KR100707867B1 - 개선된 중합체-황-중합체 코팅 비료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차후 황층으로 코팅된 데 이어 중합체로 추가 코팅된 우레아와 같은 중합체 코팅 비료에 관해 기재하고 있다. 바람직하게는, 중합체 코팅은 비료와 황 코팅상의 중합체 성분들의 직접 현장 공중합에 의해 형성된다. 조성물은 양호한 완효성을 제공하고, 마모와 충격에 강하며 중합체 코팅 비료보다 생산면에서 실질적으로 보다 더 경제적이다.

개선된 중합체-황-중합체 코팅 비료

Description

개선된 중합체-황-중합체 코팅 비료{IMPROVED POLYMER-SULFUR-POLYMER COATED FERTILIZERS}

도 1은 본 발명의 과립 형성방법을 도시한 코팅 시스템의 개략도이다.

도 2는 본 발명에 따른 코팅을 지닌 우레아 과립의 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

20: 제 1 회전식 드럼 22, 24, 32: 컨베이어

30: 제 2 회전식 드럼 P: 중합체 S: 황

기술분야

본 발명은 완효성 비료에 관한 것이다. 좀더 구체적으로 말하면, 본 발명은 중합체층, 황층 및 중합체층 순서로 코팅된, 우레아와 같은 영양소를 포함하는 완효성 비료에 관한 것이다. 비료는 내충격성 및 내마모성이 우수하고, 조절된 방출성을 보이며 제조 원가가 낮다.

발명의 배경

특히 종묘장에서 재배되는 잔디와 관상 식물의 경우, 지효성 또는 완효성 비 료가 시장에서 상당한 주목을 받고 있다. 시판되고 있는 완효성 비료에는 여러 종류가 존재한다. 이에 따라, 지효성 비료로서 황-코팅 우레아(SCU)가 익히 공지되어 있다. 황-코팅 우레아를 생산하는 일반 공정에서는, 약 160℉ 내지 약 180℉로 예열된, 공칭 크기 1.7-2.9 mm 범위의 과립 우레아가 보통 12 피트 길이 및 5½ 피트 직경의 회전식 수평 실린더형 드럼의 선단에 도입된다. 드럼의 내벽에 고정되어 이의 원주 주변에 균일하게 이격된 리프팅 플라이트 또는 수직 선반은 드럼 회전시 우레아 과립을 들어 올려 분사시킨다. 분사 과립이 드럼을 통과할 때, 용융(290℉) 황이 드럼의 길이내에 일정하게 위치된 일련의 노즐로부터 우레아 과립상으로 분무된다. 하나의 용융 황 소적이 하나의 과립과 접촉하면, 이것이 빠르게 고형화되고; 충분한 양의 용융 황 소적이 과립과 접촉하게 되면 연속 황 코팅이 우레아 과립에 형성된다. 이러한 랜덤식 코팅 공정에서 과립은 예를 들어 40 마이크론(μ)의 평균 표적 두께 또는 우레아상에 약 13 중량%-14 중량%의 황-코팅으로 코팅된다. 그러나. 과립과 접촉하는 황 소적의 랜덤 분포로 인해, 드럼에서 방출되는 SCU 과립은 얇은(<30μ), 중간(30μ-50μ) 및 두꺼운(>50μ) 황-코팅 두께를 가진다.

과립상에 형성된 결정질 고체 황-코팅의 고유 메짐성과, 다수 과립상의 얇거나 심지어 불연속 코팅으로 인해, 몇몇 종류의 제 2 외부 코팅 또는 실런트가 황-코팅 표면상에 분무됨이 필수적이다. 보통 이는 연속으로 황-코팅 드럼을 지닌 제 2 수평 회전식 드럼에서 행해진다. 이러한 실런트는 통상적으로는 중합체 탄화수소, 석유계 왁스, 또는 고점도 중합체 파라핀유 + 폴리에틸렌의 배합물이며, 이는 고온이지만 고형화된 황-코팅 표면상으로 고온의 용융액 형태로 분무된다. 용융 실 런트가 160-180℉ 온도에서 이것이 도포되는 황-코팅 우레아 과립을 고형화하지 않을 것이기 때문에, 액상 실런트는 과립이 회전식 제 2 실런트 코팅 드럼을 통해 분사될 때 하나의 과립에서 다음 과립으로 유동하는 방식으로 옮겨가 모든 황-코팅 과립상으로 비교적 균일하게 분포한다. 이들 실런트로 코팅된 황-코팅 우레아 과립은 유동층 냉각기를 통과한 후, 실런트 드럼에서 방출되는데, 여기서 실런트는 견고하면서, 약간의 점착력을 지닌 코팅으로 고형화한다. 이들 황 코팅 비료가 실질적인 사용을 인정받아 왔지만, 균일한 코팅 두께, 황 코팅시 분해로 인한 예측 가능한 방출성, 필수적인 내마모성 및 내충격성의 달성, 및 앞서 규정된 필요한 프로세싱 단계의 복잡성의 관점에서 볼 때 문제가 있다.

좀더 최근에는, 앞서 정의된 황 코팅 비료와 연관된 문제점으로 인해, 특히 특정 중합체 코팅 비료를 이용하여 얻어진 보다 우수한 조절된 방출성의 관점에서 볼 때, 중합체 코팅 비료가 상당한 주목을 받고 있다. 이에 따라, 현저히 높은 내마모성을 지닌 완효성 비료 입자, 균일한 방출성, 및 이의 제조방법에 관해서는 Moore의 미국 특허 4,711,659 및 4,804,403에 기재되어 있다. 이들 특허에 따르면, 완효성 비료 입자는 입상물 형태의 우레아의 NH₂ 그룹과 같은 반응성 작용 그룹을 함유한 식물 영양소 화합물의 수용성 중심 매스를 화학 커플링제와 반응시킨데 이어 폴리올과 같은 코팅 물질과 반응시켜, 식물 영양소상에 수불용성 중합체 코팅층 또는 실링층을 제공함으로써 얻어진다. 식물 영양소 및 실링층은 커플링제를 통해 서로 화학적으로 결합된다. 구체적으로 말하면, 커플링제는 식물 영양소의 수용성 중심 매스상의 작용 그룹과 반응하고 그 자신을 이와 연결하여 일반적으로 추가 반 응성 그룹을 지닌 베이스 코팅을 형성한다. 수불용성 코팅층 또는 실링층은 베이스 코트상의 추가 반응성 그룹과의 반응을 통해 베이스 코팅에 결합된다. 이후, 커플링제와 실링층의 교대식 적용의 복수 반응층이 형성되어 원하는 두께를 지닌 코팅을 제공한다. 코팅된 비료 입자는 극도의 진동, 충격 및 마찰하에서도 마모에 매우 강하며 조절된 방출성을 가진다.

앞서 기재된 중합체 코팅 비료가 상당한 관심을 받아왔고, 다수의 용도가 있는 것으로 밝혀졌지만, 이들은 값이 비싸다. 따라서, 완효성 비료의 원가를 줄이는 노력을 함에 있어, 황과 중합체 코팅의 배합을 포함하는 비료가 제조되었다. 이에따라, 미국 특허 5,599,374는 황 코팅이 우레아와 같은 영양소에 적용된 후, 중합체 코팅이 황 위에 적용되는 비료 조성물에 관해 기재하고 있다. 이들 조성물은 황 코팅 비료에 비해 우수한 방출성과 내충격성을 가진다. 그러나, 이러한 코팅이 다수의 적용에서 전부 수용가능한 것은 아니고, 아울러, 여전히 상당한 비용이 든다.

따라서 본 발명은 장기간에 걸쳐 우수한 방출성을 가지면서 비용면에서 효과적인 완효성 비료에 관해 기재하고 있으며, 이는 종묘 관상 식물 및 농작물 분야를 포함하는 다수의 적용에 이용된다.

발명의 요약

본 발명은 중합체 코팅에 해롭지 않으면서 우레아와 같이 중합체로 코팅된 영양소 과립 위에 황을 균일하게 연속 코팅한 다음 연속적으로 황 위쪽에 제 2 중합체 코팅을 적용할 수 있다는 발견에 관한 것이다. 놀랍게도, 이하 전개하겠지만, 생성된 과립은 비용면에서 효과적인데, 이는 황이 중합체 코팅에 비해 비교적 값이 싸기 때문이며, 필수적인 조절된 방출성과 우수한 내마모성 및 내충격성을 지닌 코팅 두께가 형성되게끔 해준다.

따라서, 당해 분야에 알려져 있듯이, 본원에서 사용된 용어, 완효성 또는 지효성 비료는 비료 입자를 캡슐화하는 황 또는 중합체막과 같은 코팅에 의해 이루어진다. 캡슐화된 입자로 인한 방출 지속 기간은 비료 입자에 적용된 코팅의 두께에 의해 조절될 수 있는데, 코팅 두께가 두꺼울수록 시간 조절된 방출 지속기간이 길어진다. 원하는 조절된 방출 지속 기간을 달성하기 위해서 비교적 두꺼운 중합체막 코팅이 비료 입자에 적용될 때, 이는 캡슐화된 비료의 중량 퍼센티지에 비해 코팅의 높은 중량 퍼센티지를 야기한다. 결과는 코팅되지 않은 비료 산물의 원가에 비해 코팅 산물의 원가가 높다. 전형적으로, 캡슐화에 사용된 중합체는 이들이 캡슐화하는 비료 원가의 20배 내지 30배이다. 따라서, 원가 지수가 100인 비료와, 원가 지수가 2500인 중합체는 하기에 나타낸 중합체-코팅 비료(PCF)에 대한 재료 원가가 된다.

예를 들어, 12 중량%인 비교적 두꺼운 중합체 코팅이 사용되면, 이 PCF는 하기와 같은 재료 원가를 가진다:

성분 원가 지수 중량% 재료 원가

비료 과립 100 88 88

중합체 코팅 2500 12 300

PCF 100 388

분말 석회 또는 점토와 같은 저가의 충진물을 사용하여 중합체 원가를 줄이는 시도는 약간의 성공만이 있었는데, 이는 첨가될 수 있는 충진물의 양이 보통 적용된 총 코팅의 약 25% 이하로 제한되기 때문이다. 충진물 재료가 비료 원가 지수의 1/2 원가 지수를 가지고, 충진물이 총 코팅의 25%인 것으로 가정하면, 12% 총 코팅을 지닌 PCF의 재료 원가는 하기와 같다:

성분 원가 지수 중량% 재료 원가

비료 과립 100 88 88

중합체 코팅 2500 9 225

충진물(코팅시) 50 3 2

PCF 100 315

원가 지수 315는 순수한 중합체 코팅의 원가 지수 388에서 23%의 원가 감소를 나타내지만, 원가 지수가 100인 비코팅된 비료 원가보다 여전히 3배 이상 비싸다.

비료 입자 기질에 적용된 중합체 코팅 재료중으로 분말 충진물을 주입시키는 원가 절하 대안으로서, 황이 중합체의 비교적 얇은 내층과 외층 사이에 별도로 적용된 복합층 형태로 주입시 중합체 코팅내에 보다 높은 퍼센티지로 포함될 수 있음이 밝혀졌다. 결과적으로 동일한 적용된 중량 퍼센티지의 순수한 중합체 코팅에 의해 제공된 방출 지속 기간에 상당한 변화를 일으킴이 없이 PCF의 재료 원가가 상당히 감소하게 된다.

추가로, 용융 황이 복합 충진제층으로 사용되면, 보통 270℉ 내지 300℉의 용융 황의 적용 온도(이에 한정됨)를 포함한 적용에 필요한 온도에서 중합체-코팅 비료 기질의 중합체 코팅이 물리적으로 변화되지 않을 때에만 본 목적에 이용될 수 있는 것으로 나타났다. 오늘날 사용되는 다수의 중합체 코팅은 열가소성 물질로서, 용매, 수성 또는 고온 용융 시스템 형태로 비료 입자에 적용되고, 물리적으로는 고온 용융 황의 코팅 적용을 견뎌내지 못할 것이다.

특허 4,711,659, 4,804,403, 5,374,292에 기재된 현장 중합 반응에 의해 비료 입자상에 형성된 열경화성 중합체 코팅은 고온에 악영향을 받지 않는다. 추가로, 이들은 용매를 포함하지 않는 단량체 액체를 공중합하는 연속 중합 반응 코팅 시스템이기 때문에, 이들은 자체적으로 일련의 프로세싱 단계에서 순서대로 복합 코팅의 적용을 가능케한다. 3 단계의 순차적 프로세싱 작업의 첫번째 단계에서, 반응 중합체 코팅이 비료 기질에 적용된다. 다음, 순서대로, 이 단계에 이어 용융 황이 PCF의 열경화성 중합체 표면에 적용되고, 그 다음에는, 황 코팅-중합체 코팅 비료 기질의 황 표면에 제 2 중합 반응 코팅 시스템 적용이 뒤따른다.

중합체 코팅-황 코팅-중합체 코팅 우레아 비료와 중합체 (단독)-코팅 우레아 비료의 방출성이 하기 표 I에서 비교되고 있다:

표 I

공칭 2.4 mm 직경 산물 % 코팅 성분 총% 방출성@

중합체 황 중합체 30℃ 주

PC-우레아 4 - - 4 4-6

PC-우레아 12 - - 12 12-18

SC-우레아 - 12 - 12 2

PC-SC-우레아 - 10 2 12 6

PC-SC-PC-우레아 2 8 2 12 14-16

표 I의 데이터로부터 알 수 있듯이, 동일한 12% 총 코팅의 경우 중합체-황-중합체 복합 코팅은 복합물중의 상당히 적은 퍼센트의 중합체에서 중합체 (단독)-코팅 우레아에 필적할 만한 방출 지속 기간을 제공한다. 중합체 (단독) 코팅이 중합체-황-중합체 복합물에 사용된 총 중합체와 동일한 퍼센티지로 적용될 때, 이의 방출 지속 기간은 보다 짧아진다. 따라서, 황을 구성 요소로 함은 원가가 보다 싼 코팅 재료에서 방출 지속 기간의 상당한 연장을 나타낸다. 표 II에서 알 수 있듯이, 황이 총 코팅의 67%이면, 복합물로 코팅된 비료(PSPCF)의 재료 원가는 중합체 (단독) 코팅된 비료(PCF)의 원가보다 50% 낮고 비코팅된 비료의 원가보다 2배 적다.

표 II

PCF 성분 원가 지수 % 재료 원가

비료 100 88 88

중합체 2500 12 300

PCF 100 388

PSPCF 성분 원가 지수 % 재료 원가

비료 100 88 88

중합체 2500 2 50

황 50 8 4

중합체 2500 2 50

PC-SC-PCF 100 192

복합 중합체 코팅-황 코팅-중합체로 코팅된 완효성 비료에서 황층을 사용하여 얻어진 원가 이점은 조절된 방출성 산물이 통상적으로 사용되는 적용, 예를 들어 잔디 및 종묘에 완효성 비료의 사용을 가능케하면서 부가적으로는 밀, 목화 등과 같은 농작물의 시비에서 처럼 다량의 비료가 사용되는 적용에서 완효성 비료의 사용을 가능케한다.

본 발명을 일반적인 측면에서 기재하고 있는 본 발명의 상세한 설명과 바람직한 양태가 뒤따를 것이다.

일반적 설명 및 바람직한 양태

도면에서, 도 1은 본 발명의 과립 형성방법을 도시한 코팅 시스템의 개략도이다. 도 2는 본 발명에 따른 코팅을 지닌 우레아 과립의 단면도이다.

도 1에서, 기계 시스템은 중합체(P)의 균일한 코팅과 황(S)의 균일한 코팅이 연속 작업으로 우레아 과립에 적용되는 제 1 회전식 드럼(20)을 포함한다. 따라서, 우레아 과립은 도시되지 않은 저장 영역으로부터 컨베이어(22)상으로 공급되고 회전식 드럼(20)으로 공급된다. 회전식 드럼(20)은 바람직하게는 직경이 약 6 피트이고 길이가 약 12 피트이다. 회전식 드럼(20)에서, 공칭 크기 범위가 1.7 내지 2.9 mm이고 약 170℉로 예열된 우레아 과립이 제 1 영역에서 별도로 중합체 MDI(4,4 디페닐메탄 디이소시아네이트), TEA(트리에탄올아민) 및 DEG(디에틸렌 글리콜) 폴리올로 코팅된다. 중합체 성분은 우레아 과립상에서 중합되어 중합체 코팅을 형성한다.

연속 공정에서, 중합체로 코팅된 과립은 중합체로 코팅된 우레아상으로 분무되는 용융 황(290℉)과 접촉한다. 중합체가 열경화되기 때문에, 중합체 코팅은 용융 황의 열에 의해 악영향을 받지 않는다. 용융 황은 중합체로 코팅된 우레아와 접촉하여 중합체 코팅 위에 고체 황층을 형성한다. 코팅된-우레아 SC-PCU는 드럼(20)에서 컨베이어(24)로 들어가 컨베이어(32)로 공급되어 드럼(20)과 대략 동일한 크기인 제 2 회전식 드럼(30)으로 나아간다. 드럼(30)에서, 중합체 성분은 드럼(20)에서 처럼 황 코팅-중합체 코팅 우레아상으로 노즐을 통해 적용되어 제 1 중합체 코팅, 황층에 이은 제 2 중합체 코팅을 지닌 우레아 과립을 제공한다.

도 2에서, 도 1에서 제조된 코팅된 우레아의 과립이 도식으로 설명된다. 우레아 과립은 제 1 중합체 P 코팅에 이어 황, S층 다음에, 제 2 중합체 P층을 가진다. 본 발명에 따르면, 제 1 중합체 코팅은 과립의 총 중량을 기준으로 약 0.5% 내지 3% 범위의 중량 퍼센티지 적용에 의해 달성된 두께를 가지고, 황층은 약 4% 내지 12% 범위이며, 제 2 중합체 코팅은 약 1.5% 내지 4% 범위이다. 바람직하게는, 제 2 중합체층은 대략 0.5% 왁스의 적용을 포함할 것이다. 바람직하게는, 제 1 중합체 코팅은 1.0% 내지 2.0%일 것이다.

본 발명은 식물 영양소로서 주로 우레아의 관점에서 기재하고 있다. 그러나, 당해 분야의 숙련인은 본 발명에 따라 기타 영양소도 이용할 수 있다. 우레아는 제 1 중합체층 형성에 사용시 디이소시아네이트와 반응할 우레아의 표면에 작용성 반응 그룹을 지니기 때문에 종종 바람직하다. 이 반응은 제 1 중합체층이 우레아에 화학적으로 결합되게끔 해준다. 그러나, 본 발명에 따르면, 중합체가 우레아 물질에 결합되는 것이 필수적인 것은 아니다. 따라서, 기타 염기성 비료 물질이 이용될 수 있으며, 칼륨 나이트레이트, 암모늄 포스페이트, 암모늄 설페이트 또는 염기성 비료 물질의 과립 혼합물이 전형적이지만 이에 한정되지 않는다. 이들 물질은 본 발명의 범위에 포함된다. 또한, 본 발명은 주로 디이소시아네이트로서 중합체 MDI의 사용 관점에서 기재되고 있다. 그러나, 본원에서 참고로 인용된 미국 특허 4,804,403에 기재된 기타 다작용성 이소시아네이트가 이용될 수 있으며, 지방족, 방향족, 및 지방족 방향족 폴리이소시아네이트를 포함한다. 이들 화합물은 반응을 위해 유용한 2 이상의 -NCO 그룹을 함유하고 당해 분야의 숙련인에게 공지되어 있듯이 우레탄 중합체의 생산에 널리 이용된다. 또한, 앞서 언급된 '403 특허에 기재되어 있듯이, 상기 바람직한 양태에서 설명된 디에틸렌 글리콜 폴리올 이외에 기타 폴리올도 이용될 수 있다. 또한, 중합체 코팅이 이소시아네이트 또는 폴리올계임이 필수적인 것은 아니다. 중합체는 실제로는 열경화성이고 식물 영양소에 유해함이 없이 적용될 수 있는 임의 중합체일 수 있다. 그러나, 앞서 언급했듯이, 바람직한 중합체 코팅은 비료화 공정이 앞으로 수행됨에 따라 현장에서 식물 영양소상에 형성되는 것들이다.

바람직한 양태에서 설명했듯이, 공정은 일반적으로 본 특허의 도 1에 규정된 기계 시스템 및 공정에서 수행된다. 식물 영양소상의 현장 중합체 형성을 위한 바람직한 기계 시스템의 보다 상세한 설명은 일반 양도된 미국 특허 5,547,486에 기재되어 있다. 이 특허의 기재 내용은 본원에서 참고로 인용된다.

당해 분야의 숙련인은 앞서 언급된 상세한 설명의 범위내에서 각종 수정을 행할 수 있다. 당해 분야의 숙련인에 의한 이러한 수정은 본 발명의 일부를 이루고 첨부된 특허 청구범위에 포함된다.

복합 중합체 코팅-황 코팅-중합체로 코팅된 완효성 비료에서 황층을 사용하여 얻어진 원가 이점은 조절된 방출성 산물이 통상적으로 사용되는 적용, 예를 들어 잔디 및 종묘에 완효성 비료의 사용을 가능케하면서 부가적으로는 밀, 목화 등과 같은 농작물의 시비에서 처럼 다량의 비료가 사용되는 적용에서 완효성 비료의 사용을 가능케한다.

Claims (10)

1. 입상물 형태의 식물 영양소 화합물의 수용성 중앙 매스, 식물 영양소상의 제 1 열경화성 중합체 코팅층, 제 1 열경화성 중합체 코팅층상의 황 원소층 및 황 원소층상의 제 2 열경화성 중합체 코팅층을 포함하는 완효성 비료 조성물.
2. 제 1 항에 있어서, 제 1 열경화성 중합체 코팅층이 중량을 기준으로 0.5% 내지 3%를 구성하고, 황 원소층이 중량을 기준으로 4% 내지 12%를 구성하며 제 2 열경화성 중합체 코팅층이 중량을 기준으로 1.5% 내지 4%를 구성하며, 전체 조성물이 중량 기준으로 100%가 되도록 식물 영양소 화합물이 그 나머지 중량%를 구성하는 조성물.
3. 제 2 항에 있어서, 제 1 열경화성 중합체 코팅층이 중량을 기준으로 1.0% 내지 2%를 구성하고 제 2 열경화성 중합체 코팅층이 중량을 기준으로 1.5% 내지 3%를 구성하는 조성물.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 식물 영양소 화합물이 우레아이고 제 1 및 제 2 열경화성 중합체 코팅층이 폴리이소시아네이트와 폴리올의 반응 산물인 조성물.
5. 제 4 항에 있어서, 제 1 및 제 2 열경화성 중합체 코팅층이 조성물 형성 동안 현장 반응에서 식물 영양소상에 형성되는 조성물.
6. 제 5 항에 있어서, 중합체 코팅층이 중합체 MDI 및 적어도 하나의 폴리올인 조성물.
7. 식물 영양소 화합물을 반응성 단량체로 코팅하여 식물 영양소 화합물 상에 제 1 중합체층을 형성하는 열경화성 중합체를 형성하는 단계;

   열경화성 중합체가 고온인 동안, 상기 제 1 중합체층상으로 용융 황을 분무시켜 황층을 형성하는 단계; 및

   제 2 중합체층을 황층에 적용하는 단계를 포함하는 완효성 비료 조성물의 형성방법.
8. 제 7 항에 있어서, 단량체가 폴리이소시아네이트 및 폴리올인 방법.
9. 제 8 항에 있어서, 식물 영양소 화합물이 우레아인 방법.
10. 제 7 항에 있어서, 제 1 중합체층이 조성물 중량을 기준으로 0.5% 내지 3%를 구성하고, 황층이 조성물 중량을 기준으로 4% 내지 12%를 구성하며, 상기 제 2 중합체층이 조성물 중량을 기준으로 1.5% 내지 4%를 구성하며, 전체 조성물이 조성물 중량 기준으로 100%가 되도록 식물 영양소 화합물이 그 나머지 중량%를 구성하는 방법.

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