CN1229309C - 一种包膜材料及可控缓释肥料的包膜方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可控缓释肥料的包膜材料及其制备方法,其中包膜材料由聚烯烃和石蜡、有机物料、无机物料中的一种或几种组成,还可以加入表面活性剂,溶剂为松节油;包膜液的制备方法包括:首先,量取一定量的溶剂,加热到70-120℃,然后加入聚乙烯和石蜡,待聚乙烯与石蜡基本溶解后,可加入淀粉0-60g,并不断搅拌制备成均一的液体,保持加热,直到包膜液的温度达到160℃后停止加热。包膜材料采用以聚烯烃为主的复合包膜材料,既能保证肥料初期养分的缓慢释放,又能作到后期养分放的出来,有效实现了养分的控制释放,而且增加了肥料膜的可降解性。
Description
技术领域
本发明涉及一种包膜材料和利用此包膜材料制成的包膜肥料,尤其涉及一种具有缓释效果的包膜材料及其制备方法,和可控缓释肥料的制备方法,属于肥料及其制造领域。
背景技术
随着世界肥料用量的不断增加,肥料利用率却呈逐年下降的趋势,造成资源的严重浪费和环境污染的负面效应,同时对农产品安全生产形成威胁。几十年来科技工作者力图通过提高施肥技术的途径解决这一难题,但限于多种原因仍没有从根本上得到解决。二十世纪后期随着生产水平的提高,人们把眼光转向了肥料产品性能的改造,从两方面解决这一世界性难题。其目标是开发高效利用的环境友好型肥料,其主要技术路线是实现肥料的缓释与控释,世界各国纷纷开发具有自主知识产权的缓/控释肥料,以适应农产品安全生产、持续发展和肥料市场的需求。
目前国际上的主要的缓/控释肥料有两类:一类是通过化学合成的有机合成氮化合物类缓释肥料,另一类是通过物理障碍达到缓/控释目的包膜(裹)肥料。
合成有机氮缓释肥,如UF、IBDU、CDU。该类肥料的养分释放缓慢,能够有效地提高肥料利用率,但是其养分释放速率受到土壤水分、pH值、微生物等各种因素的影响,不能人为地控制肥料养分释放节律,而且商品售价高,主要消费市场在西欧,市场发展速度慢,世界范围内此类肥料的需求量有相对下降的趋势。
包膜肥料主要有:硫包尿素,无机物包裹肥料,有机聚合物包膜肥料。
硫包尿素(SCU)是1961年由T.V.A Company USA开发的硫衣包裹肥料,是最早开发的无机包裹类缓释肥,具有以肥包肥的特点。施入土壤后,受到水分,特别是微生物等因素影响,虽然具有一定的缓释性能,但它难以控制释放速度,目前进入缓慢发展阶段。
无机包裹类肥料:日本用硅酸盐以及金属氧化物作为包裹剂,由于硅酸盐易溶于水,所以肥料的缓释期不长。中国开发的包裹型复合肥料是以粒状的尿素硝铵为核心,以氮磷钾泥浆为粘结剂,用钙镁磷肥、沉淀磷酸钙或骨粉等磷肥将所说的核包裹起来而形成复合肥料。这类肥料浸泡在水中,核心的尿素、硝酸铵很短的时间(如1.5-2小时)内全部溶出,不能达到控制释放的目的。虽然在后续的改进产品中,包裹层中加入了植物油、动物油或其油泥、或其改性物质作为缓释剂。但是核心溶出时间只有15-30天。
有机高聚物包膜的肥料。由Archer Daniel Midland company USA开发的Osmocote用作为表面包裹剂的二环戊二烯和甘油脂的共聚物形成多层。尽管Osmocote肥料具有良好的缓释性能,但是存在一些缺点,即成本高,材料在土壤中的难于降解。
为了提高膜材料的降解性能日本的藤田利雄、山下吉达等人发明了涂层中含有一种聚3-羟基-3烷基丙酸的可降解膜控制的包膜肥料,其活性组分中至少包括一种聚烯烃树脂和从橡胶和乙烯-乙酸乙烯-一氧化碳共聚物中至少一种树脂作为包膜材料,但是其成本太高,难以用于规模化生产。
1993年日本窒素株式会社在中国申请了“有涂层的颗粒肥料”的专利,包膜材料主要采用聚烯烃,但所用溶剂为甲苯,该溶剂毒性大,不利于肥料的安全生产。
发明内容
本发明针对目前国内外缓/控释肥料的生产中存在的问题,提出一种可控缓释肥料及其制造方法,将聚烯烃、石蜡、无机物料或天然有机物料溶解或分散于有机溶剂中,配以助剂制成包膜液,利用沸腾床将包膜液以喷雾的方式喷涂于颗粒肥料表面,同时向沸腾状态的肥料出吹热空气,溶剂挥发后,包膜材料包覆在肥料颗粒表面形成包膜层,制备称成包膜肥料。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的:
一种肥料的包膜材料,包括聚烯烃和石蜡,它们之间的重量比为,聚烯烃占60%-98%,石蜡占2%-40%。
还包括无机物料和有机物料,它们之间的重量比,聚烯烃占60%-90%,石蜡占2%-20%,有机物料占2%-25%,无机物料占2%-25%。
一种肥料的包膜材料,还可以包括重量占60%-98%的聚烯烃和2%-40%的无机物料。
一种肥料的包膜材料,还可以包括重量占60%-98%的聚烯烃和2%-40%的有机物料。
一种肥料的包膜材料,还可以包括聚烯烃、石蜡和无机物料,组分之间的重量比为,聚烯烃占60%-90%,石蜡占5%-30%,无机物料占5%-30%。
一种肥料的包膜材料,还可以包括聚烯烃、石蜡和有机物料,组分之间的重量比为,聚烯烃占60%-90%,石蜡占5%-30%,有机物料占5%-30%。
所述无机物料为碳酸钙、滑石粉、碳酸镁、石英、沉淀硫酸钡、粘土中的一种或几种。
所述有机物料为淀粉、变性淀粉、面粉、秸杆粉、腐植酸粉中的一种或几种。
还包括表面活性剂:OP-10或/和硅油。
一种肥料的包膜材料的制备方法,其特征在于:包括,
步骤一,量取一定量的溶剂,加热到70-120℃,
步骤二,加入聚烯烃和石蜡;
步骤三,聚烯烃和石蜡基本溶解后,按照每升溶剂中加入0-60g的比例加入有机物料,并不断搅拌成均一的液体,保持加热,直到包膜液的温度达到160℃后才停止加热。
所述步骤一中的溶剂为松节油,苯、甲苯或二甲苯。
所述步骤二中,按照每升溶剂中加入20-150g的聚烯烃的比例加入聚烯烃,按照每升溶剂中加入0-50g的标准加入石蜡。
所述步骤三中,在加入有机物料的同时,按照每升溶剂中加入0-50g的比例加入无机物料,然后加入表面活性剂。
一种可控缓释肥料的包膜方法,其特征在于:包括,
步骤一,在溶解罐中制作包膜液;
步骤二,在溶解罐中制备包膜液的同时,开启风机、空气压缩机和空气加热器,待被加热的空气温度稳定在60-120℃时,将一定质量的肥料通过加料口加入包膜塔内,调节空气压缩机和风机的空气流量,当肥料在包膜塔内呈稳定的沸腾状态时,喷覆包膜液。
所述包膜液,包膜液的量由肥料的重量与包衣率决定。
本发明以聚烯烃为主要包膜材料之一,可以确保制作出的包膜肥料具有较长的缓释期,采用无机物料可增加膜的光热可降解性;膜材料中加入有机物料可增加膜材料的生物可降解性,并可协调肥料的养分释放特性;膜材料的配方中还应用了石蜡等小分子有机物,目的在于改善膜材料的缓控释性能,同时便于加工,减少喷头堵塞,采用了OP-10或/和硅油等表面活性剂调节包膜液的粘度与成膜,便于喷涂包膜并起到调控肥料养分溶出的作用,采用松节油作为溶剂,该溶剂的毒性低,保证了肥料的安全生产。
肥料的包膜应用沸腾床包膜塔为主体的设备,该设备的工艺简单,产出的肥料覆膜均匀,便于溶剂回收。本发明所产出的肥料的膜耐磨损,缓/控释性能好,在25℃水中浸泡,初期溶出率可控制在15%以内,肥料的释放期(养分释放80%所需的天数)可实现调控,可以通过复合膜材料的配比以及比膜重(单位面积膜的质量)灵活地调控肥料的养分释放性状。
附图说明
图1为肥料包膜方法的流程图;
图2为制作包膜肥料的加工流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进行详细描述。
本发明的包膜肥料有肥料和其外面的包膜组成,其中肥料可以是氮肥、磷肥、钾肥和复混肥料,只要是圆颗粒状,肥料的硬度达到行业标准的要求,都可以进行包膜;包膜材料采用以聚烯烃为主的混合包膜材料,既能保证肥料前期养分的缓慢释放,又能做到标定期养分放的出来,有效实现养分的控制释放,并增加肥料膜的可降解性。
包膜材料由聚烯烃和石蜡、有机物料、无机物料中的一种或几种组成。
本发明的包膜材料中必不可少的一种组分是聚烯烃,一般用聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯中的一种或者几种。仅仅用聚烯烃也能形成较好的覆盖膜,不同的聚烯烃的缓释性能不同,相同包衣率条件下,用聚乙烯或/和聚丙烯包膜的肥料缓释期长,聚苯乙烯或/和聚氯乙烯的缓释期要短,但是单纯施用聚烯烃包膜肥料,膜的调控性能不佳,往往造成膜内残留较多的养分不能在作物生育期内释放,肥料养分释放的可控性差,因此在包膜材料中加入石蜡等成分来调节肥料养分的释放特性。
复合膜材料比单一膜材料具有更好的控释性,并可以通过调节复合膜材料的配比以及比膜重(单位面积膜的质量)灵活的调控肥料养分的释放特性。
石蜡也是本发明的包膜材料中重要的组分,石蜡的加入不但优化了膜材料的可控性能,而且有助于加工。单纯使用聚烯烃,或者聚烯烃与粉末状添加剂,容易堵塞喷头,加入石蜡以后可适当提高包膜液浓度,降低包膜过程中的堵塞故障。聚烯烃与石蜡组成的包膜材料的重量比的范围为聚烯烃占60%-98%,石蜡占2%-40%。
为了调节膜对养分释放的可调控性能,在包膜材料中还配有粉末状添加剂,粉末状添加剂可以是不溶于松节油等溶剂的有机物料也可以是无机物料,或二者兼而有之。单独用一种添加剂也具有一定的调节能力,但是复合添加剂的效果更好。添加剂的加入还可提高膜材料的降解性能,有机物料可增加膜材料的生物降解性,可以是淀粉、变性淀粉、面粉、秸秆粉和腐植酸粉末中的一种或几种的混合物;聚烯烃与有机物料组成的包膜材料的重量比的范围为聚烯烃占60%-98%,有机物料占2%-40%。无机物料可以增加膜的光热可降解性,可以是滑石粉、碳酸钙、碳酸镁、石英粉、沉淀硫酸钡和粘土矿物中的一种或几种的混合物;聚烯烃与无机物料组成的包膜材料的重量比的范围为聚烯烃占60%-98%,无机物料占2%-40%。还可以在聚烯烃和石蜡的混合物中加入有机物料或/和无机物料,只加入一种的重量比范围为聚烯烃占60%-90%,石蜡占5%-30%,有机物料或无机物料占5%-30%;两种都加入的重量比范围为聚烯烃占60%-90%,石蜡占2%-20%,有机物料占2%-25%,无机物料占2%-25%。
需要特别注意的是:以上给出的膜材料组分之间的重量比并不是不可逾越的,针对不同的用途和不同的需求可以灵活改变,例如,肥料的包衣率(膜材料占包膜肥料的百分数)在9%以上,且无机和有机添加物总量占膜材料的比例不超过20%时,组分中的石蜡多于聚烯烃所制出的包膜肥料可以有效控制养分释放。
另外,这些粉末的粒径也会影响膜的性能以及加工性能,从而影响包膜肥料的养分释放性状,所添粉末的细度一般应小于200目,最好选用超细级粉末。
此外,在包膜液中还可以加入表面活性剂,如OP-10和硅油都是较好的表面活性剂,在制作包膜液时可选择其中的一种或两者的混合物作为复合表面活性剂,以便强化成膜特性,提高包膜效率。
本发明采用松节油作为溶剂,该溶剂低毒,可保障包膜肥料的安全生产,也可以选用苯、甲苯、二甲苯等有机溶剂。
使用上述材料制备包膜液的方法包括如下步骤:首先,量取一定量的溶剂--松节油,加热到70-120℃;按照每升松节油中加入20-150g的聚烯烃的比例加入聚烯烃,然后加入石蜡,按照每升松节油中加入0-50g的量加入石蜡,待聚乙烯与石蜡大部分溶解后,每升溶剂中可加入有机物料--淀粉0-60g,并不断搅拌直到制成均一的液体;如果配方中有碳酸钙粉,可在加入淀粉的同时,每升溶剂中加入无机物料--碳酸钙粉末0-50g,最后还可以加入表面活性剂;在这段时间内保持加热,直到包膜液的温度达到160℃后才停止加热,如温度低于120℃以下应当重新加热,将包膜液温度稳定在130-160℃之间为佳。
包膜液制备好后就可以利用包膜设备制备包膜肥料。
本发明中所包覆的核心肥料颗粒,因其种类,颗粒、表面光滑度、硬度、粒径、形状等性状不同,对工艺有所要求。
(1)肥料的种类:氮肥、磷肥、钾肥和复混肥料,只要是颗粒状,肥料的硬度达到行业标准的要求,都可以进行包膜,只是相同包衣率下,由于肥料的种类的不同,其养分释放特性也有所不同。
(2)颗粒直径。肥料的颗粒直径既影响养分释放速率又影响到包衣材料的用量。同类肥料,相同包衣率条件下,直径小的肥料表面积大,所形成膜的厚度薄,则养分释放快,肥料颗粒直径一般在1.0-6.0mm范围内包膜效果较好。
(3)形状。本发明中的包膜肥料最好为圆形颗粒状,形成的膜比较均匀、破损率小,养分释放的可控性较强。
(4)硬度与表面光滑度。肥料的硬度小则可能在包膜过程中造成肥料颗粒破碎,严重影响包膜效果,硬度大的肥料在包膜过程中不易破碎,加工性能好。一般说来能够达到国家标准的肥料都能满足加工要求。表面不光滑的在包膜过程中,在肥料表面的突起部位容易造成膜破碎,一般选择表面较光滑的肥料加以包膜效果较好。
图1为本发明肥料包膜方法的流程图,采用现有的包膜塔制备包膜肥料,先将已经配制好的膜材料放入盛有溶剂的溶解罐中,加热制备成包膜液,开启风机和空气压缩机和空气加热器,待被加热的空气温度稳定在60-120℃时,将一定质量的肥料通过加料口加入包膜塔内,调节空气压缩机和风机的空气流量,当肥料在包膜塔内呈稳定的沸腾状态时,喷涂包膜液。
包膜液的量由肥料的重量与包衣率决定,例如包膜液的浓度为100g/L,肥料的包衣率为10%,则每公斤肥料需要1L包膜液。
包膜肥料的加工流程如图2所示,包括:
步骤一,制作包膜液。首先量取溶剂,放入溶解罐中,再加入聚烯烃、石蜡等添加剂,加热搅拌,直到制成均一的包膜液,在此包膜液中加入表面活性剂等助剂。
步骤二,对肥料进行包膜,在溶解罐中制备包膜液的同时,开启风机、空气压缩机和空气加热器,待被加热的空气温度稳定在60-120℃时,将一定质量的肥料通过加料口加入包膜塔内,调节空气压缩机和风机的空气流量,当肥料在包膜塔内呈稳定的沸腾状态时,喷覆包膜液。
为了说明本发明包膜肥料的养分控释特性,制备了本发明实施例所制作的包膜尿素与包膜复混肥料样品,其膜材料的配比及养分溶出特性分别见表1、表2。本实施例用大颗粒尿素,每公斤尿素的表面积为1.8-2.2m2,小颗粒尿素11-13m2,复混肥(养分比例:16-12-12),每公斤肥料的表面积为1.1-1.3m2。将本发明上述实施例中制备的缓释肥料按每份10.0g装在尼龙网袋中,然后将其浸泡入盛有200.0mL去离子水的塑料瓶中,在25℃条件放置24h后,将尼龙网袋取出,测定溶液中的养分含量。将取出的肥兜再放入另一个盛有200.0mL去离子水的塑料瓶中,继续在25℃下静置,直到7d,在取出肥兜,并测定溶液中的养分含量。计算包膜肥料的初期溶出率、微分溶出率与释放期。
初期溶出率是指包膜肥料在25℃的去离子水中浸泡24h养分溶出的百分率。微分溶出率是指包膜肥料在25℃的去离子水中浸泡,第2-7d的平均溶出率。释放期=(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应肥料的氮素溶出特性
编号 | 包膜材料(g) | 释放期(d) | ||||
PE | 石蜡 | 淀粉 | 碳酸钙 | OP-10(mL) | ||
1# | 120 | 7.5 | 96 | |||
2# | 90 | 15 | 35 | |||
3# | 90 | 15 | 36 | |||
4# | 90 | 15 | 1 | 38 | ||
5# | 90 | 7.5 | 48 | |||
6# | 90 | 7.5 | 1 | 52 | ||
7# | 90 | 15 | 38 | |||
8# | 90 | 7.5 | 19 | |||
9# | 90 | 15 | 34 | |||
10# | 90 | 30 | 11 | |||
11# | 90 | 30 | 1 | 14 | ||
12# | 90 | 7.5 | 7.5 | 21 | ||
13# | 90 | 7.5 | 15 | 29 | ||
14# | 90 | 7.5 | 30 | 34 | ||
15# | 90 | 7.5 | 7.5 | 16 | ||
16# | 90 | 7.5 | 30 | 34 | ||
17# | 90 | 7.5 | 30 | 1.5 | 36 | |
18# | 90 | 7.5 | 7.5 | 15 | 30 | |
19# | 90 | 7.5 | 7.5 | 15 | 1.5 | 34 |
20# | 75 | 25 | 20 | 17 |
如表1所示,1#-4#为聚烯烃和石蜡组成的膜材料的几组配比及其对应的性能参数,其中4#加入了助剂OP-10用于强化膜特性,5#-7#为聚烯烃和碳酸钙组成的膜材料,其中6#中加入了助剂,8#-11#为聚烯烃和淀粉组成的膜材料,其中11#中加入了助剂,12#-14#、20#为聚烯烃、石蜡和淀粉组成的膜材料,15#-17#为聚烯烃、石蜡和碳酸钙组成的膜材料,其中17#中加入了助剂,18#-19#为聚烯烃、石蜡、淀粉和碳酸钙组成的膜材料,19#中加入了助剂。可见膜材料采用不同的配比将得到不同的肥料溶出性能,可以根据实际使用时的需要进行选择。
表2包膜复混肥料的膜材料配比及相应肥料的养分溶出特性
编号 | 肥料质量(kg) | 包膜材料、添加剂、助剂(g) | 养分溶出特征 | |||||
PE | 石蜡 | 淀粉 | 滑石粉 | 硅油(mL) | 养分种类 | 微分溶出率(%) | ||
21# | 1.5 | 75 | 15 | N | 6.3 | |||
P | 1.90 | |||||||
K | 5.8 | |||||||
22# | 1.5 | 60 | 15 | 15 | N | 7.5 | ||
P | 1.94 | |||||||
K | 4.3 | |||||||
23# | 1.5 | 60 | 15 | 30 | N | 5.9 | ||
P | 1.64 | |||||||
K | 5.2 | |||||||
24# | 1.5 | 75 | 15 | 7.5 | N | 6.5 | ||
P | 1.30 | |||||||
K | 4.1 | |||||||
25# | 1.5 | 75 | 15 | 7.5 | 1 | N | 5.4 | |
P | 1.24 | |||||||
K | 3.7 | |||||||
26# | 1.5 | 75 | 15 | 15 | N | 6.1 | ||
P | 1.12 | |||||||
K | 3.8 | |||||||
27# | 1.5 | 75 | 15 | 15 | N | 7.0 | ||
P | 1.79 | |||||||
K | 5.8 | |||||||
28# | 1.5 | 75 | 15 | 15 | N | 7.0 | ||
P | 1.55 | |||||||
K | 5.7 | |||||||
29# | 1.5 | 75 | 15 | 15 | 1 | N | 10.9 | |
P | 3.55 | |||||||
K | 9.9 | |||||||
30# | 1.5 | 75 | 10 | 5 | N | 8.9 | ||
P | 2.97 |
K | 8.5 | |||||||
31# | 1.5 | 75 | 10 | 5 | 1 | N | 9.6 | |
P | 2.91 | |||||||
K | 7.7 | |||||||
32# | 1.5 | 75 | 7.5 | 7.5 | N | 9.3 | ||
P | 2.80 | |||||||
K | 7.6 |
最后所应说明的是:以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明进行修改或者等同替换,而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1、一种肥料的包膜材料的制备方法,其特征在于:包括,
步骤一,量取一定量的松节油作为溶剂,加热到70-120℃;
步骤二,按照每升松节油中加入20-150g的比例加入聚烯烃,按照每升溶剂中加入0-50g的比例加入石蜡;
步骤三,聚烯烃和石蜡溶解后,按照每升松节油中加入0-60g的比例加入淀粉,并不断搅拌成均一的液体,保持加热,直到包膜液的温度达到160℃后才停止加热。
2、根据权利要求1所述的肥料的包膜材料的制备方法,其特征在于:所述步骤三中,在加入淀粉的同时,按照每升溶剂中加入0-50g的比例加入碳酸钙粉末。
3、根据权利要求1所述的肥料的包膜材料的制备方法,其特征在于:所述步骤三中包膜液的温度低于120℃应当重新加热,将包膜液温度稳定在130-160℃之间。
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