專利名稱：一種包膜材料及可控緩釋肥料的包膜方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種包膜材料和利用此包膜材料制成的包膜肥料，尤其涉及一種具有緩釋效果的包膜材料及其制備方法，和可控緩釋肥料的制備方法，屬于肥料及其制造領域。
背景技術：
隨著世界肥料用量的不斷增加，肥料利用率卻呈逐年下降的趨勢，造成資源的嚴重浪費和環(huán)境污染的負面效應，同時對農產品安全生產形成威脅。幾十年來科技工作者力圖通過提高施肥技術的途徑解決這一難題，但限于多種原因仍沒有從根本上得到解決。二十世紀后期隨著生產水平的提高，人們把眼光轉向了肥料產品性能的改造，從兩方面解決這一世界性難題。其目標是開發(fā)高效利用的環(huán)境友好型肥料，其主要技術路線是實現肥料的緩釋與控釋，世界各國紛紛開發(fā)具有自主知識產權的緩/控釋肥料，以適應農產品安全生產、持續(xù)發(fā)展和肥料市場的需求。
目前國際上的主要的緩/控釋肥料有兩類一類是通過化學合成的有機合成氮化合物類緩釋肥料，另一類是通過物理障礙達到緩/控釋目的包膜(裹)肥料。
合成有機氮緩釋肥，如UF、IBDU、CDU。該類肥料的養(yǎng)分釋放緩慢，能夠有效地提高肥料利用率，但是其養(yǎng)分釋放速率受到土壤水分、pH值、微生物等各種因素的影響，不能人為地控制肥料養(yǎng)分釋放節(jié)律，而且商品售價高，主要消費市場在西歐，市場發(fā)展速度慢，世界范圍內此類肥料的需求量有相對下降的趨勢。
包膜肥料主要有硫包尿素，無機物包裹肥料，有機聚合物包膜肥料。
硫包尿素(SCU)是1961年由T.V.A Company USA開發(fā)的硫衣包裹肥料，是最早開發(fā)的無機包裹類緩釋肥，具有以肥包肥的特點。施入土壤后，受到水分，特別是微生物等因素影響，雖然具有一定的緩釋性能，但它難以控制釋放速度，目前進入緩慢發(fā)展階段。
無機包裹類肥料日本用硅酸鹽以及金屬氧化物作為包裹劑，由于硅酸鹽易溶于水，所以肥料的緩釋期不長。中國開發(fā)的包裹型復合肥料是以粒狀的尿素硝銨為核心，以氮磷鉀泥漿為粘結劑，用鈣鎂磷肥、沉淀磷酸鈣或骨粉等磷肥將所說的核包裹起來而形成復合肥料。這類肥料浸泡在水中，核心的尿素、硝酸銨很短的時間(如1.5-2小時)內全部溶出，不能達到控制釋放的目的。雖然在后續(xù)的改進產品中，包裹層中加入了植物油、動物油或其油泥、或其改性物質作為緩釋劑。但是核心溶出時間只有15-30天。
有機高聚物包膜的肥料。由Archer Daniel Midland company USA開發(fā)的Osmocote用作為表面包裹劑的二環(huán)戊二烯和甘油脂的共聚物形成多層。盡管Osmocote肥料具有良好的緩釋性能，但是存在一些缺點，即成本高，材料在土壤中的難于降解。
為了提高膜材料的降解性能日本的藤田利雄、山下吉達等人發(fā)明了涂層中含有一種聚3-羥基-3烷基丙酸的可降解膜控制的包膜肥料，其活性組分中至少包括一種聚烯烴樹脂和從橡膠和乙烯-乙酸乙烯-一氧化碳共聚物中至少一種樹脂作為包膜材料，但是其成本太高，難以用于規(guī)模化生產。
1993年日本窒素株式會社在中國申請了“有涂層的顆粒肥料”的專利，包膜材料主要采用聚烯烴，但所用溶劑為甲苯，該溶劑毒性大，不利于肥料的安全生產。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對目前國內外緩/控釋肥料的生產中存在的問題，提出一種可控緩釋肥料及其制造方法，將聚烯烴、石蠟、無機物料或天然有機物料溶解或分散于有機溶劑中，配以助劑制成包膜液，利用沸騰床將包膜液以噴霧的方式噴涂于顆粒肥料表面，同時向沸騰狀態(tài)的肥料出吹熱空氣，溶劑揮發(fā)后，包膜材料包覆在肥料顆粒表面形成包膜層，制備稱成包膜肥料。
本發(fā)明的目的是通過如下技術方案實現的一種肥料的包膜材料，包括聚烯烴和石蠟，它們之間的重量比為，聚烯烴占60％-98％，石蠟占2％-40％。
還包括無機物料和有機物料，它們之間的重量比，聚烯烴占60％-90％，石蠟占2％-20％，有機物料占2％-25％，無機物料占2％-25％。
一種肥料的包膜材料，還可以包括重量占60％-98％的聚烯烴和2％-40％的無機物料。
一種肥料的包膜材料，還可以包括重量占60％-98％的聚烯烴和2％-40％的有機物料。
一種肥料的包膜材料，還可以包括聚烯烴、石蠟和無機物料，組分之間的重量比為，聚烯烴占60％-90％，石蠟占5％-30％，無機物料占5％-30％。
一種肥料的包膜材料，還可以包括聚烯烴、石蠟和有機物料，組分之間的重量比為，聚烯烴占60％-90％，石蠟占5％-30％，有機物料占5％-30％。
所述無機物料為碳酸鈣、滑石粉、碳酸鎂、石英、沉淀硫酸鋇、粘土中的一種或幾種。
所述有機物料為淀粉、變性淀粉、面粉、秸桿粉、腐植酸粉中的一種或幾種。
還包括表面活性劑OP-10或/和硅油。
一種肥料的包膜材料的制備方法，其特征在于包括，步驟一，量取一定量的溶劑，加熱到70-120℃，步驟二，加入聚烯烴和石蠟；步驟三，聚烯烴和石蠟基本溶解后，按照每升溶劑中加入0-60g的比例加入有機物料，并不斷攪拌成均一的液體，保持加熱，直到包膜液的溫度達到160℃后才停止加熱。
所述步驟一中的溶劑為松節(jié)油，苯、甲苯或二甲苯。
所述步驟二中，按照每升溶劑中加入20-150g的聚烯烴的比例加入聚烯烴，按照每升溶劑中加入0-50g的標準加入石蠟。
所述步驟三中，在加入有機物料的同時，按照每升溶劑中加入0-50g的比例加入無機物料，然后加入表面活性劑。
一種可控緩釋肥料的包膜方法，其特征在于包括，步驟一，在溶解罐中制作包膜液；步驟二，在溶解罐中制備包膜液的同時，開啟風機、空氣壓縮機和空氣加熱器，待被加熱的空氣溫度穩(wěn)定在60-120℃時，將一定質量的肥料通過加料口加入包膜塔內，調節(jié)空氣壓縮機和風機的空氣流量，當肥料在包膜塔內呈穩(wěn)定的沸騰狀態(tài)時，噴覆包膜液。
所述包膜液，包膜液的量由肥料的重量與包衣率決定。
本發(fā)明以聚烯烴為主要包膜材料之一，可以確保制作出的包膜肥料具有較長的緩釋期，采用無機物料可增加膜的光熱可降解性；膜材料中加入有機物料可增加膜材料的生物可降解性，并可協調肥料的養(yǎng)分釋放特性；膜材料的配方中還應用了石蠟等小分子有機物，目的在于改善膜材料的緩控釋性能，同時便于加工，減少噴頭堵塞，采用了OP-10或/和硅油等表面活性劑調節(jié)包膜液的粘度與成膜，便于噴涂包膜并起到調控肥料養(yǎng)分溶出的作用，采用松節(jié)油作為溶劑，該溶劑的毒性低，保證了肥料的安全生產。
肥料的包膜應用沸騰床包膜塔為主體的設備，該設備的工藝簡單，產出的肥料覆膜均勻，便于溶劑回收。本發(fā)明所產出的肥料的膜耐磨損，緩/控釋性能好，在25℃水中浸泡，初期溶出率可控制在15％以內，肥料的釋放期(養(yǎng)分釋放80％所需的天數)可實現調控，可以通過復合膜材料的配比以及比膜重(單位面積膜的質量)靈活地調控肥料的養(yǎng)分釋放性狀。


圖1為肥料包膜方法的流程圖；圖2為制作包膜肥料的加工流程示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發(fā)明的技術方案進行詳細描述。
本發(fā)明的包膜肥料有肥料和其外面的包膜組成，其中肥料可以是氮肥、磷肥、鉀肥和復混肥料，只要是圓顆粒狀，肥料的硬度達到行業(yè)標準的要求，都可以進行包膜；包膜材料采用以聚烯烴為主的混合包膜材料，既能保證肥料前期養(yǎng)分的緩慢釋放，又能做到標定期養(yǎng)分放的出來，有效實現養(yǎng)分的控制釋放，并增加肥料膜的可降解性。
包膜材料由聚烯烴和石蠟、有機物料、無機物料中的一種或幾種組成。
本發(fā)明的包膜材料中必不可少的一種組分是聚烯烴，一般用聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯中的一種或者幾種。僅僅用聚烯烴也能形成較好的覆蓋膜，不同的聚烯烴的緩釋性能不同，相同包衣率條件下，用聚乙烯或/和聚丙烯包膜的肥料緩釋期長，聚苯乙烯或/和聚氯乙烯的緩釋期要短，但是單純施用聚烯烴包膜肥料，膜的調控性能不佳，往往造成膜內殘留較多的養(yǎng)分不能在作物生育期內釋放，肥料養(yǎng)分釋放的可控性差，因此在包膜材料中加入石蠟等成分來調節(jié)肥料養(yǎng)分的釋放特性。
復合膜材料比單一膜材料具有更好的控釋性，并可以通過調節(jié)復合膜材料的配比以及比膜重(單位面積膜的質量)靈活的調控肥料養(yǎng)分的釋放特性。
石蠟也是本發(fā)明的包膜材料中重要的組分，石蠟的加入不但優(yōu)化了膜材料的可控性能，而且有助于加工。單純使用聚烯烴，或者聚烯烴與粉末狀添加劑，容易堵塞噴頭，加入石蠟以后可適當提高包膜液濃度，降低包膜過程中的堵塞故障。聚烯烴與石蠟組成的包膜材料的重量比的范圍為聚烯烴占60％-98％，石蠟占2％-40％。
為了調節(jié)膜對養(yǎng)分釋放的可調控性能，在包膜材料中還配有粉末狀添加劑，粉末狀添加劑可以是不溶于松節(jié)油等溶劑的有機物料也可以是無機物料，或二者兼而有之。單獨用一種添加劑也具有一定的調節(jié)能力，但是復合添加劑的效果更好。添加劑的加入還可提高膜材料的降解性能，有機物料可增加膜材料的生物降解性，可以是淀粉、變性淀粉、面粉、秸稈粉和腐植酸粉末中的一種或幾種的混合物；聚烯烴與有機物料組成的包膜材料的重量比的范圍為聚烯烴占60％-98％，有機物料占2％-40％。無機物料可以增加膜的光熱可降解性，可以是滑石粉、碳酸鈣、碳酸鎂、石英粉、沉淀硫酸鋇和粘土礦物中的一種或幾種的混合物；聚烯烴與無機物料組成的包膜材料的重量比的范圍為聚烯烴占60％-98％，無機物料占2％-40％。還可以在聚烯烴和石蠟的混合物中加入有機物料或/和無機物料，只加入一種的重量比范圍為聚烯烴占60％-90％，石蠟占5％-30％，有機物料或無機物料占5％-30％；兩種都加入的重量比范圍為聚烯烴占60％-90％，石蠟占2％-20％，有機物料占2％-25％，無機物料占2％-25％。
需要特別注意的是以上給出的膜材料組分之間的重量比并不是不可逾越的，針對不同的用途和不同的需求可以靈活改變，例如，肥料的包衣率(膜材料占包膜肥料的百分數)在9％以上，且無機和有機添加物總量占膜材料的比例不超過20％時，組分中的石蠟多于聚烯烴所制出的包膜肥料可以有效控制養(yǎng)分釋放。
另外，這些粉末的粒徑也會影響膜的性能以及加工性能，從而影響包膜肥料的養(yǎng)分釋放性狀，所添粉末的細度一般應小于200目，最好選用超細級粉末。
此外，在包膜液中還可以加入表面活性劑，如OP-10和硅油都是較好的表面活性劑，在制作包膜液時可選擇其中的一種或兩者的混合物作為復合表面活性劑，以便強化成膜特性，提高包膜效率。
本發(fā)明采用松節(jié)油作為溶劑，該溶劑低毒，可保障包膜肥料的安全生產，也可以選用苯、甲苯、二甲苯等有機溶劑。
使用上述材料制備包膜液的方法包括如下步驟首先，量取一定量的溶劑--松節(jié)油，加熱到70-120℃；按照每升松節(jié)油中加入20-150g的聚烯烴的比例加入聚烯烴，然后加入石蠟，按照每升松節(jié)油中加入0-50g的量加入石蠟，待聚乙烯與石蠟大部分溶解后，每升溶劑中可加入有機物料--淀粉0-60g，并不斷攪拌直到制成均一的液體；如果配方中有碳酸鈣粉，可在加入淀粉的同時，每升溶劑中加入無機物料--碳酸鈣粉末0-50g，最后還可以加入表面活性劑；在這段時間內保持加熱，直到包膜液的溫度達到160℃后才停止加熱，如溫度低于120℃以下應當重新加熱，將包膜液溫度穩(wěn)定在130-160℃之間為佳。
包膜液制備好后就可以利用包膜設備制備包膜肥料。
本發(fā)明中所包覆的核心肥料顆粒，因其種類，顆粒、表面光滑度、硬度、粒徑、形狀等性狀不同，對工藝有所要求。
(1)肥料的種類氮肥、磷肥、鉀肥和復混肥料，只要是顆粒狀，肥料的硬度達到行業(yè)標準的要求，都可以進行包膜，只是相同包衣率下，由于肥料的種類的不同，其養(yǎng)分釋放特性也有所不同。
(2)顆粒直徑。肥料的顆粒直徑既影響?zhàn)B分釋放速率又影響到包衣材料的用量。同類肥料，相同包衣率條件下，直徑小的肥料表面積大，所形成膜的厚度薄，則養(yǎng)分釋放快，肥料顆粒直徑一般在1.0-6.0mm范圍內包膜效果較好。
(3)形狀。本發(fā)明中的包膜肥料最好為圓形顆粒狀，形成的膜比較均勻、破損率小，養(yǎng)分釋放的可控性較強。
(4)硬度與表面光滑度。肥料的硬度小則可能在包膜過程中造成肥料顆粒破碎，嚴重影響包膜效果，硬度大的肥料在包膜過程中不易破碎，加工性能好。一般說來能夠達到國家標準的肥料都能滿足加工要求。表面不光滑的在包膜過程中，在肥料表面的突起部位容易造成膜破碎，一般選擇表面較光滑的肥料加以包膜效果較好。
圖1為本發(fā)明肥料包膜方法的流程圖，采用現有的包膜塔制備包膜肥料，先將已經配制好的膜材料放入盛有溶劑的溶解罐中，加熱制備成包膜液，開啟風機和空氣壓縮機和空氣加熱器，待被加熱的空氣溫度穩(wěn)定在60-120℃時，將一定質量的肥料通過加料口加入包膜塔內，調節(jié)空氣壓縮機和風機的空氣流量，當肥料在包膜塔內呈穩(wěn)定的沸騰狀態(tài)時，噴涂包膜液。
包膜液的量由肥料的重量與包衣率決定，例如包膜液的濃度為100g/L，肥料的包衣率為10％，則每公斤肥料需要1L包膜液。
包膜肥料的加工流程如圖2所示，包括步驟一，制作包膜液。首先量取溶劑，放入溶解罐中，再加入聚烯烴、石蠟等添加劑，加熱攪拌，直到制成均一的包膜液，在此包膜液中加入表面活性劑等助劑。
步驟二，對肥料進行包膜，在溶解罐中制備包膜液的同時，開啟風機、空氣壓縮機和空氣加熱器，待被加熱的空氣溫度穩(wěn)定在60-120℃時，將一定質量的肥料通過加料口加入包膜塔內，調節(jié)空氣壓縮機和風機的空氣流量，當肥料在包膜塔內呈穩(wěn)定的沸騰狀態(tài)時，噴覆包膜液。
為了說明本發(fā)明包膜肥料的養(yǎng)分控釋特性，制備了本發(fā)明實施例所制作的包膜尿素與包膜復混肥料樣品，其膜材料的配比及養(yǎng)分溶出特性分別見表1、表2。本實施例用大顆粒尿素，每公斤尿素的表面積為1.8-2.2m2，小顆粒尿素11-13m2，復混肥(養(yǎng)分比例16-12-12)，每公斤肥料的表面積為1.1-1.3m2。將本發(fā)明上述實施例中制備的緩釋肥料按每份10.0g裝在尼龍網袋中，然后將其浸泡入盛有200.0mL去離子水的塑料瓶中，在25℃條件放置24h后，將尼龍網袋取出，測定溶液中的養(yǎng)分含量。將取出的肥兜再放入另一個盛有200.0mL去離子水的塑料瓶中，繼續(xù)在25℃下靜置，直到7d，在取出肥兜，并測定溶液中的養(yǎng)分含量。計算包膜肥料的初期溶出率、微分溶出率與釋放期。
初期溶出率是指包膜肥料在25℃的去離子水中浸泡24h養(yǎng)分溶出的百分率。微分溶出率是指包膜肥料在25℃的去離子水中浸泡，第2-7d的平均溶出率。釋放期＝(80-初期溶出率)/微分溶出率+1。
表1包膜1.5kg尿素的膜材料配比及相應肥料的氮素溶出特性

如表1所示，1#-4#為聚烯烴和石蠟組成的膜材料的幾組配比及其對應的性能參數，其中4#加入了助劑OP-10用于強化膜特性，5#-7#為聚烯烴和碳酸鈣組成的膜材料，其中6#中加入了助劑，8#-11#為聚烯烴和淀粉組成的膜材料，其中11#中加入了助劑，12#-14#、20#為聚烯烴、石蠟和淀粉組成的膜材料，15#-17#為聚烯烴、石蠟和碳酸鈣組成的膜材料，其中17#中加入了助劑，18#-19#為聚烯烴、石蠟、淀粉和碳酸鈣組成的膜材料，19#中加入了助劑。可見膜材料采用不同的配比將得到不同的肥料溶出性能，可以根據實際使用時的需要進行選擇。
表2包膜復混肥料的膜材料配比及相應肥料的養(yǎng)分溶出特性


最后所應說明的是以上實施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術方案，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解依然可以對本發(fā)明進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種肥料的包膜材料，其特征在于包括聚烯烴和石蠟，它們之間的重量比為，聚烯烴占60％-98％，石蠟占2％-40％。
2.根據權利要求1所述肥料的包膜材料，其特征在于還包括無機物料和有機物料，它們之間的重量比，聚烯烴占60％-90％，石蠟占2％-20％，有機物料占2％-25％，無機物料占2％-25％。
3.一種肥料的包膜材料，其特征在于還可以包括重量占60％-98％的聚烯烴和2％-40％的無機物料；或所述肥料的包膜材料包括重量占60％-98％的聚烯烴和2％-40％的有機物料；或所述肥料的包膜材料包括聚烯烴、石蠟和無機物料，組分之間的重量比為，聚烯烴占60％-90％，石蠟占5％-30％，無機物料占5％-30％；或所述肥料的包膜材料包括聚烯烴、石蠟和有機物料，組分之間的重量比為，聚烯烴占60％-90％，石蠟占5％-30％，有機物料占5％-30％。
4.根據權利要求2或3所述肥料的包膜材料，其特征在于所述無機物料為碳酸鈣、滑石粉、碳酸鎂、石英、沉淀硫酸鋇、粘土中的一種或幾種。
5.根據權利要求2或3所述肥料的包膜材料，其特征在于所述有機物料為淀粉、變性淀粉、面粉、秸桿粉、腐植酸粉中的一種或幾種。
6.根據權利要求1或2或3所述肥料的包膜材料，其特征在于還包括表面活性劑OP-10或/和硅油。
7.一種肥料的包膜材料的制備方法，其特征在于包括，步驟一，量取一定量的溶劑，加熱到70-120℃；步驟二，按照每升溶劑中加入20-150g的比例加入聚烯烴，按照每升溶劑中加入0-50g的比例加入石蠟；步驟三，聚烯烴和石蠟基本溶解后，按照每升溶劑中加入0-60g的比例加入有機物料，并不斷攪拌成均一的液體，保持加熱，直到包膜液的溫度達到160℃后才停止加熱。
8.根據權利要求7所述的肥料的包膜材料的制備方法，其特征在于所述步驟一中的溶劑為松節(jié)油，苯、甲苯或二甲苯。
9.根據權利要求7所述的肥料的包膜材料的制備方法，其特征在于所述步驟三中，在加入有機物料的同時，按照每升溶劑中加入0-50g的比例加入無機物料，然后加入表面活性劑。
10.一種可控緩釋肥料的包膜方法，其特征在于包括，步驟一，在溶解罐中制作包膜液；步驟二，在溶解罐中制備包膜液的同時，開啟風機、空氣壓縮機和空氣加熱器，待被加熱的空氣溫度穩(wěn)定在60-120℃時，將一定質量的肥料通過加料口加入包膜塔內，調節(jié)空氣壓縮機和風機的空氣流量，當肥料在包膜塔內呈穩(wěn)定的沸騰狀態(tài)時，噴覆包膜液。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可控緩釋肥料的包膜材料及其制備方法，其中包膜材料由聚烯烴和石蠟、有機物料、無機物料中的一種或幾種組成，還可以加入表面活性劑，溶劑為松節(jié)油；包膜液的制備方法包括首先，量取一定量的溶劑，加熱到70－120℃，然后加入聚乙烯和石蠟，待聚乙烯與石蠟基本溶解后，可加入淀粉0－60g，并不斷攪拌制備成均一的液體，保持加熱，直到包膜液的溫度達到160℃后停止加熱。包膜材料采用以聚烯烴為主的復合包膜材料，既能保證肥料初期養(yǎng)分的緩慢釋放，又能作到后期養(yǎng)分放的出來，有效實現了養(yǎng)分的控制釋放，而且增加了肥料膜的可降解性。
文檔編號C08L23/02GK1486964SQ0315581
公開日2004年4月7日 申請日期2003年8月22日 優(yōu)先權日2003年8月22日
發(fā)明者陳凱, 曹一平, 陳 凱 申請人:中國農業(yè)大學