CN101050147A - 保水缓/控释肥料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种保水缓/控释肥料及其制备方法，包括有非金属矿物、水溶性乙烯类不饱和单体、水溶性自由基聚合引发剂、交联剂、肥料、赋型添加剂，保水缓/控释肥料，其制备方法为物理混合、化学合成和包衣三种方法，本发明同时具备肥料缓、控释、保水释水、改善土壤结构的功能，有效提高了肥料利用率，赋予肥料新功能：即有效保持土壤水分，根据作物所需释放水分，促进作物生长；有效改善土壤结构，增强土壤透气性，降低了保水剂的应用成本，便于推广，减少了以往施肥料、施保水剂、调整土壤结构所带来的繁琐工序，节省了人力、物力。环境友好，利于环保，促进资源可持续性发展。
Description
技术领域
本发明涉及一种保水缓/控释肥料及其制备方法。
背景技术
我国农业施肥长期以来存在施用单质肥料、一次施肥、肥料养分利用率低的问题，如氮肥的当季利用率只有30％～40％，磷肥的当季利用率为10～25％，钾肥的利用率为50～60％。这是因为常规肥料水溶性高，养分释放快，释放期短，养分释放期及强度通常与作物养分吸收期及强度不相吻合而导致的。
近年来，研究开发的各种缓/控释肥料采用多种机制对常规肥料水溶性进行控制，有效地延缓或控制肥料养分释放，使肥料养分释放期及强度与作物养分吸收规律基本吻合，降低了肥料养分损失，提高了肥料养分利用率。然而，研究表明：肥料肥效的发挥还取决于土壤水分含量及有效性，水、肥之间存在着交互效应。因此，研究开发具有保水功能的缓/控释肥料是需要迫切解决的生产实际问题，也是水肥互作及耦合理论实践的需要。近年来，保水肥料研究日益受到关注。
一般来说，农林保水材料由于成本偏高，抗盐性差，使其应用受到限制。近年来出现的新型非金属矿物保水剂以其成本低、抗盐性好、改良土壤等特性，成为研究保水肥料的最重要的原材料之一。因此，将肥料产品与新型非金属矿物保水剂有机结合，可有效提高肥料利用率，提高土壤含水率和保水率并综合改良土壤。这将带来巨大的社会效益和经济效益，同时，利于环境保护，促进资源可持续性发展。
发明内容
本发明所要解决的问题是针对上述现有技术而提出的一种保水缓/控释肥料，通过对肥料和水分的“吸持—释放”机理，发挥优良的缓、控释作用，有效提高肥料利用率，提高土壤含水率和保水率并综合改良土壤。
本发明的另外一个目的是提供保水缓/控释肥料的制备方法。
本发明为解决上述提出的问题所采用的解决方案为，保水缓/控释肥料，包括有非金属矿物、水溶性乙烯类不饱和单体、水溶性自由基聚合引发剂、水溶性自由基聚合交联剂、肥料、赋型添加剂，各组分含量按重量百分比计为：非金属矿物0.1％～60％、水溶性乙烯类不饱和单体0.1％～60％、水溶性自由基聚合引发剂0.0001％～0.001％、水溶性自由基聚合交联剂0.0001％～0.002％、肥料20％～99％、赋型添加剂0％～20％。
各组分优选的含量按重量百分比计为：非金属矿物4％～40％、水溶性乙烯类不饱和单体4％～50％、水溶性自由基聚合引发剂0.0002％～0.0008％、水溶性自由基聚合交联剂0.0004％～0.0016％、肥料40％～90％、赋型添加剂1％～5％。
各组分最佳的含量按重量百分比计为：非金属矿物4.2％～20％、水溶性乙烯类不饱和单体4.2％～20％、水溶性自由基聚合引发剂0.0004％～0.0007％、水溶性自由基聚合交联剂0.0004％～0.001％，肥料65％～90％，赋型添加剂1％～4％。
接上述方案，所述的非金属矿物为膨润土、蒙脱石、钠钙铝硅酸盐、高岭土、镁质粘土、绢云母、累托石、伊利石、沸石、石英中的一种或多种的混合。
接上述方案，所述的肥料为氮肥、磷肥、钾肥、复合肥、微量元素肥、有机肥、有机复合肥中的一种或多种的混合。
保水缓/控释肥料，其制备方法为物理混合，其制备过程为：1)混合配料：将非金属矿物加入到水溶性乙烯类不饱和单体溶液中，再依次加入水溶性自由基聚合引发剂和水溶性自由基聚合交联剂，溶解完全，采用高速搅拌机进行搅拌分散或采用胶体磨进行分散，得到混合物料；2)聚合反应：混合物料在反应器中于40～150℃加热1～10小时，得到凝胶；3)将反应生成的凝胶在真空或非真空条件下，干燥，粉碎，得到非金属矿物保水材料；4)将该非金属矿物保水材料和肥料、赋型添加剂一同混合均匀并造粒，即得保水缓/控释肥料颗粒；
保水缓/控释肥料，另一制备方法是化学合成，其制备过程为：1)混合配料：将非金属矿物加入到水溶性乙烯类不饱和单体溶液中，加入肥料，溶解完全，再依次加入水溶性自由基聚合引发剂和水溶性自由基聚合交联剂，采用高速搅拌机进行搅拌分散或采用胶体磨进行分散，得到混合物料；2)聚合反应：混合物料在反应器中于40～150℃加热1～10小时，得到凝胶；3)将反应生成的凝胶在真空或非真空条件下，干燥，粉碎，即得保水缓/控释肥料颗粒；
保水缓/控释肥料，还一制备方法是包衣，其制备过程为：1)混合配料：将非金属矿物加入到水溶性乙烯类不饱和单体溶液中，溶解完全，再依次加入水溶性自由基聚合引发剂和水溶性自由基聚合交联剂，采用高速搅拌机进行搅拌分散或采用胶体磨进行分散，制备非金属矿物保水材料的待聚液；2)包衣过程：在待聚液中加入赋型添加剂，均匀喷涂或包衣在经整粒形成的肥料颗粒周围，40～150℃加热1～10小时，即制得保水缓/控释肥料颗粒。
下面详细介绍本发明：
1.非金属矿物保水材料(保水材料与非金属矿物复合物)：
非金属矿物保水材料是将我国资源丰富、价格低廉的非金属矿物与水溶性聚合物如聚丙烯酸(盐)、聚丙烯酰胺、丙烯酰胺/丙烯酸(盐)共聚物等进行水溶液原位聚合复合法制备的具有综合生态环境效应的高分子保水功能复合材料。
本发明采用该材料的原因是，该材料满足“环境友好、原材料易得且成本较低、吸液倍率和吸液速率适中、凝胶强度较大、在肥料及盐的混合液中具有较高稳定性、反复使用次数多及使用年限较长”等条件，在应用方面应满足“产品品种多样化、保水保土和赋肥多功能化、产品使用简单化、产品性能价格比高”等要求。
2.肥料：
本发明所采用的肥料可以是氮肥、磷肥、钾肥、复合肥、微量元素肥、有机肥(有机复合肥)中的一种，也可以是根据作物生长需要而调配的专用肥料。
3、水溶性乙烯类不饱和单体
典型的离子型水溶性乙烯类不饱和单体是：丙烯酸及其碱金属盐或铵盐，典型的非离子型单体是：丙烯酰胺及其衍生物。其中优选的是丙烯酸及其钠盐或铵盐及丙烯酰胺。这些水溶性乙烯类不饱和单体可以单独使用，也可以混合使用。
乙烯类不饱和水溶性单体在含水溶液中的浓度一般至少为20％，优选20-90％至饱和浓度。丙烯酸可以以部分地或全部地用碱金属或铵化合物中和的形式使用。中和度一般为40％～90％(摩尔)。
4.水溶性自由基聚合交联剂
本发明中使用的水溶性自由基聚合交联剂含至少二个可聚合的基团。典型的水溶性自由基聚合交联剂有：双丙烯酰胺如N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，此类交联剂使高吸水保水剂在体相形成交联或轻度交联以提高高吸水保水剂的凝胶强度。
6.水溶性自由基聚合引发剂
适合此类聚合的水溶性自由基聚合引发剂为过硫酸盐，也可是氧化还原引发体系。如：过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵。这些水溶性引发剂可以混合使用，也可以和还原性物质如亚铁离子、亚硫酸氢钠、亚硫酸钠配合使用。
本发明的有益之处在于同时具备肥料缓、控释、保水释水、改善土壤结构的功能，具体体现在以下几个方面：
1)有效提高了肥料利用率：通过水肥的有机结合和释放机制固定或吸持肥料，并根据作物生长所需的周期和强度缓释、控释肥料，减少了因一次施肥带来的肥料流失和作物供养不足。
2)赋予肥料新功能：有效保持土壤水分，根据作物所需释放水分，促进作物生长；有效改善土壤结构，增强土壤透气性。
3)降低了保水剂的应用成本，便于推广，减少了以往施肥料、施保水剂、调整土壤结构所带来的繁琐工序，节省了人力、物力。
4)环境友好，利于环保，促进资源可持续性发展。
具体实施方式：
实施例1(采用工艺路线1)
配方：
过磷酸钙(肥料)99％ 聚乙烯醇(赋型添加剂)0.1994％ 累脱石(非金属矿物)0.3％丙烯酸(水溶性乙烯类不饱和单体)0.3％ 丙烯酰胺(水溶性乙烯类不饱和单体)0.2％过硫酸钾(水溶性自由基聚合引发剂)0.0002％
N’N-亚甲基双丙烯酰胺(水溶性自由基聚合交联剂)0.0004％
制备方法：
将累脱石加入到丙烯酸、丙烯酰胺溶液中，依次加入过硫酸钾、N’N-亚甲基双丙烯酰胺，溶解完全，胶体磨分散10分钟，在反应器中于80℃加热4小时后，切片，经110℃条件下干燥6小时，粉碎至20目，筛选分级得到累脱石矿物保水材料，然后和过磷酸钙、聚乙烯醇一同混合均匀，使用圆盘造粒机造粒，干燥，即得保水缓/控释肥料颗粒。所得材料吸水倍率大于30倍，含水量小于10％。
实施例2(工艺路线2)
配方：
丙烯酸(水溶性乙烯类不饱和单体)14.594％ 膨润土(非金属矿物)24.4054％尿素(肥料)61％ N’N-亚甲基双丙烯酰胺(水溶性自由基聚合交联剂)0.0004％过硫酸钾(水溶性自由基聚合引发剂)0.002％
制备方法：
在丙烯酸中搅拌下加入膨润土、尿素，充分搅拌使之溶解，在待聚液中加入N’N-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸钾，溶解完全，胶体磨分散10分钟，在反应器中于90℃加热3小时后，切片，经100℃条件下干燥，粉碎，即得保水缓/控释肥料颗粒。所得材料吸水倍率大于80倍，含水量小于10％。
实施例3(工艺路线2)
配方：
丙烯酸(水溶性乙烯类不饱和单体)50.0014％ 膨润土(非金属矿物)24.998％尿素(肥料)25％ N’N-亚甲基双丙烯酰胺(水溶性自由基聚合交联剂)0.0004％过硫酸钾(水溶性自由基聚合引发剂)0.0002％
制备方法：
搅拌下在丙烯酸中加入膨润土、尿素，充分搅拌使之溶解，在待聚液中加入N’N-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸钾，溶解完全，胶体磨分散10分钟，在反应器中于90℃加热3小时后，切片，经100℃条件下干燥，粉碎，即得保水缓/控释肥料颗粒。所得材料吸水倍率大于40倍，含水量小于8％。
实施例4(工艺路线3)
配方：
尿素(肥料)80％ 膨润土(非金属矿物)8％ 丙烯酸(水溶性乙烯类不饱和单体)10％改性淀粉(赋型添加剂)1.9987％
N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(水溶性自由基聚合交联剂)0.0005％
过硫酸钾(水溶性自由基聚合引发剂)0.0008％
制备方法：
在丙烯酸中，加入膨润土，溶解完全，搅拌下加入N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸钾，溶解，胶体磨分散10分钟，制备膨润土矿物保水材料的待聚液；在其中加入改性淀粉，均匀喷涂在尿素颗粒表面，然后60℃热风干燥2小时，即得保水缓/控释肥料颗粒。所得材料吸水倍率大于30倍，含水量小于10％。
实施例5(工艺路线3)
配方：
尿素(肥料)96％ 膨润土(非金属矿物)3％ 丙烯酸(水溶性乙烯类不饱和单体)0.5％改性淀粉(赋型添加剂)0.4987％ 过硫酸钾(水溶性自由基聚合引发剂)0.0008％N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(水溶性自由基聚合交联剂)0.0005％
制备方法：
在丙烯酸中，加入膨润土，溶解完全，搅拌下加入N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸钾，溶解，胶体磨分散10分钟，得到待聚液；在往其中加入改性淀粉，均匀喷涂在尿素颗粒表面，然后80℃热风干燥1小时，即得保水缓/控释肥料颗粒。所得材料吸水倍率大于20倍，含水量小于8％。
实施例6(工艺路线3)
配方：
氯化钾12％ 尿素(肥料)25％ 过磷酸钙62％ 膨润土(非金属矿物)0.5％丙烯酸(水溶性乙烯类不饱和单体)0.4％
N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(水溶性自由基聚合交联剂)0.0005％
改性淀粉(赋型添加剂)0.0987％
过硫酸钾(水溶性自由基聚合引发剂)0.0008％
制备方法：
将膨润土加入丙烯酸中，溶解完全，搅拌下加入N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸钾，溶解，胶体磨分散10分钟，得到待聚液，在其中加入改性淀粉；均匀喷涂在经混合整粒制备的尿素、过磷酸钙、氯化钾颗粒表面，然后80℃热风干燥1小时，即得保水缓/控释肥料颗粒。所得材料吸水倍率大于20倍，含水量小于8％。
实施例7(工艺路线1)
配方：
过磷酸钙(肥料)96％ 聚乙烯醇(赋型添加剂)2％ 累脱石(非金属矿物)0.6％丙烯酸(水溶性乙烯类不饱和单体)0.6％ 丙烯酰胺(水溶性乙烯类不饱和单体)0.7994％过硫酸钾(水溶性自由基聚合引发剂)0.0002％
N’N-亚甲基双丙烯酰胺(水溶性自由基聚合交联剂)0.0004％
制备方法：
将累脱石加入到丙烯酸、丙烯酰胺溶液中，依次加入过硫酸钾、N’N-亚甲基双丙烯酰胺，溶解完全，胶体磨分散10分钟，在反应器中于80℃加热4小时后，切片，经110℃条件下干燥6小时，粉碎至20目，筛选分级得到累脱石矿物保水材料，然后和过磷酸钙、聚乙烯醇一同混合均匀，使用圆盘造粒机造粒，干燥，即得保水缓/控释肥料颗粒。所得材料吸水倍率大于30倍，含水量小于10％。
实施例8(工艺路线1)
配方：
氯化钾(肥料)98％聚乙烯醇(赋型添加剂)1％钠钙铝硅酸盐(非金属矿物)0.3％丙烯酸(水溶性乙烯类不饱和单体)0.3％丙烯酰胺(水溶性乙烯类不饱和单体)0.3994％过硫酸钾(水溶性自由基聚合引发剂)0.0002％
N’N-亚甲基双丙烯酰胺(水溶性自由基聚合交联剂)0.0004％
制备方法：
将钠钙铝硅酸盐加入到丙烯酸、丙烯酰胺溶液中，依次加入过硫酸钾、N’N-亚甲基双丙烯酰胺，溶解完全，胶体磨分散20分钟，在反应器中于70℃加热5小时后，切片，经100℃条件下干燥6小时，粉碎至20目，筛选分级得到累脱石矿物保水材料，然后和氯化钾、聚乙烯醇一同混合均匀，使用圆盘造粒机造粒，干燥，即得保水缓/控释肥料颗粒。所得材料吸水倍率大于30倍，含水量小于10％。
Claims (8)
1、保水缓/控释肥料，其特征在于包括有非金属矿物、水溶性乙烯类不饱和单体、水溶性自由基聚合引发剂、交联剂、肥料、赋型添加剂，各组分含量按重量百分比计为：非金属矿物0.1％～60％、水溶性乙烯类不饱和单体0.1％～60％、水溶性自由基聚合引发剂0.0001％～0.001％、水溶性自由基聚合交联剂0.0001％～0.002％、肥料20％～99％、赋型添加剂0％～20％。
2、按权利要求1所述的保水缓/控释肥料，其特征在于各组分的含量按重量百分比计为：非金属矿物4％～40％、水溶性乙烯类不饱和单体4％～50％、水溶性自由基聚合引发剂0.0002％～0.0008％、水溶性自由基聚合交联剂0.0004％～0.0016％、肥料40％～90％、赋型添加剂1％～5％。
3、按权利要求1所述的保水缓/控释肥料，其特征在于各组分的含量按重量百分比计为：非金属矿物4.2％～20％、水溶性乙烯类不饱和单体4.2％～20％、水溶性自由基聚合引发剂0.0004％～0.0007％、水溶性自由基聚合交联剂0.0004％～0.001％，肥料65％～90％，赋型添加剂1％～4％。
4、按权利要求1或2或3所述的保水缓/控释肥料，其特征在于非金属矿物为膨润土、蒙脱石、钠钙铝硅酸盐、高岭土、镁质粘土、绢云母、累托石、伊利石、沸石、石英中的一种或多种的混合。
5、按权利要求4所述的保水缓/控释肥料，所述的肥料为氮肥、磷肥、钾肥、复合肥、微量元素肥、有机肥、有机复合肥中的一种或多种的混合。
6、权利要求1所述的保水缓/控释肥料的制备方法，其特征在于制备方法为物理混合，制备过程为：1)混合配料：将非金属矿物加入到水溶性乙烯类不饱和单体溶液中，再依次加入水溶性自由基聚合引发剂和交联剂，溶解完全，采用高速搅拌机进行搅拌分散或采用胶体磨进行分散；2)聚合反应：混合物料在反应器中于40～150℃加热1～10小时，得到凝胶；3)将反应生成的凝胶在真空或非真空条件下，干燥，粉碎，得到非金属矿物保水材料；4)将该非金属矿物保水材料和肥料、赋型添加剂一同混合均匀并造粒，即得保水缓/控释肥料颗粒。
7、权利要求1所述的保水缓/控释肥料的制备方法，其特征在于制备方法为化学合成，制备过程为：1)混合配料：将非金属矿物加入到水溶性乙烯类不饱和单体溶液中，加入肥料，溶解完全，再依次加入水溶性自由基聚合引发剂和交联剂，采用高速搅拌机进行搅拌分散或采用胶体磨进行分散，得到混合物料；2)聚合反应：混合物料在反应器中于40～150℃加热1～10小时，得到凝胶；3)将反应生成的凝胶在真空或非真空条件下，干燥，粉碎，即得保水缓/控释肥料颗粒。
8、权利要求1所述的保水缓/控释肥料的制备方法，其特征在于制备方法为包衣，制备过程为：1)混合配料：将非金属矿物加入到水溶性乙烯类不饱和单体溶液中，溶解完全，再依次加入水溶性自由基聚合引发剂和交联剂，采用高速搅拌机进行搅拌分散或采用胶体磨进行分散，制备非金属矿物保水材料的待聚液；2)包衣过程：在待聚液中加入赋型添加剂，均匀喷涂或包衣在经整粒形成的肥料颗粒周围，40～150℃加热1～10小时，即制得保水缓/控释肥料颗粒。
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