CN101225009A - 一种凝胶基保水缓释尿素肥料合成工艺及生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其主要包括以下步骤：1)丙烯酸单体用20％氢氧化钾溶液中和，得到中和度为25％的混合单体溶液；2)将混合单体溶液计量加入到尿素水溶液中，形成聚合混合液；3)在保温搅拌条件下，加入交联剂，加热搅拌待交联剂溶解后，加入自由基引发剂；4)于保温搅拌条件下至聚合反应发生，生产水凝胶体；5)破碎、烘干、粉碎、筛分、包装即为凝胶基保水缓释尿素肥料。该保水缓释尿素肥料合成工艺不使用有机溶剂，无溶剂回收问题，工艺简便，成本较低。

Description

一种凝胶基保水缓释尿素肥料合成工艺及生产方法

技术领域

本发明涉及化肥工业及农用化学肥料技术领域，尤指一种化学肥料和超强吸水剂的复合技术，是将超强吸水剂(农业称为的保水剂)和尿素肥料通过化学聚合反应聚合为一体化材料，属于高吸水膨胀化学氮肥，肥料具有养分延缓释放功能，是一种凝胶基保水缓释尿素肥料。

背景技术

干旱是农业生产面临的主要制约因素之一，而目前农业广泛使用的肥料不具有吸水保水作用。另一方面，目前农业广泛使用的肥料主要是高水溶性肥料，其特点是水溶性高，养分速效，缺点是养分释放快、养分有效期短，导致肥料养分释放与作物养分吸收不相协调，肥料养分易淋移、土壤固定或挥发损失(挥发损失主要是氮肥)，因而肥料养分利用率低，肥料投入和产出比低，肥料养分流失到水体中影响水体质量，危害水生生物及人类饮用水质量。氮肥以氨挥发及氧化氮挥发到大气中加剧温室效应，引发全球气候变暖。因此，改善现有肥料性能，增加肥料保水功能，延缓养分释放，促进水肥互作效应，提高肥料养分吸收利用效率，降低肥料养分损失具有重大的现实意义。

将保水剂和肥料在材料和功能复合一体化为保水缓释肥料是国际肥料研究的前沿和肥料发展的趋势，保水缓释肥料具有吸水保水和养分缓释双重功能，也就是兼有保水剂和缓释肥料的作用。保水缓释肥料可以调节土壤水分余缺，改善水肥相互作用，提高水、肥利用效率，降低肥料养分淋移、固定或挥发损失，减轻环境污染(Mikkelsen R.L..Using hydrophilic polymers to controlnutrient release[J].Fertilizer Reseach，1994，38：53-59；何绪生 等.保水缓/控释肥料研究进展[J].农业工程学报，2006，5：180-186)。

对于高水溶性和养分释放快的常规肥料的改进途径之一是研制和生产缓/控释肥料，缓/控释肥料是国内、外肥料革新和性能改善的重要方面，也是发展很快和最大的一类新型肥料，在农业、专业园艺、草皮、城市绿地、高尔夫球场及庭院花卉及观赏植物方面都有广泛应用，目前缓/控释肥料已部分进入农业领域在大宗作物上的应用，如水稻、玉米等(Review：Utilization Advantagesof Controlled Release Nitrogen Fertilizer on Paddy Rice Cultivation，2004，JARQ 38(1)：15-20)。

目前，缓/控释肥料是常规肥料的改性或新合成的具有养分缓释功能的肥料，主要有四类：

1)化学改性和新合成的低溶解度或生物缓慢降解的混合物或化合物，如尿素化学改性的脲甲醛(Ureaformdehyde：UF)，异丁烯叉二脲(IsoButylideneDiUrea：IBDU)，丁烯啶二脲(Crotonylidine DiUrea：CDU)，烷基化尿素(Alkyled urea)及新合成的草酰胺(Oxamide)、三嗪酮(Triazone)；

2)包膜类：就是采用物理或化学的工艺在常规肥料颗粒表面包裹惰性材料膜的控释肥料，这包括具有养分功能的材料包膜，没有养分功能的树脂、塑料及废弃塑料包膜。用具有养分功能材料包膜肥料，如硫包膜的各种肥料(AllenS E，G L Terman and H G Kennedy.Nutrient uptake by grass and leachinglosses from soluble and S-coated urea and K[J].Agron.J.1978，70：264-268.)、难溶性磷矿粉或金属磷酸盐(李菂萍，王好斌，等.二价金属磷酸盐包裹型缓释肥料的制造[P].中国发明专：ZL95109720.2，19980822.)。树脂、塑料及废弃塑料包膜的各类肥料，如聚氨酯包膜尿素(Christianson C.B.Factors affecting N release of urea from reactive layer coated urea[J].Fertilizer Research，1988，16：273-284.)、聚烯烃包膜(Kosuge N.Tobataku K..Coated granular fertilizers[P].EP 030331，1989.)、聚砜包膜尿素、交联聚丙烯酰胺(Rajsekharan A.J.and V.N.Pillai.Membrance-encapsulated contolled-release urea fertilizers based onacrylamide copelymers[J].Journal of Applied Polymer Science，1996，60：2347-2351)。

3)基质复合缓释肥料：如牛皮纸木质素(Garcia M，et al.Use of kraftlignin in controlled-release fertilizer formulations[J].IndianEngineering Chemistry Research，1996，35：245-249.)，氨化木质素(RamirezF，V Gonzalez，et al.Ammoxidized kraft lignin as a slow-releasefertilizer tested on Sorghum vulgare[J].Bioresource Technology，1997，61(1)：43-46.)，木质素或磺化木质素(王德汉，彭俊杰，廖宗文.木质素包膜尿素(LCU)的研制及其肥效试验[J].农业环境科学学报，2003，22(2)：185-188.穆环珍，杨问波，等.造纸黑液木质素在肥料中的应用[J].环境保护，2003，6：51-53，54.)等。

无论是常规化学肥料，还是目前主流缓/控释肥料，都不具有吸水保水及释水作用，而水分则是肥效发挥必不可少的因素。由于全球有一半左右的耕地属于旱地，我国也有几近一般的耕地属干旱半干旱地区，在这些地区进行农业生产和植被恢复需要有效的保水技术，保水剂是节水保水一类重要的化学品，已在农林业广泛应用(李成林，超强吸水剂的应用及展望.化工纵横，2003，17(8)：9-10.)。虽然保水剂具有超强的吸水保水作用，但不具有肥料养分，养分则是农作物生产和植被生长必须的营养条件，保水剂和肥料分别施用费工费时，也不利于水肥交互作用和水肥效应的发挥。此外，在干旱半干旱土壤上水肥交互作用及效应的增产效应已为研究和实践证实，水肥耦合模型理论也有研究报道和应用(翟丙年，李生秀.冬小麦产量的水肥耦合模型[J].中国工程科学，2002，4(9)：69-74.)，但是水肥一体化肥料产品很少。因此，将肥料和保水剂复合一体化，制造具有保水功能和养分缓释功能的保水缓释肥料成为肥料研究前沿和方向，符合节水和旱地农业生产实际需要。

用保水剂作为肥料养分的载体，其对肥料养分的吸附和结合，可以延缓肥料养分释放，从而降低肥料养分损失。同时，由于保水剂材料的吸水作用，它能够在土壤水分多时(如灌溉和降雨)，吸收保存水分，甚至将土壤空气和空气中水汽转化为水分保存下来，并在土壤水分降低和不足时供给植物利用。更重要的是，保水肥料颗粒吸纳水分后，相当一个个“水肥库”，可改善肥料颗粒周围的水分状况，有利于植物根系趋化性生长，有利于根系发育和水肥吸收，进而促进植物健壮生长，最终促进植物增产。此外，保水剂本身也是一种土壤结构改良剂，可以改善土壤结构及土壤吸水保水性能，其在土壤中残留不会毒害土壤生物。

保水剂和肥料复合一体化制造保水缓/控释肥料的工艺主要有四类：①物理吸附：将保水剂材料添加到肥料溶液中，制成富营养溶胶或凝胶肥，或干化为固体的干凝胶肥料。②混合造粒：即将保水剂和肥料通过造粒机混合造粒，制成混合颗粒。③用保水剂作为包膜材料，包裹常规水溶性颗粒肥料，制成保水材料包膜的缓/控释肥料。④采取化学合成方法，将肥料养分元素化合或聚合到聚合有机分子中，制成化学合成保水缓/控释肥料。

物理吸附：即将保水剂加入到肥料溶液中，让其吸收水和养分形成水溶胶或水凝胶，或者将水分和养分饱和的水溶胶或水凝胶烘干为干凝胶。如Mikkelsen等(Mikkelsen R L，A D Behel and H M Williams.Addition ofgel-forming hydrophilic polymers to nitrogen fertilizer[J].FertilizerResearch，1993，36：55-61.)将保水剂添加到硝酸铵-尿素溶液制成黏液肥。Mortvedt等(Mortvedt J J，R L Mikkelsen and A D Jr Behel.Grain SorghumResponse to Granular Formulations of Iron Sources and HydrophilicPolymers[J].Journal of Plant Nutrition，1992a，15(10)：1913-1926；Mortvedt J J，R L Mikkelsen and J J Kelsoe.Crop Response to FerrousSulfate in Banded Gels of Hydrophilic Polymers[J].Soil Science Societyof American Journal，1992b，56：1319-1324.)用硫酸亚铁溶液水化聚丙烯酰胺，制成黏胶液态肥料。Pill和Watts(Pill W G and D M Watts.Nutrient-fortified Gel as a Growth Medium for Tomato Seedlings[J].HortScience，1983，18(6)：909-911.)用吸附有肥料养分的富营养保水剂作为栽培基质。周世新  等(周世新，宁作斌，等.高效营养保水剂在大田玉米生产上的实验效果[J].中国农业气象[J]，2001，22(4)：43-46，35.)和宁作斌 等(宁作斌，等.高效营养保水剂的研究与应用[J].北方园艺，2001，139(4)：11-12.)使用的高效营养保水剂是一种含有肥料养分，农药及植物激素的复合水凝胶或干凝胶。物理吸附工艺用成品保水剂作为养分吸附载体，制备简单，但其养分浓度偏低。其次，由于水化溶液粘度高，增加了机械施肥难度。因此，可将吸附肥料溶液后的保水剂干燥固化为干营养凝胶。

混合造粒：即将保水剂和肥料通过造粒机混合造粒，制成混合颗粒。无论是挤压造粒还是圆盘及转鼓造粒，除了水溶保水剂与肥料有良好的造粒效果外，水不溶保水剂与肥料造粒效果很不理想。因为，水不溶保水剂吸水膨胀，且粘结性能差，很难用水粘结造粒，必须使用其它粘结剂粘结挤压造粒。叶云等(叶云，等.保水长效复合肥的生产与应用[J].广州化工，2000，28(4)：91-93，78.)、周斌(周斌.保水长效复合肥的生产及其应用[J].化肥工业，2003，30(4)：55-56.)分别使用粘合剂将保水剂与多种肥料在圆盘造粒机上制成了一种保水长效复合肥，其工艺较为复杂，成本高，未见吸水倍率说明。

包膜：是用保水剂作为颗粒肥料的包膜材料，通过物理或化学方式将其包裹到肥料颗粒表面制成的保水包膜肥料。这一类利用方式使得保水肥料的养分含量提高，也对肥料养分起到一定延缓释放作用。Abraham和Pillai(1995，1996)(Abraham J.and V.N.R.Pillai.Membrane-encapsulatedcontrolled-release urea fertilizers based on acrylamide copoly mers[J].J.Appl.Polym.Sci.1996，60，2347-2351；Abraham J.and V.N.R.Pillai.N，N’-methylene bisacrylamide-crosslinked polyacrylamide forcontrolled release urea fertilizer formulations[J].Communications inSoil Science and Plant Analysis，1995，26(19&20)：3231-3241.)报道交联聚丙烯酰胺具有一定的密封性、养分缓释性及保水性，可作为肥料的包膜材料制备缓释肥料，并用醋酸乙烯乙酯做密封剂可进一步改善交联聚丙烯酰胺包膜材料的控释性能。杜建军(杜建军.保水型控释肥料的研制及控释肥料评价方法的研究[D].广州：华南农业大学，2002.)用改性矿物做尿素颗粒包膜的内膜，保水剂材料做外膜，通过物理涂覆制备包膜肥料，也取得了较好的效果。吴春华等(吴春华，等.淀粉基缓释肥料的研制[J].南京林业大学学报(自然科学版)，2002，26(5)：21-23.)以淀粉与聚乙烯醇为原料，在交联剂的作用下，制备包膜料液，用物理涂层法制作包膜尿素，未见其吸水倍率指标。何绪生等(2005)利用化学聚合反应在尿素颗粒表面直接成膜制成保水包膜尿素肥料，这种肥料吸水倍率在30倍以上，含氮量在30％左右，并有较好的养分缓释作用。沈阳应用生态研究所等单位合作生产的一种长效保水复混肥，其含氮量为20％~25％，其工艺尚不清楚。

张禄和王清(张禄，王清.一种长效保水型化肥及其制造方法[P].中国专利，公开号：CN 1107458A，1995.)申请了氮、磷、钾或其混合物与沙蒿籽为主要原料混合配制的一种长效保水肥料，但用沙蒿籽作为原料生产保水肥料，其原料不易收集。刘玉清和石文堂(刘玉清，石文堂.一种能吸水、保水的化肥及其制造方法[P].中国专利，公开号：CN 1297871A，2001.)申请了一种能吸水、保水的化肥及其制造方法的专利，它是由能够吸收并且保持水分的高分子树脂如淀粉基聚丙烯酰胺胶或交联聚丙烯酸钠等与化肥如尿素，普通过磷酸钙及硝酸铵等为原料，经过复混包裹涂膜处理而成。复混包裹涂膜工艺得到保水缓释肥料，其保水剂与肥料的结合牢固程度比较低，在贮运过程中保水剂材料易脱落，肥料颗粒易崩解。何绪生等(2004.9.20)(ZL200410078165.7)申请了一种保水剂包膜尿素肥料的生产工艺，该肥料是利用化学聚合反应在颗粒尿素表面直接形成保水剂包膜的保水缓释尿素肥料，该工艺具有不使用有机溶剂、吸水倍率高和膜不易脱落的优点，但是由于是原液聚合反应，肥料粒子间粘结力强，控制肥料成粒条件苛刻，给工艺带来复杂性。LIANG Rui和LIUMingzhu(2006)报道了一种双层包膜保水缓释尿素肥料的制备和性质，其方法是在尿素颗粒表面先包裹一层PS膜形成内膜(反相成膜)，然后在再内膜表面用水粘裹上PAAU粉末，最后用环氧氯丙烷丙酮溶液喷涂到外层使PAAU交联，烘干成外膜，该工艺使用了有机溶剂，回收难，工艺复杂，容易造成污染。

化学结合：即将肥料养分通过聚合反应结合到保水剂聚合物分子中，使肥料养分成为保水剂聚合物分子本身的组成成分，这一方式即可提高保水肥料的养分含量，还可引入新的养分控释机制，改善保水肥料养分延缓释放效果。现有保水剂如聚丙烯酰胺、淀粉接枝丙烯腈中虽含有氮，但其不能起到肥料的养分作用。斯特豪森公司生产的钾基聚丙烯酸酯聚丙烯酰胺保水剂含有21.4％氧化钾，但其钾素对当季作物的肥效未见研究报道。

Erdener Karadag等(Erdener Karadag，Dursun Saraydin，YaseminCaldiran and Olgun Gueven.Swelling Studies of CopolymericAcrylamide/Crotonic Acid Hydrogels as Carriers for Agricultural Uses[J].Polymer Advanced Technology，2000，11，59-68.)通过γ辐射聚合反应合成了一种高膨胀性丙烯酰胺/丁烯酸保水复合肥，形状呈棒状，其含有肥料硝酸铵，硝酸钾及硫酸铵，农药如Dalopon(2，2-二氯丙酸钠的一些无机盐，和交联剂，该保水复合肥在水中膨胀度为2045-400％。Zhan Falan等(Zhan Falu，LiuMingzhu，Guo Mingyu，Wu Lan.Preparation of Superabsorbent Polymer withSlow-Release Phosphate Fertilizer[J].Journal of Applied PolymerScience，2004，92：3417-342.)用磷酸酯化聚乙烯醇得到一种超强保水缓释磷肥，其24小时达到吸水饱和的吸水倍率为480g·g-1，含P2O5达31.2％，是一种新型保水缓释磷肥。Guo Mingyu等(Guo Mingyu，Liu Mingzhu，Hu Zheng，Zhan Falu，Wu Lan.Preparation and Properties of a Slow Release NPCompound Fertilizer with Superabsorbent and Moisture Preservation[J].Journal of Applied Polymer Science，2005，96：2132-2138)将羧甲基淀粉，丙烯酸，氨水，尿素和磷酸二铵混合液聚合得到一种化学结合保水缓释NP肥，其吸水倍率为85g·g-1，含氮量为22.6％，含磷量为7.2％(P2O5)，具有较好的保水缓释性能。李雅丽(李雅丽.含微量元素土壤保水剂的合成研究[J].化工时刊，2003，17(3)：21-23.)采用水溶液聚合法以淀粉、丙烯酸、丙烯酸胺与ZnSO4·7H2O、Na2B4O7·10H2O聚合得到了吸水倍率为400～600g·g-1微肥保水剂，吸0.9％NaCl溶液为90～120g·g-1，微量养分具有缓释作用。王莉莉等(王莉莉，温国华，等.含钾、氮的吸水保水剂的合成与性能研究[J].胶体与聚合物，2005，23(2)：32-33，42.)玉米淀粉与丙烯酸及其钠、钾盐进行自由基接枝聚合，制得含钾、氮的高吸水树脂，其保水性能良好，吸去离子水720g·g-1，自来水240～250g·g-1，0.9％NaCl溶液50～55g·g-1。

氮肥是农业中消费量最大的肥料，也是与环境关系密切的肥料，而尿素是消费量最大的氮肥，将尿素与保水剂复合一体化，增加水肥互作，延缓养分释放，提高尿素氮肥利用率，降低尿素肥料的养分损失对提高农业生产效率，减轻环境污染具有重大意义。

目前，已研究的保水缓释肥料或现有专利的保水缓释肥料存在以下问题：

①已研究或申报专利的保水缓释肥料，使用有机溶剂，存在有机溶剂回收问题，成本较高，工艺复杂的问题，工业化生产局限性大。

②已申报专利的保水复合肥的保水材料原料来源局限性大，或保水材料昂贵，限制其工业化生产。

③由于交联保水剂粘结性能差，与肥料造粒后，在储运和使用过程中，保水缓释肥料颗粒易崩解，影响肥料美观及使用效果。

④由于钠离子的非营养作用及对土壤结构的破坏作用，使用交联聚丙烯酸钠保水剂作为肥料缓释载体及保水剂，不宜在土壤中长期使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种凝胶基保不缓释尿素合成方法，其可克服现有的缺陷，具有工艺简单，吸水倍率高，养分含量高，养分缓释，不使用有机溶剂，无污染，无溶剂回收问题，成本较低的优点。

一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其主要包括以下步骤：

1)丙烯酸单体用20％氢氧化钾溶液中和，得到中和度为25％的混合单体溶液；

2)将混合单体溶液计量加入到尿素水溶液中，形成聚合混合液；

3)在保温搅拌条件下，加入交联剂，加热搅拌待交联剂溶解后，加入自由基引发剂；

4)于保温搅拌条件下至聚合反应发生，生产水凝胶体；

5)破碎、烘干、粉碎、筛分、包装即为凝胶基保水缓释尿素肥料。

所述的丙烯酸的制作工艺过程为：将化学级或工业级的丙烯酸，减压抽气或加热除去其中的阻聚剂，得到无阻聚剂的丙烯酸。

所述的一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其氢氧化钾溶液的工艺过程为：计量的工业级氢氧化钾固体(≥85％)用计量的水溶解，在溶解过程中连续搅拌，溶解完全后得到浓度为20％的氢氧化钾溶液。

所述的一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其混合单体溶液的工艺过程为：计量的无阻聚剂的丙烯酸溶液加入到中和反应单元中，然后用计量的20％的氢氧化钾溶液中和，一边向丙烯酸溶液中加入氢氧化钾溶液，一边连续搅拌溶液，使其充分反应，得到丙烯酸中和度为25％的丙烯酸和丙烯酸钾混合单体溶液。

所述的一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其尿素水溶液的工艺过程为：100份颗粒尿素中加入40份-50份工业水溶解或稀释，于70-75℃条件下加热加速颗粒尿素融解，得到的溶液为尿素水溶液。

所述的一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其尿素水溶液的工艺过程为：100份尿素熔融液中加入40份-50份工业水溶解或稀释，加热到70-75℃成为尿素水溶液。

所述的一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其所述的交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺，纯度为工业级，计量的N，N-亚甲基双丙烯酰胺用计量的水溶解，为加速其溶解可于70℃下加热搅拌溶解，得到交联剂溶液。

所述的一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其引发剂的工艺过程为：引发剂为工业级的过硫酸钾或工业级的偶氮二异丁腈，计量的引发剂用计量的水溶解，配制为浓度一定的水溶液，为引发剂溶液。

所述的一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其聚合混合液的工艺要求为：计量的尿素水溶液加入到反应釜中，加热反应釜维持尿素溶液温度在70℃-75℃间，然后加入计量的混合单体溶液，在加入混合单体溶液过程中，连续搅拌尿素水溶液，使混合单体溶液与尿素溶液充分作用，持续加热反应釜维持其内溶液温度70℃-75℃间，溶液为聚合混合液。

所述的一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其待聚合混合液的工艺过程为：计量的聚合混合液中计量加入交联剂溶液，加入过程中连续搅拌，并维持聚合混合液温度在70℃-75℃保温15-30分钟，即为待聚混合液。

所述的一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其聚合工艺过程为：在待聚合混合液中加的引发剂溶液，边搅拌边加入引发剂溶液，引发剂加完后继续搅拌聚合液10～15分钟，后停止搅拌，维持加热使反应釜溶液温度保持在70℃±5℃，直到聚合溶液聚合生成凝胶态弹性体为止，即为保水缓释尿素肥料初产物，卸出湿产物。

所述的一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其反应产物的处理工艺过程为：合成初产物用破碎机或切片机将其破碎为颗粒状或切为片状，在75℃-80℃温度下烘干，烘干产物再用粉碎机粉碎为颗粒状，按照规格装袋即为凝胶基保水缓释尿素肥料产品。

本发明为利用水相化学聚合反应将丙烯酸单体溶液和尿素溶液通过连续简便工艺聚合为材料和功能复合一体化的凝胶基保水缓释尿素肥料。交联聚丙烯酸钾保水剂合成反应是一个重要的化学聚合反应，已有的许多研究仅仅是用这一化学聚合反应合成交联聚丙烯酸盐类保水剂，或用其在尿素颗粒表面形成保水剂膜，但并未利用该聚合反应合成一体化的凝胶基保水缓释尿素肥料。因此，本发明以丙烯酸为保水剂聚合单体分子，以尿素溶液为氮肥源，将一定中和度的丙烯酸溶液和尿素溶液形成共溶溶液，加入交联剂和引发剂，引发聚合反应，聚合为一体化材料的凝胶基保水缓释尿素肥料，在肥料材料上具有创新性。已有的文献报道中，交联聚丙酸盐的化学聚合反应要么是在水溶液中进行，要么就是在丙烯酸与之不相溶的有机溶剂中(反相聚合法)进行，本发明利用了水相聚合反应，将保水剂单体溶液和尿素水溶液形成共溶溶液，再进行聚合反应合成保水缓释尿素肥料，在工艺上具有简便性，工艺大大简化。本发明中丙烯酸溶液既是保水材料的合成单体，又是肥料的附载介质，通过共溶聚合反应合成得到凝胶基缓释尿素肥料，在肥料缓释附载介质上具有创新性。用丙烯酸混合溶液和尿素溶液的水相聚合反应制备保水缓释尿素肥料，不使用有机溶剂，省去有机溶剂回收问题，降低生产成本，解决了使用有机溶剂可能带来的污染问题及成本高的问题。使用交联聚丙烯酸钾保水剂，消除钠离子的不良影响。提高保水缓尿素肥料的吸水倍率，使水肥一体化，增加水肥作用机会，提高水肥效率。

附图说明

图1是工艺流程框图；

图2是工艺流程效果图。

具体实施方式

所述凝胶，交联的体型聚合物中包含溶剂或者单体、低聚物时为凝胶状态。

参考图1、2所示，本发明公开了一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其主要包括以下步骤：

1)丙烯酸单体用20％氢氧化钾溶液中和，得到中和度为25％的混合单体溶液；

所述的丙烯酸的制作工艺过程为：将化学级或工业级的丙烯酸，减压抽气或加热除去其中的阻聚剂，得到无阻聚剂的丙烯酸。

阻聚剂是防止丙烯酸在储运过程中发生自聚合反应而添加的抑制物质，如对苯二酚等。

所述的氢氧化钾溶液的工艺过程为：817g的工业级氢氧化钾固体(≥85％)用4.085Kg的水溶解，在溶解过程中连续搅拌，溶解完全后得到浓度为20％的氢氧化钾溶液。

其混合单体溶液的工艺过程为：计量的无阻聚剂的丙烯酸溶液加入到中和反应单元中，然后用计量的20％的氢氧化钾溶液中和，一边向丙烯酸溶液中加入氢氧化钾溶液，一边连续搅拌溶液，使其充分反应，得到丙烯酸中和度为25％的丙烯酸和丙烯酸钾混合单体溶液。

2)将混合单体溶液计量加入到尿素水溶液中，形成聚合混合液；

所述的尿素水溶液的工艺过程为：10kg颗粒尿素中加入4kg-5kg工业水溶解或稀释，于70-75℃条件下加热加速颗粒尿素融解，得到的溶液为尿素水溶液，或者是，10kg尿素熔融液中加入4kg-5kg工业水溶解或稀释，加热到70-75℃成为尿素水溶液。

其聚合混合液的工艺要求为：计量的尿素水溶液加入到反应釜中，加热反应釜维持尿素溶液温度在70℃-75℃间，然后加入计量的混合单体溶液，在加入混合单体溶液过程中，连续搅拌尿素水溶液，使混合单体溶液与尿素溶液充分作用，持续加热反应釜维持其内溶液温度70℃-75℃间，溶液为聚合混合液。

3)在保温搅拌条件下，加入交联剂，加热搅拌待交联剂溶解后，加入自由基引发剂；

所述的交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺，纯度为工业级，38.5g的N，N-亚甲基双丙烯酰胺用500mL的水溶解，为加速其溶解可于70℃下加热搅拌溶解，得到交联剂溶液。

其待聚合混合液的工艺过程为：计量的聚合混合液中计量加入交联剂溶液，加入过程中连续搅拌，并维持聚合混合液温度在70℃-75℃保温15-30分钟，即为待聚混合液。

所述的引发剂的工艺过程为：引发剂为工业级的过硫酸钾或工业级的偶氮二异丁腈，18g的引发剂用200ml的水溶解(使用前配制，防止过夜使用)，配制为浓度一定的水溶液，为引发剂溶液。

4)于保温搅拌条件下至聚合反应发生，生产水凝胶体；

其聚合工艺过程为：在待聚合混合液中加的引发剂溶液，边搅拌边加入引发剂溶液，引发剂加完后继续搅拌聚合液10～15分钟，后停止搅拌，维持加热使反应釜溶液温度保持在70℃±5℃，直到聚合溶液聚合生成凝胶态弹性体为止，即为保水缓释尿素肥料初产物，卸出湿产物。

5)破碎、烘干、粉碎、筛分、包装即为凝胶基保水缓释尿素肥料。

其反应产物的处理工艺过程为：合成初产物用破碎机或切片机将其破碎为颗粒状或切为片状，在75℃-80℃温度下烘干，烘干产物再用粉碎机粉碎为颗粒状，按照规格装袋即为凝胶基保水缓释尿素肥料产品。

该工艺合成生产的凝胶基保水缓释尿素肥料，有关指标如下：

吸水倍率：＞70g·g-1，即1g干的保水缓释尿素凝胶肥料可吸收蒸馏水达70g以上。

含氮量：＞28％

pH：6.7-6.9

养分缓释性能：保水缓释尿素肥料养分比尿素具有明显缓释作用，其水溶出率24小时释放量14～38％之间，7天释放总量在60-85％之间。

本发明为利用水相化学聚合反应将丙烯酸单体溶液和尿素溶液通过连续简便工艺聚合为材料和功能复合一体化的凝胶基保水缓释尿素肥料。交联聚丙烯酸钾保水剂合成反应是一个重要的化学聚合反应，已有的许多研究仅仅是用这一化学聚合反应合成交联聚丙烯酸盐类保水剂，或用其在尿素颗粒表面形成保水剂膜，但并未利用该聚合反应合成一体化的凝胶基保水缓释尿素肥料。因此，本发明以丙烯酸为保水剂聚合单体分子，以尿素溶液为氮肥源，将一定中和度的丙烯酸溶液和尿素溶液形成共溶溶液，加入交联剂和引发剂，引发聚合反应，聚合为一体化材料的凝胶基保水缓释尿素肥料，在肥料材料上具有创新性。已有的文献报道中，交联聚丙酸盐的化学聚合反应要么是在水溶液中进行，要么就是在丙烯酸与之不相溶的有机溶剂中(反相聚合法)进行，本发明利用了水相聚合反应，将保水剂单体溶液和尿素水溶液形成共溶溶液，再进行聚合反应合成保水缓释尿素肥料，在工艺上具有简便性，工艺大大简化。本发明中丙烯酸溶液既是保水材料的合成单体，又是肥料的附载介质，通过共溶聚合反应合成得到凝胶基缓释尿素肥料，在肥料缓释附载介质上具有创新性。用丙烯酸混合溶液和尿素溶液的水相聚合反应制备保水缓释尿素肥料，不使用有机溶剂，省去有机溶剂回收问题，降低生产成本，解决了使用有机溶剂可能带来的污染问题及成本高的问题。使用交联聚丙烯酸钾保水剂，消除钠离子的不良影响。提高保水缓尿素肥料的吸水倍率，使水肥一体化，增加水肥作用机会，提高水肥效率。

该发明合成和生产的保水缓释尿素肥料吸水倍率高，养分含量高，养分具有缓释性，是水肥一体化调控的缓释肥料。采用该工艺合成和生产的凝胶基保水缓释尿素肥料施入土壤和栽培基质具有如下优点。

①凝胶基保水缓释尿素肥料是一种凝胶基质缓释肥料，施入土壤能够延缓肥料养分的释放，降低肥料淋失损失，提高尿素肥料养分利用率；

②凝胶基保水缓释尿素肥料超强的吸水保水功能，施入土壤后能够吸水保水，其吸纳的水分可被植物吸收利用，提高土壤水分利用效率；

③凝胶基保水缓释尿素肥料颗粒在土壤或栽培基质中吸水膨胀后，形成了一个个微型“水肥库”，改善肥料颗粒周围的水肥状况，利于水肥交互促效应，提高作物水肥吸收利用效率，降低尿素氮肥损失，因而，有助于保护环境和提高作物生产效率。

Claims (12)

1.一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其主要包括以下步骤：

1)丙烯酸单体用20％氢氧化钾溶液中和，得到中和度为25％的混合单体溶液；

2)将混合单体溶液计量加入到尿素水溶液中，形成聚合混合液；

3)在保温搅拌条件下，加入交联剂，加热搅拌待交联剂溶解后，加入自由基引发剂；

4)于保温搅拌条件下至聚合反应发生，生产水凝胶体；

5)破碎、烘干、粉碎、筛分、包装即为凝胶基保水缓释尿素肥料。

2.按照权利要求1所述的一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其特征在于：所述的丙烯酸的制作工艺过程为：将化学级或工业级的丙烯酸，减压抽气或加热除去其中的阻聚剂，得到无阻聚剂的丙烯酸。

3.按照权利要求1所述的一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其特征在于：氢氧化钾溶液的工艺过程为：计量的工业级氢氧化钾固体(≥85％)用计量的水溶解，在溶解过程中连续搅拌，溶解完全后得到浓度为20％的氢氧化钾溶液。

4.按照权利要求1、2或3所述的一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其特征在于：混合单体溶液的工艺过程为：计量的无阻聚剂的丙烯酸溶液加入到中和反应单元中，然后用计量的20％的氢氧化钾溶液中和，一边向丙烯酸溶液中加入氢氧化钾溶液，一边连续搅拌溶液，使其充分反应，得到丙烯酸中和度为25％的丙烯酸和丙烯酸钾混合单体溶液。

5.按照权利要求1所述的一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其特征在于：尿素水溶液的工艺过程为：100份颗粒尿素中加入40份-50份工业水溶解或稀释，于70-75℃条件下加热加速颗粒尿素融解，得到的溶液为尿素水溶液。

6.按照权利要求1所述的一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其特征在于：尿素水溶液的工艺过程为：100份尿素熔融液中加入40份-50份工业水溶解或稀释，加热到70-75℃成为尿素水溶液。

7.按照权利要求1所述的一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其特征在于：所述的交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺，纯度为工业级，计量的N，N-亚甲基双丙烯酰胺用计量的水溶解，为加速其溶解可于70℃下加热搅拌溶解，得到交联剂溶液。

8.按照权利要求1所述的一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其特征在于：引发剂的工艺过程为：引发剂为工业级的过硫酸钾或工业级的偶氮二异丁腈，计量的引发剂用计量的水溶解，配制为浓度一定的水溶液，为引发剂溶液。

9.按照权利要求7所述的一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其特征在于：聚合混合液的工艺要求为：计量的尿素水溶液加入到反应釜中，加热反应釜维持尿素溶液温度在70℃-75℃间，然后加入计量的混合单体溶液，在加入混合单体溶液过程中，连续搅拌尿素水溶液，使混合单体溶液与尿素溶液充分作用，持续加热反应釜维持其内溶液温度70℃-75℃间，溶液为聚合混合液。

10.按照权利要求9所述的一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其特征在于：待聚合混合液的工艺过程为：计量的聚合混合液中计量加入交联剂溶液，加入过程中连续搅拌，并维持聚合混合液温度在70℃-75℃保温15-30分钟，即为待聚混合液。

11.按照权利要求10所述的一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其特征在于：聚合工艺过程为：在待聚合混合液中加的引发剂溶液，边搅拌边加入引发剂溶液，引发剂加完后继续搅拌聚合液10～15分钟，后停止搅拌，维持加热使反应釜溶液温度保持在70℃±5℃，直到聚合溶液聚合生成凝胶态弹性体为止，即为保水缓释尿素肥料初产物，卸出湿产物。

12.按照权利要求1所述的一种凝胶基保水缓释尿素肥料的合成方法，其特征在于：反应产物的处理工艺过程为：合成初产物用破碎机或切片机将其破碎为颗粒状或切为片状，在75℃-80℃温度下烘干，烘干产物再用粉碎机粉碎为颗粒状，按照规格装袋即为凝胶基保水缓释尿素肥料产品。

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