樹脂型包膜尿素試驗研究

張 星，婁方亮

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

化肥在農業生產中占有重要地位，是農業生產中最大的物質投資，約占其全部生產性支出的50%。據聯合國糧農組織估計，發展中國家糧食的增產中，其55%來自化肥的作用。我國化肥的投入和糧食的關系也基本符合這一規律。隨著高產、高效優質農業的發展，化肥在我國農業中的地位將更為重要。農業生產實踐表明，由于肥料性質與土壤環境條件的綜合影響，肥料利用率低是化肥使用上普遍存在的問題。

目前我國化肥的當季利用率較低：氮為30%～35%，磷為10%～20%，鉀為30%～35%。而在美國和日本等發達國家肥料的利用率一般可達50%～60%，西歐的肥料利用率更可達到70%～80%[1]。其中氮的損失特別嚴重，不僅造成了直接的經濟損失，而且部分地區因施肥不當已引起環境污染，出現地表富營養化、地下水和蔬菜中硝態氮含量超標，氧化亞氮排放量增加等問題。因此，提高化肥利用率，減少因施肥而造成的污染發展可持續高效農業已成為世界共同關注的問題。由此可見，發展緩釋肥料迫在眉睫，肥料包膜材料主要包括無機類、有機類的和樹脂類。高分子聚合物包膜緩釋肥料緩釋性能良好，入土后影響肥料養分釋放的因素較少，可實現作物生育期的一次性施肥、明顯減少農業勞動量．提高生產率．是緩釋肥料發展的主流方向[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，對土壤和水源無污染，是一種很有開發前景的緩釋包膜材料[3]。

1 試驗部分

1.1 試驗原料和設備

1.1.1 試驗原料

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(工業級)、松香甘油酯、大顆粒尿素、二苯甲烷二異氰酸酯(PMDI)。

表1 試驗原料組成

表2 PAPI組成

表3 MDI組成

1.1.2 試驗設備

燒杯，電加熱套，溫度計，筆式噴槍。

1.2 試驗方法

將大豆多元醇、聚丙烯酸鉀、丙三醇(工業級)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 1.5 h，然后保溫 70 ℃ 0.5 h；在 70 ℃ 溫度下，把尿素放入滾動的轉鼓中，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 結果與討論

2.1 包膜溶液配方

為了選取包膜材料配方，對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(工業級)、二苯甲烷二異氰酸酯(PMDI)等原料進行了篩選，通過不同原料的配比進行篩選，獲得了最優的配方組合。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。結果見表4。

表4 包膜材料制備試驗結果

通過表3看出，采用大豆多元醇和MDI進行混合反應，獲得的包膜材料流動性好，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

為了保證將來包膜尿素產品的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，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。結果見圖5。

圖5 包膜尿素水中溶解數據

從圖5中三組平行試驗結果來看，包膜尿素在15 d的時候溶解率約在5%;到20 d的時候，尿素溶解率約20%;到30 d的時候，尿素溶解了50%;到35 d的時候，尿素已經溶解了近70%。包膜尿素在前15 d，是水分滲透膜材料過程;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 包膜尿素的結塊性能和抗壓性能

通過儀器檢測可知，包膜尿素在3個月中無結塊現象，而且抗壓性能數據一致在 8 N 以上，各項指標均優于普通尿素(表5)。普通尿素由于表面是吸水性物質，故在毛細吸附的作用下，使其極易吸水而發生結塊現象，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脂，不僅使尿素顆粒間彼此隔離開，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于普通尿素[3]。

表5 抗壓強度結果

3 結論

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脂型緩釋包膜材料，選用尿素作為包膜肥料進行包膜，獲得了樹脂材料的包膜尿素。使用大豆多元醇和MDI進行混合反應，獲得的包膜材料流動性好，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，且包膜材料對尿素的物理性能和機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，且尿素釋放速率過快的問題。今后，在包膜工藝和釋放速率方面進一步進行研究，改進包膜材料的性能和包膜工藝。