本發(fā)明屬于緩釋肥料領(lǐng)域，尤其涉及一種三層包膜型高吸水緩釋肥料及其制備方法。
背景技術(shù)：
肥料在農(nóng)作物增產(chǎn)方面發(fā)揮著重要作用，然而普通化肥在施用過(guò)程中存在著利用率低的突出問題，目前氮肥的利用率僅達(dá)到30％，磷肥為15％左右，鉀肥為45％左右。肥料的大量流失不僅造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失，也對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。緩釋肥料具有許多超越傳統(tǒng)化肥的優(yōu)勢(shì)，如減少化肥流失率，降低使用頻率以及減少與過(guò)量使用引起的潛在的環(huán)境問題等。因此，緩釋肥料的研究引起了越來(lái)越多的關(guān)注。
根據(jù)制備工藝的不同，緩釋肥料可分為包膜肥料和非包膜肥料。包膜型緩釋肥料能夠通過(guò)改變包膜材料成分和結(jié)構(gòu)靈活地調(diào)節(jié)肥料的釋放性能，在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上具有較大優(yōu)勢(shì)。包膜材料包括硫磺、硅酸鹽、硫酸鈣等無(wú)機(jī)物和石蠟、松香、聚烯烴類聚合物等有機(jī)物。近年來(lái)，使用高吸水性樹脂作為緩釋肥的包膜材料正引起越來(lái)越多的關(guān)注。高吸水樹脂與肥料結(jié)合得到的產(chǎn)物既具有吸水保水性，又具有對(duì)肥料的緩釋性。然而，高吸水性樹脂在緩釋肥料領(lǐng)域的應(yīng)用還存在成本高、降解性差等問題。
此外，在很多包膜肥料的制備過(guò)程中，為了溶解包膜物質(zhì)(如聚烯烴)，需要使用有機(jī)溶劑，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備密封性要求高，也增加了生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性。因此，研究開發(fā)低成本、無(wú)污染、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、效益顯著的新型緩釋肥料產(chǎn)品是緩釋肥料的發(fā)展方向。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：本發(fā)明的第一目的是提供一種低成本、吸水保水性好的三層包膜型緩釋肥料；本發(fā)明的第二目的是提供該包膜型緩釋肥料的制備方法。
技術(shù)方案：本發(fā)明的三層包膜型高吸水緩釋肥料，肥料由肥芯和包膜層組成，所述包膜層由內(nèi)而外包括內(nèi)包膜層、中間包膜層和外包膜層；其中，所述內(nèi)包膜層為石蠟，中間包膜層為秸稈炭基高吸水樹脂，外包膜層為苯丙乳膠。
本發(fā)明通過(guò)在肥芯外設(shè)置三層包膜獲得緩釋肥料，三層包膜材料從內(nèi)而外分別是石蠟、秸稈炭基高吸水樹脂和苯丙乳膠。各包膜層作用各有不同，內(nèi)包膜層的石蠟為疏水物質(zhì)，可有效阻礙肥芯與水的接觸；中間包膜層為秸稈炭基高吸水樹脂，不僅賦予緩釋肥料優(yōu)良的吸水保水性能，同時(shí)炭的加入降低了高吸水樹脂成本，其三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多孔性秸稈基炭對(duì)肥料的吸附作用阻礙了肥料向外擴(kuò)散，提高了緩釋肥料的緩釋性能；最外層的苯丙乳膠也具有耐水性，可避免緩釋肥料在儲(chǔ)存時(shí)由于吸收空氣中水分相互粘結(jié)，提高了緩釋肥料的儲(chǔ)存性能，此外苯丙膠層具有良好的彈性，可使緩釋肥料吸水體積溶脹后不散，仍保持整體，避免由于秸稈炭基高吸水樹脂吸水溶脹后從緩釋肥料顆粒上脫落。
優(yōu)選的，上述肥芯:內(nèi)包膜層:中間包膜層:外包膜層的質(zhì)量比為100:0.5～2:10～30:1～3。
本發(fā)明的三層包膜材料各有功能，石蠟主要控制緩釋性能，石蠟層越厚，肥芯越難溶解釋放，緩釋性能越好；中間的秸稈炭基高吸水樹脂主要控制吸水保水性能，越厚，吸水保水性能越好；最外層主要作用是使緩釋肥料顆粒吸水后仍能保持整體，高吸水樹脂不脫落，此外苯丙乳膠層可防止緩釋肥料顆粒儲(chǔ)存時(shí)相互粘結(jié)，提高儲(chǔ)存性能。但三層薄膜層不宜太厚，因?yàn)榘げ牧鲜褂枚?，成本上升，同時(shí)包膜材料多了，肥芯重量比下降了，肥料整體的有效成分含量降低了。
上述肥芯為可溶于水的氮肥、磷肥、鉀肥中的至少一種，例如可以將其中的兩種或三種組合得到復(fù)合肥。
上述肥芯可以為顆粒狀，優(yōu)選為球形顆粒，粒徑2～4mm。顆粒肥料具有物理性能好，裝卸時(shí)不起塵、長(zhǎng)期存放不結(jié)塊，流動(dòng)性好，施肥時(shí)易撒布等優(yōu)點(diǎn)。其粒徑大小取決于造粒工藝的不同，顆粒肥料通常為通過(guò)特定造粒裝置形成的較大顆粒的肥料。小粒徑化肥及圓潤(rùn)度差的粒肥在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中顆粒間接觸緊，摩擦多，顆粒易破碎起塵，發(fā)生不均勻離散，易造成結(jié)塊。顆粒不均、細(xì)粒過(guò)多、圓潤(rùn)度差的化肥，其抗壓強(qiáng)度、耐磨性、抗沖擊強(qiáng)度也比較差。所以，肥料的成型和篩分很重要，粒徑2～4mm較合適。
本發(fā)明所述三層包膜型高吸水緩釋肥料的制備方法，包括如下步驟：
(1)在肥芯表面包裹熔融的石蠟，冷卻后得石蠟包膜肥芯；
(2)在石蠟包膜肥芯的表面涂覆粘結(jié)劑，并將秸稈炭基高吸水性樹脂粉末包裹在肥芯外層，得具有中間包膜層的肥料；
(3)在中間包膜層外包裹苯丙乳液，干燥得到三層包膜緩釋肥料。
其中，在步驟(1)中，可以在圓盤造粒機(jī)中加入肥芯顆粒，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，在60℃下噴入熔化的液體石蠟，冷卻后得到石蠟包膜肥料顆粒。
上述石蠟的熔化溫度為50～60℃。石蠟的主要成分是固體烷烴，分子量不同的石蠟熔化溫度不同，牌號(hào)不同。我們選擇的石蠟熔化溫度為50～60℃，如果選擇熔化溫度低，夏天環(huán)境溫度高時(shí)會(huì)熔化，使包膜層破壞；選擇的石蠟熔化溫度太高了也不好，制備時(shí)需要將石蠟加熱到比較高的溫度，耗能，沒有必要。
步驟(2)中，可以將得到的石蠟包膜肥料顆粒加入圓盤造粒機(jī)，噴入霧化的聚乙烯醇水溶液，再將秸稈炭基高吸水性樹脂粉末加入到造粒機(jī)中，使秸稈炭基高吸水性樹脂粉末包裹在肥料顆粒外層，作為緩釋肥料的中間包膜層，包膜完成后干燥。
上述秸稈炭基高吸水性樹脂采用如下方法制備而得：a.秸稈在250～300℃隔絕氧氣條件下熱解得到秸稈基炭，并將秸稈基炭粉碎至100目以下；b.在反應(yīng)器中將秸稈基炭、交聯(lián)劑、堿、水和丙烯酸單體混合，通入氮?dú)饣蚨栊詺怏w除去反應(yīng)體系中的氧，攪拌后保溫，再加入引發(fā)劑，反應(yīng)得凝膠；c.將凝膠干燥，粉碎至100目以下。
上述粘結(jié)劑選用濃度5％～10％的PVA水溶液。其中，PVA水溶液的濃度對(duì)制備是有影響的，濃度太低，粘結(jié)性不好；濃度太高，PVA水溶液黏度較大，不利于均勻噴涂。本發(fā)明中PVA溶液的濃度為5％～10％比較合適。
步驟(3)中，用苯丙乳液噴涂步驟(2)的包膜顆粒，最后干燥得到包膜緩釋肥料。
上述苯丙乳液的固含量為10％～20％。苯丙乳液的固含量對(duì)制備也有影響，濃度太低，含水多，增加了干燥的耗能；濃度太高，乳液黏度大，不易噴涂均勻。
有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)為：該緩釋肥料包膜材料的選擇方面，分別選擇石蠟、秸稈炭基高吸水樹脂和苯丙乳液為包膜的最內(nèi)層、中間層和最外層材料，各包膜層的作用各有不同，得到的包膜肥料具有良好的緩釋性能、高吸水保水性能和儲(chǔ)存性能。同時(shí)，在中間層高吸水樹脂中加入了秸稈氣化副產(chǎn)物炭與高吸水樹脂復(fù)合，可降低高吸水樹脂成本。在緩釋肥料的制備過(guò)程中，未使用有機(jī)溶劑，無(wú)污染，工藝簡(jiǎn)單。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明緩釋肥料的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，本發(fā)明的緩釋肥料是通過(guò)三層包膜層包裹肥芯1得到緩釋肥料，包膜材料由內(nèi)而外分別是內(nèi)包膜層2、中間包膜層3和外包膜層4，其中，內(nèi)包膜層2是石蠟、中間包膜層3是秸稈炭基高吸水樹脂，外包膜層4是苯丙乳膠。緩釋肥料不僅具有良好的緩釋性能，而且具有良好的吸水保水性能和儲(chǔ)存性能，成本低。
實(shí)施例1
(1)在圓盤造粒機(jī)中加入尿素顆粒，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，在60℃下噴入熔化的液體石蠟，冷卻后得到石蠟包膜肥料顆粒，石蠟與肥芯重量比為0.5:100。
(2)將步驟(1)得到的石蠟包膜肥料顆粒加入圓盤造粒機(jī)，噴入霧化的聚乙烯醇水溶液，濃度為5％，再將秸稈炭基高吸水性樹脂粉末加入到造粒機(jī)中，使秸稈炭基高吸水性樹脂粉末包裹在肥料顆粒外層，作為緩釋肥料的中間包膜層，包膜完成后干燥。秸稈炭基高吸水樹脂與肥芯質(zhì)量比為20:100。
其中，制備秸稈炭基高吸水緩釋肥料的方法，包括如下步驟：
a.將秸稈在260℃隔絕氧氣條件下熱解得到秸稈基炭，將秸稈基炭粉碎至100目以下；b.在三口燒瓶中加入秸稈炭，交聯(lián)劑N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺，再加入KOH水溶液，最后加入丙烯酸單體，將上述混合物在300rpm下機(jī)械攪拌，通N2除氧，水浴恒溫在70℃，加入K2S2O8引發(fā)劑，反應(yīng)4h。其中，丙烯酸單體:秸稈基炭:交聯(lián)劑:KOH：水:引發(fā)劑的質(zhì)量比為1:0.3:0.0025:0.39:1:0.02。c.將得到的凝膠在40℃真空干燥箱中干燥，粉碎至100目以下得到最終產(chǎn)物。
(3)用苯丙乳液噴涂步驟(2)的包膜顆粒，最后干燥得到包膜緩釋肥料，苯丙乳膠與肥芯質(zhì)量比為2:100，苯丙乳液的固含量為12％。
制備的包膜緩釋肥料吸水倍率48g/g，三層包膜緩釋尿素在靜水中第1、5和28天時(shí)尿素的累積釋放率分別為11.6、31.3和72.5％，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T23348-2009)緩釋肥料標(biāo)準(zhǔn)。
實(shí)施例2
(1)在圓盤造粒機(jī)中加入尿素顆粒，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，在60℃下噴入熔化的液體石蠟，冷卻后得到石蠟包膜肥料顆粒，石蠟與肥芯重量比為1:100。
(2)將步驟(1)得到的石蠟包膜肥料顆粒加入圓盤造粒機(jī)，噴入霧化的聚乙烯醇水溶液，濃度為10％，再將秸稈炭基高吸水性樹脂粉末加入到造粒機(jī)中，使秸稈炭基高吸水性樹脂粉末包裹在肥料顆粒外層，作為緩釋肥料的中間包膜層，包膜完成后干燥。秸稈炭基高吸水樹脂與肥芯質(zhì)量比為20:100。
(3)用苯丙乳液噴涂步驟(2)的包膜顆粒，最后干燥得到包膜緩釋肥料，苯丙乳膠與肥芯質(zhì)量比為2:100，苯丙乳液的固含量為15％。
制備的包膜緩釋肥料吸水倍率46g/g，三層包膜緩釋尿素在靜水中第1、5和28天時(shí)尿素的累積釋放率分別為8.9、24.3和68.1％，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T23348-2009)緩釋肥料標(biāo)準(zhǔn)。
實(shí)施例3
(1)在圓盤造粒機(jī)中加入尿素顆粒，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，在60℃下噴入熔化的液體石蠟，冷卻后得到石蠟包膜肥料顆粒，石蠟與肥芯重量比為2:100。
(2)將步驟(1)得到的石蠟包膜肥料顆粒加入圓盤造粒機(jī)，噴入霧化的聚乙烯醇水溶液，濃度為6％，再將秸稈炭基高吸水性樹脂粉末加入到造粒機(jī)中，使秸稈炭基高吸水性樹脂粉末包裹在肥料顆粒外層，作為緩釋肥料的中間包膜層，包膜完成后干燥。秸稈炭基高吸水樹脂與肥芯質(zhì)量比為20:100。
(3)用苯丙乳液噴涂步驟(2)的包膜顆粒，最后干燥得到包膜緩釋肥料，苯丙乳膠與肥芯質(zhì)量比為2:100，苯丙乳液的固含量為10％。
制備的包膜緩釋肥料吸水倍率43g/g，三層包膜緩釋尿素在靜水中第1、5和28天時(shí)尿素的累積釋放率分別為7.1、18.5和59.3％，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T23348-2009)緩釋肥料標(biāo)準(zhǔn)。
實(shí)施例4
(1)在圓盤造粒機(jī)中加入氯化鉀顆粒，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，在60℃下噴入熔化的液體石蠟，冷卻后得到石蠟包膜肥料顆粒，石蠟與肥芯重量比為1:100。
(2)將步驟(1)得到的石蠟包膜肥料顆粒加入圓盤造粒機(jī)，噴入霧化的聚乙烯醇水溶液，濃度為5％，再將秸稈炭基高吸水性樹脂粉末加入到造粒機(jī)中，使秸稈炭基高吸水性樹脂粉末包裹在肥料顆粒外層，作為緩釋肥料的中間包膜層，包膜完成后干燥。秸稈炭基高吸水樹脂與肥芯質(zhì)量比為10:100。
(3)用苯丙乳液噴涂步驟(2)的包膜顆粒，最后干燥得到包膜緩釋肥料，苯丙乳膠與肥芯質(zhì)量比為3:100，苯丙乳液的固含量為20％。
制備的包膜緩釋肥料吸水倍率23g/g，三層包膜緩釋氯化鉀在靜水中第1、5和28天時(shí)氯化鉀的累積釋放率分別為9.8、26.5和70.2％，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T23348-2009)緩釋肥料標(biāo)準(zhǔn)。
實(shí)施例5
(1)在圓盤造粒機(jī)中加入磷酸銨顆粒，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，在60℃下噴入熔化的液體石蠟，冷卻后得到石蠟包膜肥料顆粒，石蠟與肥芯重量比為1:100。
(2)將步驟(1)得到的石蠟包膜肥料顆粒加入圓盤造粒機(jī)，噴入霧化的聚乙烯醇水溶液，濃度為10％，再將秸稈炭基高吸水性樹脂粉末加入到造粒機(jī)中，使秸稈炭基高吸水性樹脂粉末包裹在肥料顆粒外層，作為緩釋肥料的中間包膜層，包膜完成后干燥。秸稈炭基高吸水樹脂與肥芯質(zhì)量比為30:100。
(3)用苯丙乳液噴涂步驟(2)的包膜顆粒，最后干燥得到包膜緩釋肥料，苯丙乳膠與肥芯質(zhì)量比為2:100，苯丙乳液的固含量為10％。
制備的包膜緩釋肥料吸水倍率69g/g，三層包膜緩釋磷酸銨在靜水中第1、5和28天時(shí)磷酸銨的累積釋放率分別為8.5、23.2和65.8％，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T23348-2009)緩釋肥料標(biāo)準(zhǔn)。