一种新型环保双层复合包膜缓释氮肥及其制备方法和应用

本发明属于肥料制备，具体涉及一种新型环保双层复合包膜缓释氮肥及其制备方法和应用。

背景技术：

1、传统化肥有效养分利用率较低，不仅导致了能源浪费、经济损失，还造成了土壤、水体的严重污染。因此，如何大幅度提高化肥利用率，实现农业和环境的可持续发展是目前保障粮食和环境安全亟需解决的重要问题。包膜缓释肥料是指以化肥颗粒为核心，通过包膜的形式来控制肥料养分释放速度，使土壤养分供应与作物养分需求相同步，从而提高肥效，是一种肥效期较长、养分不易损失的新型化学肥料。

2、根据包膜材料的类型，包膜材料分为无机物包膜和有机聚合物包膜两大类。沸石包膜和涂硫包膜之类的无机物包膜材料，此类材料来源广泛，价格低廉，对土壤无污染，又能够为作物提供必需的养分。但此类包膜材料弹性差、脆性强，缓释效果不理想。淀粉、虫胶等有机天然高分子包膜材料来源广泛且易生物降解，属于环境友好型材料，但缓释性能较差。酚醛树脂、聚烯烃类、脲醛树脂等有机合成高分子包膜材料养分控释性能、机械性能优异，但此类高分子包膜材料制备时采用有机溶剂，自身难以降解，存在着环境污染、成本较高等问题。

3、单层包膜肥料尽管在减少养分流失和控制释放方面较传统肥料有所改进，但它在精确调控养分释放速率方面存在局限性。这种单层结构在控制肥料释放的精度上会存在不足，尤其在环境条件如温度和湿度发生变化时，其释放速率的一致性和稳定性可能受到影响。此外，面对极端气候，如高温或持续降雨，单层包膜往往无法根据作物的生长阶段和环境条件灵活调整养分释放，可能导致养分在某些阶段过量或不足，影响作物生长和环境健康。由于单层包膜机械强度不的足，这类肥料在运输和使用过程中容易出现损坏，当肥料包膜在物理搬运或机械施肥过程中破裂或磨损，会导致养分过早或不均匀地释放，从而降低了肥料的效率和作物对养分的吸收率。此外，包膜的破损还可能导致化学物质直接暴露于环境中，增加了土壤和水体污染的风险。因此，提高包膜的机械强度和耐用性对于保持肥料的效果和环境安全至关重要。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种新型环保双层复合包膜缓释氮肥及其制备方法和应用，聚己内酯为外保护层的双层包膜缓释尿素，本发明中内缓释层以水为溶剂，聚乙烯醇与聚乙烯吡咯烷酮交联反应，壳聚糖物理共聚后形成的3d网络结构具有良好的缓释性、机械性能。使用聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、壳聚糖为内缓释层、聚己内酯为外保护层的包膜尿素具有优异的缓释效果以及机械强度。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供了一种聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮/壳聚糖复合缓释材料，由包括以下重量份数的原料制备得到：聚乙烯醇30份、聚乙烯吡咯烷酮3～9份、壳聚糖15～21份和去离子水600份。

4、优选的，所述聚乙烯醇的平均聚合度为1700，醇解度为98％～99％；聚乙烯吡咯烷酮的分子量为45000～58000；壳聚糖的分子量为50～90kda。

5、本发明还提供了一种上述技术方案所述的聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮/壳聚糖复合缓释材料的制备方法，包括以下步骤：

6、1)将所述聚乙烯醇和水混合，得到聚乙烯醇溶液；

7、2)将所述步骤1)得到的聚乙烯醇溶液与聚乙烯吡咯烷酮混合，得到，得到水基共聚物溶液；

8、3)将所述步骤2)将得到的水基共聚物溶液与壳聚糖混合、搅拌均匀，得到聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮/壳聚糖复合缓释材料。

9、优选的，所述步骤1)聚乙烯醇和水混合后在90℃下搅拌1h，得到聚乙烯醇溶液；

10、所述步骤2)聚乙烯醇溶液的温度为50～70℃，所述反应的时间为45～75min；

11、所述步骤3)搅拌的条件包括：温度为50～70℃，时间为45～75min；

12、本发明还提供了上述技术方案所述的聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮/壳聚糖复合缓释材料在提高缓释性能中的应用。

13、本发明还提供了一种新型环保包膜缓释氮肥，包括尿素和包裹在尿素表面的包膜层；所述包膜层包括内缓释层和外保护层；所述内缓释层为聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮/壳聚糖复合缓释材料，外保护层为聚己内酯。

14、优选的，所述聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮/壳聚糖复合缓释材料占尿素质量的10％，聚己内酯保护层占尿素质量的5％。

15、本发明还提供了一种制备上述技术方案所述的新型环保包膜缓释氮肥的制备方法，包括以下步骤：

16、步骤1：将所述内缓释层溶液经高速热空气流雾化均匀喷涂于预热的尿素颗粒表面，通风干燥，形成仅含有内缓释层的包膜尿素颗粒；

17、步骤2：将所述聚己内酯和酒精混合，搅拌，得到聚己内酯溶液；

18、步骤3：将所述聚己内酯溶液经高速热空气流雾化均匀喷涂于步骤1所述的仅含有内缓释层的包膜尿素颗粒表面，出料，自然冷却，得到新型环保包膜缓释氮肥。

19、优选的，所述步骤2聚己内酯与酒精混合比例为1：50；

20、所述尿素颗粒粒径为3～4mm，预热温度为50～60℃，时间为15min。

21、本发明还提供了上述技术方案所述的新型环保包膜缓释氮肥在农作物种植中的应用；

22、所述新型环保包膜缓释氮肥在作物种植中的应用条件为：直接应用于生菜作物种植；定植时向每株生菜作物中施加包膜缓释尿素2.46g，并对生菜生长生理及产量品质相关指标进行测定。

23、本发明的有益效果为：

24、(1)本发明内缓释层采用来源广泛、环保、廉价易得的聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、壳聚糖为原料，以水为溶剂，基于有机高分子共聚理论为基础，其中，聚乙烯醇的分子链中大量的羟基与聚乙烯吡咯烷酮链中的羰基形成氢键，从而产生交联，壳聚糖的添加与交联聚合物物理共聚后形成3d网络结构，使得内缓释层具有良好的成膜性、机械性能、缓释性。

25、(2)本发明以聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮/壳聚糖复合材料为内缓释层、聚己内酯为外保护层的双层包膜结构，有效的提高了包膜尿素的机械强度，使其能够有效避免在运输和施用过程中的机械损伤，此外，内缓释层提供初期的缓释效果，确保肥料早期不会过量释放；外层包膜则进一步调节释放速率，保持养分在作物整个生长周期中的均衡供应，这种分层设计使得双层包膜肥料在提高肥效、减少环境影响方面效果更为显著，从而更好地满足了农业可持续发展的需求。

26、(3)本发明包膜材料具有优异的生物降解性，有效避免了对土壤的二次污染，在土壤中微生物的降解下，逐步分解为小分子物质，可为作物提供必要的水、养分，提高植物的生命活动，同时不会造成土壤退化、肥力下降等问题。

技术特征：

1.一种聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮/壳聚糖复合缓释材料，其特征在于，由包括以下重量份数的原料制备得到：聚乙烯醇30份、聚乙烯吡咯烷酮3～9份、壳聚糖15～21份和去离子水600份。

2.根据权利要求1所述的聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮/壳聚糖复合缓释材料，其特征在于，所述聚乙烯醇的平均聚合度为1700，醇解度为98％～99％；聚乙烯吡咯烷酮的分子量为45000～58000；壳聚糖的分子量为50～90kda。

3.一种权利要求1或2所述的聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮/壳聚糖复合缓释材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)聚乙烯醇和水混合后在90℃下搅拌1h，得到聚乙烯醇溶液；

5.权利要求1或2所述的聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮/壳聚糖复合缓释材料在提高缓释性能中的应用。

6.一种新型环保包膜缓释氮肥，其特征在于，包括尿素和包裹在尿素表面的包膜层；所述包膜层包括内缓释层和外保护层；所述内缓释层为聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮/壳聚糖复合缓释材料，外保护层为聚己内酯。

7.根据权利要求8所述的一种新型环保包膜缓释氮肥，其特征在于，所述聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮/壳聚糖复合缓释材料占尿素质量的10％，聚己内酯保护层占尿素质量的5％。

8.一种制备权利要求6或7所述的新型环保包膜缓释氮肥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2聚己内酯与酒精混合比例为1：50；

10.如权利要求7或8所述的新型环保包膜缓释氮肥在农作物种植中的应用；

技术总结本发明公开了本发明属于肥料制备技术领域，具体涉及一种新型环保双层复合包膜缓释氮肥及其制备方法和应用。由包括以下重量份数的原料制备得到：粒径为3～4mm的尿素颗粒、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、壳聚糖、去离子水、聚己内酯。在本发明中，聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮经过交联反应，与壳聚糖通过物理共聚形成了一个稳定的三维网络结构。这一过程完全基于水相反应，显著降低了生产成本和能源消耗，同时，该方法大幅减少了对环境的有机污染，符合当前对于环保和可持续发展的需求。技术研发人员：雷涛,孙浩楠,鞠晓兰,郭向红,吕江建,赵文莉,崔添城受保护的技术使用者：太原理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5