一种环保型缓释包膜尿素肥料及其制备方法

技术领域

本发明属于肥料制备技术领域，具体涉及一种环保型缓释包膜尿素肥料及其制备方法。

背景技术

我国是农业生产大国，化肥生产量和使用量均位居世界第一，然而我国化肥有效养分利用率较低，不仅导致了能源、财力的巨大浪费，还造成了土壤、水体的严重污染。因此，如何大幅度提高化肥利用率，实现农业和环境的可持续发展是目前保障粮食和环境安全亟需解决的重要问题。施用包膜缓释肥料是解决这一问题的重要途经。

包膜缓释肥料是指以化肥颗粒为核心，通过包膜的形式来控制肥料养分释放速度，使土壤养分供应与作物养分需求相同步，从而提高肥效，是一种肥效期较长、养分不易损失的新型化学肥料。根据包膜材料的类型，包膜缓释肥料分为无机物包膜和有机聚合物包膜两大类。如沸石包膜尿素和涂硫尿素之类的无机物包膜材料价格较为低廉，不危害土壤，又能够为作物提供必需的养分。但此类包膜肥料弹性差、易脆，且缓释效果并不理想。如淀粉、虫胶等有机天然高分子包膜材料来源广泛且易生物降解，属于环境友好型材料，但缓释特性较差，目前还很难应用。而如酚醛树脂、聚烯烃类、脲醛树脂等有机合成高分子包膜材料养分控释性能好、弹性好、易于机械化施肥，是现有工业化的主要包膜材料，但此类高分子包膜材料不是自身难以降解，就是在制备时采用有机溶剂，存在着环境污染及成本较高等问题。

而水因其来源广泛、环境友好等特点成为包衣工业中代替有机溶剂的重要发展方向。与传统包膜肥料相比，水基聚合物合成过程不需有机溶剂，成品无味，且易降解，被视为理想的环境友好型包膜控释材料。如专利CN101823917A和CN101182269B所公开的水基聚合物包膜材料在价格、环境友好性方面有诸多优点，但膜强度不足、耐水性较差等限制了其大规模应用。当前，对水基聚合物包膜材料进行各种方式的改性，提高包膜材料的机械强度，减缓包膜肥料的养分释放速率具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于水基聚合物的环保型缓释包膜尿素肥料及其制备方法。该环保型缓释包膜尿素肥料集控制养分释放和保水功能于一体，是一种具有养分缓控释、抗旱、节水和改良土壤结构的肥料。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明一方面提供了一种环保型缓释包膜尿素肥料，其包括尿素和包裹在尿素表面的包膜层；所述包膜层包括内缓释层和外保护层；所述内缓释层为水基共聚物-粉煤灰沸石复合缓释膜，外保护层为棕榈油。

进一步，所述水基共聚物-粉煤灰沸石复合缓释膜包括以下按重量份计的原料：聚乙烯醇30～45份、聚乙烯吡咯烷酮3～5份、水性丙烯酸酯乳液15～23份、粉煤灰沸石粉1～2份、去离子水580～630份。上述原料中，聚乙烯醇无毒无害，可通过环境微生物降解的水溶性合成高分子聚合物包膜材料；聚乙烯吡咯烷酮具有优良的溶解性、低毒性、成膜性和化学稳定性，且聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮共聚后能够显著改善膜材料的物理特性。水性丙烯酸酯乳液没有污染、无毒性、无刺激性且存储安稳、价格便宜，将其加入缓释膜材后可以显著提高膜材的耐水性。粉煤灰沸石粉表面积大，具有吸附性、流变性，可起到优异的控肥作用，将其施加于土壤，可以改良土壤，降低重金属和有机污染物生物有效性等作用。

进一步，所述棕榈油的重量份数为60～80份；所述尿素的重量份数为700份。上述原料中，棕榈油可在控制释放系统中用作骨架形成材料，增强包膜肥料的膜强度。

进一步，所述包膜层的质量占包膜尿素肥料质量的10～20％。

本发明另一方面提供了上述环保型缓释包膜尿素肥料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：称取聚乙烯醇和去离子水，加热搅拌；待聚乙烯醇完全溶解后降温，加入聚乙烯吡咯烷酮和水性丙烯酸酯乳液，恒温搅拌，完全混合均匀后再加入粉煤灰沸石粉，继续搅拌，得到水基复合溶液；

步骤2：将水基复合溶液经高速热空气流雾化均匀喷涂于预热的尿素颗粒表面，通风干燥，形成缓释层；

步骤3：将棕榈油喷洒于缓释层表面，出料，自然冷却，即得环保型缓释包膜尿素肥料。

进一步，按重量份计，聚乙烯醇30～45份、聚乙烯吡咯烷酮3～5份、水性丙烯酸酯乳液15～23份、粉煤灰沸石粉1～2份、去离子水580～630份、尿素700份、棕榈油60～80份。

进一步，所述加热搅拌过程中，温度为88～92℃。聚乙烯醇在该温度下可以快速完全溶解。

进一步，所述恒温搅拌过程中，温度为58～63℃，时间为120～150min。在该温度下聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮搅拌一段时间后可共聚形成水基共聚物，且水基共聚物与水性丙烯酸酯乳液可搅拌混合均匀。

进一步，所述加入粉煤灰沸石粉后继续搅拌的温度为50～60℃，时间为50～70min。目的是让沸石粉均匀散布在溶液中。

进一步，所述尿素颗粒的预热温度为50～60℃，时间为10～20min。该温度下尿素预热一段时间可更好的进行溶液的包裹。

进一步，所述尿素颗粒粒径为2～4mm，粉煤灰沸石粉末颗粒粒径为5～10μm。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明环保型缓释包膜尿素肥料是一种具有双层膜结构的新型肥料，内层材料具有养分控释性，外层的材料具有良好的保水性。

(2)本发明肥料是一种包膜缓控释肥料，施入土壤能够使肥料养分按照一定规律释放，提高尿肥料的利用率，降低肥料淋失损失。同时，该肥料具有保水功能，施入土壤后能够吸水保水，在植物需要时，其吸纳的水分可被植物吸收利用，提高土壤中的水分利用率。

(3)本发明采用来源广泛、环保、廉价易得的聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、水性丙烯酸酯乳液及粉煤灰沸石为原料，以水为溶剂，以有机高分子共聚理论为基础，采用溶液共聚技术制备水基共聚物–粉煤灰沸石粉复合包膜材料。其具有良好的成膜和力学性质，且可以在自然界中自然降解。此外，沸石作为一种潜力巨大的膜材料，能够有效增强膜材料的机械强度，降解后膜壳中的沸石可继续服务于土壤生态环境。

(4)本发明内缓释层中加入的粉煤灰沸石具有多孔性，能够吸附溶出的铵根离子，减少淋失；可以吸附自由水分子，也可以吸附土壤微生物，而这些微生物又可以改变膜材料中有机物的降解速度。在包膜层降解后，残留下的粉煤灰沸石可以增加土壤孔隙度，降低土壤容重。同时释放铵根离子和自由水分子，增强土壤保水能力，延长养分释放周期。

(5)本发明包膜尿素肥料具有优异的生物降解性，有效避免了对土壤的二次污染，该肥施于土壤后，在微生物的降解下，逐步分解为小分子物质，可为作物提供必要的水、养分，提高植物的生命活动，同时不会造成土壤退化、肥力下降等问题，是一种新颖的环境友好型化肥。

附图说明

图1为本发明环保型缓释包膜尿素肥料的结构示意图。

图2为本发明包膜机制得的环保型缓释包膜尿素肥料。

具体实施方式

以下所述实例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但并不限制本发明专利的保护范围，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。

本发明提供了一种环保型缓释包膜尿素肥料(参见图1)，其包括尿素和包裹在尿素表面的包膜层；所述包膜层包括内缓释层和外保护层；所述内缓释层为水基共聚物-粉煤灰沸石复合缓释膜，外保护层为棕榈油。

本发明中环保型缓释包膜尿素肥料抗压强度的测试方法为：随机抽取各包膜肥料颗粒30粒，依次测定其抗压碎力，最后取其平均值，以测定出各种包膜肥料的抗压强度；然后将各包膜肥料分别取50粒放入250mL锥形瓶中，加盖后放置在往复式振荡机中，每分钟150次频率振荡10分钟后取出，观察包膜肥料表面膜壳是否发生破裂，颗粒碎裂率＝(振荡前完好颗粒数-振荡后完好颗粒数)/振荡前完好颗粒数*100％，测定出各种包膜肥的碎裂率。

本发明中环保型缓释包膜尿素肥料控缓释性能的测试采用水浸泡法，具体为：称取10g制得环保型缓释包膜尿素肥料置于100目的尼龙网袋中，封口后将袋置入盛有250mL蒸馏水的玻璃容器中，密封后放入25℃恒温培养箱中，分别于1、2、3、4、7、14、21、28、35、42和60天取样测定养分溶出数据。氮溶出率采用分光光度法测定。

养分释放期是指包膜控释肥在25℃水中累计释放率达80％所需的天数。

实施例1

(1)称取聚乙烯醇31.8g和去离子水621.25g加入装有搅拌器、冷凝器、温度计的三颈烧瓶中，加热到90℃，在电动搅拌器的搅动下使固体聚乙烯醇溶解，待聚乙烯醇完全溶解后降温到60℃，加入聚乙烯吡咯烷酮3.2g及水性丙烯酸酯乳液15.5g，恒温搅拌2h，完全混合均匀后，再加入颗粒粒径为5～10μm的粉煤灰沸石粉1.25g，高速搅拌1h，配置成水基复合溶液。

(2)将颗粒粒径为2～4mm的尿素颗粒700g放入流化床中，在50～60℃的温度下预热10～20min，将(1)所得水基复合溶液经蠕动泵缓慢进料，并由空气压缩机提供的高压气体对进样进行雾化，在高速热空气流的作用下，使包膜材料在肥料表面附着。通风干燥10min至颗粒外形成一层均匀的分隔膜后，开始喷洒棕榈油60g于缓释层表面，出料，自然冷却，即得环保型缓释包膜尿素肥料。

上述方法制备的包膜缓释尿素肥料表面光滑，其抗压测试与控缓释性能测试结果详见表1。

实施例2

(1)称取聚乙烯醇38.2g和去离子水606.25g加入装有搅拌器、冷凝器、温度计的三颈烧瓶中，加热到90℃，在电动搅拌器的搅动下使固体聚乙烯醇溶解，待聚乙烯醇完全溶解后降温到60℃，加入聚乙烯吡咯烷酮3.8g及水性丙烯酸酯乳液18.5g，恒温搅拌2h，完全混合均匀后，再加入颗粒粒径为5～10μm的粉煤灰沸石粉1.5g，高速搅拌1h，配置成水基复合溶液。

(2)将颗粒粒径为2～4mm的尿素颗粒700g放入流化床中，在50～60℃的温度下预热10～20min，将(1)所得水基复合溶液经蠕动泵缓慢进料，并由空气压缩机提供的高压气体对进样进行雾化，在高速热空气流的作用下，使包膜材料在肥料表面附着。通风干燥10min至颗粒外形成一层均匀的分隔膜后，开始喷洒棕榈油70g于缓释层表面，出料，自然冷却，即得环保型缓释包膜尿素肥料。

上述方法制备的包膜缓释尿素肥料表面光滑，其抗压测试与控缓释性能测试结果详见表1。

实施例3

(1)称取聚乙烯醇44.5g和去离子水589.25g加入装有搅拌器、冷凝器、温度计的三颈烧瓶中，加热到90℃，在电动搅拌器的搅动下使固体聚乙烯醇溶解，待聚乙烯醇完全溶解后降温到60℃，加入聚乙烯吡咯烷酮4.5g及水性丙烯酸酯乳液22g，恒温搅拌2h，完全混合均匀后，再加入颗粒粒径为5～10μm的粉煤灰沸石粉1.75g，高速搅拌1h，配置成水基复合溶液。

(2)将颗粒粒径为2～4mm的尿素颗粒700g放入流化床中，在50～60℃的温度下预热10～20min，将(1)所得水基复合溶液经蠕动泵缓慢进料，并由空气压缩机提供的高压气体对进样进行雾化，在高速热空气流的作用下，使包膜材料在肥料表面附着。通风干燥10min至颗粒外形成一层均匀的分隔膜后，开始喷洒棕榈油80g于缓释层表面，出料，自然冷却，即得环保型缓释包膜尿素肥料。

上述方法制备的包膜缓释尿素肥料表面光滑，其抗压测试与控缓释性能测试结果详见表1。

对比例1

除不喷棕榈油外，其余各组分及操作方法同实施例3，得到包膜肥料。

上述方法制备的包膜肥料表面轻微凹凸，其抗压测试与控缓释性能测试结果详见表1。

表1包膜缓释尿素肥料性能

由表1可见，本发明实施例1～3所制得的包膜缓释尿素肥料表面光滑，抗压强度高，且破裂率低，其表明本发明所述的包膜肥料不仅外观好，而且膜强度高。另外，随着包膜材料浓度的增加，不仅包膜肥料的膜强度显著增强，而且其耐水性也有一定程度的增加，肥料养分释放期延长，这说明包膜肥料缓释性能很大程度取决于包膜材料的浓度。