50 mm/min，對復合膜材料的拉伸強度及斷裂伸張率進行測試，每樣重復5次取平均值。

1.6 復合膜材料降解性

按照標準GB/T 19277.1—2011，將600 g培養土分別與100 g復合膜材料、100 g纖維素混合，600 g培養土作為空白對照，加去離子水將混合物濕度調節至50%，倒入3 L堆肥容器，將容器放置在(58±2)℃的試驗環境中，用水飽和的、無CO2的空氣進行曝氣。用紅外二氧化碳分析儀連續測量容器出口的混合氣體，計算CO2釋放量與生物分解百分率。

1.7 明膠/PVA復合膜包膜尿素的養分緩釋性

按照標準NY/T 3040—2016，稱取10 g肥料養分釋放量試樣，與200 g玻璃珠混合均勻后，置于(25±2)℃環境條件下的浸提管中，準確加水200 mL，開始計時，密封好浸提管，至24 h時，迅速打開密封及閥門，用200 mL容量瓶完全接收浸提液，定容，搖勻待測。關閉閥門并密封好浸提管，以后7天為周期設定連續養分釋放點，重復“準確加水200 mL”及其后的操作，用紫外-可見分光光度計對浸提液中尿素態氮的含量。

1.8 明膠/PVA復合膜包膜尿素的毒試驗

按照標準NY/T 1980—2018，取20只SPF級NIH小鼠，雌雄各半，試驗前動物隔夜禁食，不限制飲水。采用限量試驗，劑量為5000 mg/(kg·bw)，供試品用去離子水配制，根據染毒劑量及灌胃量定容至所需體積。按照5000 mg/(kg·bw)劑量，以20 mL/(kg·bw)的灌胃量1次染毒灌胃，動物灌胃染毒后繼續禁食2 h。染毒后30 min、4 h內觀察和記錄一次，在染毒后24 h內連續觀察，隨后每天定期觀察并詳細記錄每只動物的中毒反應，直至第14天。觀察期結束后對所有動物進行大體解剖觀察，記錄大體病變，染毒后存活時間24 h以上的動物，其器官顯示有大體病變，則進行組織病理學檢查。

1.9 數據處理

采用ORIGIN7.5作圖，SPSS19.0分析軟件對數據進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 明膠/PVA復合膜材料的SEM分析

如圖1所示，配比為m(PVA):m(Gel)=1:4，m(PVA):m(Gel)=2:3，m(PVA):m(Gel)=3:2時，肉眼可見配比液出現明顯分層現象。配比為m(PVA):m(Gel)=4:1時，配比液無明顯分層現象，將其烘干利用掃描電鏡進行斷面觀察，從圖2可見，材料斷面結構均勻，未發現相分離。

圖1 復合膜材料配比液靜置4 h后的照片

圖2 復合膜材料的斷面SEM圖[m(PVA):m(Gel)=4:1]

2.2 明膠/PVA復合膜材料FTIR分析

圖3為PVA，復合膜材料[m(PVA):m(Gel)=4:1]，明膠的紅外光譜對比圖。由圖可知原處于PVA膜中的3264 cm-1O-H伸縮振動、1415 cm-1O-H彎曲振動、1085 cm-1C-O伸縮振動特征吸收峰，在復合膜材料的紅外光譜中分別移動3260、1412、1085 cm-1。同時復合膜材料也表現出明膠膜特征峰，原處于明膠的1629 cm-1酰胺Ⅰ帶、1525 cm-1酰胺Ⅱ帶，1238 cm-1酰胺Ⅲ帶特征吸收峰，在復合膜材料的紅外光譜中分別移至1651、1543、1239 cm-1。由于復合膜材料中加入5%甘油塑化劑，故復合膜材料在1043 cm-1處出現新的特征吸收峰，為甘油RCHR1-OH伸縮振動特征峰。

圖3 PVA、復合膜材料及明膠的紅外光譜圖（a：PVA；b：復合膜材料，c：明膠）

2.3 明膠/PVA復合膜材料的力學性能

由圖4可知，PVA的拉伸強度和斷裂伸長率分別為32.18 MPa、176.96%，明膠膜的拉伸強度和斷裂伸長率分別為18.44 MPa、35.82%，隨著PVA含量增加，復合膜材料斷裂伸長率逐漸變大；而復合膜拉伸強度呈現先降低后升高趨勢，配比液在m(PVA):m(Gel)=1:4、2:3、3:2時，低于明膠膜的拉伸強度，配比液在m(PVA):m(Gel)=2:3時拉伸強度最低。當m(PVA):m(Gel)=4:1時，相對于其他配比的復合膜其力學性能最優，拉伸強度和斷裂伸長率分別為26.42 MPa、159.5%。

圖4 PVA含量對復合膜斷裂伸長率、拉伸強度的影響

2.4 明膠/PVA復合膜材料的降解性

堆肥降解180天，空白、纖維素和復合膜材料[m(PVA):m(Gel)=4:1]的CO2釋放量如表1、圖5、6所示，由圖可以看出纖維素3個階段：誘導階段（0～7天）、生物分解階段（8～118天）和平穩階段（118～180天），118天CO2釋放量為150.08 g，直到試驗結束180天CO2釋放量是150.9 g。復合膜材料CO2釋放量一直在緩慢增加，180天CO2釋放量30.7 g。圖2為纖維素和復合膜材料的生物分解曲線，纖維素、復合膜材料45天生物降解率分別為74.4%、9.0%，180天生物分解率分別為92.7%、16.2%。

表1 材料的基本特性

圖5 受控堆肥條件下復合膜和纖維素的CO2釋放曲線

圖6 受控堆肥條件下復合膜和纖維素的生物分解曲線

2.5 明膠/PVA復合膜包膜尿素的養分緩釋性

圖7為SCU和PSCU在25℃水中氮素釋放曲線。由圖可知，SCU、PSCU浸提24 h的初期氮素釋放率分別為14.21%、12.16%，7天氮素釋放率分別為20.12%、16.8%，28天累積氮素釋放率分別為52.18%、26.92%，SCU的氮素釋放率均高于PSCU。

圖7 SCU和PSCU氮素釋放特性曲線

2.6 明膠/PVA復合膜包膜尿素的毒性試驗

在14天為觀察期內，20只小鼠未出現死亡，體重均正常增長，也未出現中樞神經系統、神經肌肉系統、植物神經系統、呼吸系統、泌尿生殖系統、皮膚和被毛、眼和消化系統方面的任何異常癥狀。試驗結束后，用CO2窒息法處死動物后，進行大體解剖觀察，大小腦、心臟、氣管和肺、胸腺、肝、脾腎、胃腸道、子宮、卵巢、睪丸、附睪、甲狀腺和腎上腺主要器官均未見明顯病理改變。

3 結論

明膠/PVA復合膜材料在受控堆肥條件下表現出較好的生物降解性，明膠/PVA復合膜材料包膜尿素氮素緩釋期變長且在小鼠急性經口毒性實驗中表現出較好的生物安全性，同時材料對肥料加工過程是以水為溶劑，避免了易揮發的有毒有機溶劑帶來的污染問題，故明膠/PVA復合膜材料具有較好的環保性能且作為緩控釋肥料的包膜材料有較好應用前景。

4 討論

4.1 明膠/PVA復合包膜材料兩組間相容性

肉眼觀察與SEM分析中明膠/PVA復合材料配比為m(PVA):m(Gel)=4:1時，沒有相分離，兩組分間相容性最好。對該配比材料FTIR分析，明膠/PVA復合材料不僅表現出明膠和PVA特征吸收峰，而且其表現的PVA的O-H伸縮和彎曲振動、C-O伸縮振動特征吸收峰向低波數移動，明膠的3個酰胺特征吸收峰向高波數移動，這與高喜平等[22-23]對明膠與PVA共混材料FTIR分析時發現共混膜中原明膠酰胺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ帶特征吸收峰都不同程度藍移的結果相同。這主要是因為隨著明膠與PVA共混，明膠分子鏈上大量的-OH、-NH2、-COOH等親水基團，與PVA分子鏈上的-OH產生氫鍵作用，破壞了明膠分子中原來的氫鍵作用，同時PVA分子鏈中晶區-OH之間的氫鍵作用被打破，但與明膠分子產生的氫鍵作用大于晶區內-OH產生的氫鍵作用，PVA與明膠產生的氫鍵相互作用，降低共混體系的Gibbs自由能，進一步證明該配比兩組分相容性好。

4.2 明膠/PVA復合包膜材料力學性能

本研究結果表明，當明膠/PVA復合材料配比為m(PVA):m(Gel)=4:1時，相對其他配比，兩組分間相容性好，并表現出較好力學性能，這與Mendiet等[24-25]研究表明結果相近。這主要是因為當組分相容性好時，材料受外力作用時不易產生相分離，從而拉伸強度最大。明膠是一種脆性材料，隨著PVA含量增加，削弱明膠分子內部氫鍵作用力，分子鏈運動阻力減弱，復合膜斷裂伸長率增大。

4.3 明膠/PVA復合膜包膜尿素的養分緩釋性

試驗結果表明相對于SCU養分S型釋放曲線，PSCU養分釋放更為平緩，這與Paleckien等[26-27]認為PSCU養分釋放比SCU更均勻，利用率更高的結果一致。這主要是因為SCU養分釋放主要是因為膜殼破裂，每到一定階段就有大量養分釋放出來，明膠/PVA復合膜有一定的拉伸強度，當噴覆于SUC表面后，形成一層聚合物膜，對硫膜起到保護作用，不會因膜內滲透壓變化而破裂，故養分釋放程平緩上升趨勢，且PSUC同時期氮素釋放率低于SUC。

4.4 明膠/PVA類包膜肥料環保性能

對明膠/PVA復合材料用于包膜肥料的研究，主要集中在材料的力學性能、相容性、緩釋性方面[28]，其生物降解性、毒性等環境安全性方面報道較少。堆肥法評價材料生物降解性能簡單快速，能在相當程度上反映材料在自然條件下的生物降解性。本研究利用堆肥法探討其生物降解性，試驗中參比材料纖維素45天生物降解率74.43%，超過70%，符合GB/T 19277.1—2011規定的實驗有效性的要求。PSCU對SPF級NIH小鼠的急性經口毒性最大耐受劑量大于5000 mg/(kg·bw)，根據農業行業標準NY/T 1980—2018分級指標及評價要求進行判定，屬實際無毒。