馬海生，宮錫余，肖 艷，杜迎輝，宋玉寶，胡 凡

（1. 河北省農(nóng)業(yè)生物技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 秦皇島 066004；2. 河北省農(nóng)業(yè)廳植物營(yíng)養(yǎng)與海洋功能肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004；3. 領(lǐng)先生物農(nóng)業(yè)股份有限公司，河北 秦皇島 066004）

化肥是一種十分重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料［1］，施用化肥是提高糧食產(chǎn)量直接有效的措施之一。隨著人口的不斷增長(zhǎng)，人們對(duì)糧食的需求量日益加大，化肥的使用量也日益增加。然而，肥料的利用率卻較低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)達(dá)國(guó)家肥料的平均利用率為50%～60%，氮肥利用率達(dá)到50%～70%，而我國(guó)氮肥利用率僅為30%～35%，磷肥利用率僅為10%～25%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家［2］。較低的養(yǎng)分利用率不僅增加了肥料的投用量，更是導(dǎo)致資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)生態(tài)環(huán)境也會(huì)造成不利影響［3］。緩控釋肥不僅可以有效提高肥料利用率，降低肥料損失，還可以減少施肥次數(shù)，降低成本，在保護(hù)生態(tài)環(huán)境方面也起著積極的作用［4］。另外，緩控釋肥養(yǎng)分的釋放與農(nóng)作物的生長(zhǎng)需肥規(guī)律相匹配，可以增加農(nóng)作物的產(chǎn)量［5］。

聚氨酯材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐候性以及耐溶劑性等優(yōu)點(diǎn)，在化工、電子、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［6］。聚氨酯包膜材料具有熔點(diǎn)低、易于成型、隔水性能較好、不受土壤條件影響等優(yōu)點(diǎn)，可更好地滿足養(yǎng)分釋放與農(nóng)作物需肥規(guī)律相匹配的要求［7］，得到廣大科研學(xué)者的青睞。

1 聚氨酯緩控釋肥膜材反應(yīng)原理及養(yǎng)分釋放機(jī)制

1.1 聚氨酯膜材反應(yīng)原理

聚氨酯緩控釋肥是一種物理阻礙控制釋放型肥料，由顆粒內(nèi)核和外層包膜組成。外層聚氨酯包膜是由多異氰酸酯與多元醇等原料合成的聚合物，反應(yīng)方程式為：

異氰酸酯易與水發(fā)生副反應(yīng)，反應(yīng)方程式為：

在生產(chǎn)過(guò)程中，包膜設(shè)備內(nèi)進(jìn)入水蒸氣或肥芯顆粒表面水分未完全烘干，均會(huì)引發(fā)異氰酸酯與水的反應(yīng)，最終導(dǎo)致原料在尿素顆粒表面不能正常反應(yīng)，若水蒸氣量稍大，將導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量嚴(yán)重不合格。

1.2 養(yǎng)分釋放機(jī)制

一般來(lái)說(shuō)，聚氨酯緩控釋肥釋放機(jī)制可以用擴(kuò)散原理解釋［8-9］。水分子不斷通過(guò)包膜層滲透進(jìn)入肥料顆粒內(nèi)核，并溶解內(nèi)部養(yǎng)分，在包膜內(nèi)外兩側(cè)形成一定的濃度梯度。包膜內(nèi)側(cè)肥料養(yǎng)分則在滲透壓的作用下不斷釋放出來(lái)，提供給農(nóng)作物。整個(gè)釋放周期內(nèi)，釋放累計(jì)量隨時(shí)間呈現(xiàn)出S 型曲線規(guī)律?？蓪⑵浯笾路譃? 個(gè)階段，初期基本上沒有養(yǎng)分的釋放，中期養(yǎng)分大量釋放，末期釋放量又減少。包膜材料組分、膜層厚度以及膜層孔隙度等是影響?zhàn)B分釋放速率的最主要因素，決定著緩控釋肥的質(zhì)量以及釋放周期。通過(guò)調(diào)節(jié)上述因素，可以使緩控釋肥養(yǎng)分的釋放與不同農(nóng)作物生長(zhǎng)需肥規(guī)律相匹配，滿足作物不同生長(zhǎng)階段的養(yǎng)分需求。

2 聚氨酯緩控釋肥生產(chǎn)工藝

領(lǐng)先生物農(nóng)業(yè)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱公司）原緩控釋肥生產(chǎn)工藝為間歇式，自動(dòng)化程度低，膜材包裹不均，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，原材料損失嚴(yán)重，產(chǎn)量低，成本較高。為了解決以上問題，公司開發(fā)出了一套新的連續(xù)式緩控釋肥生產(chǎn)工藝，減少了人為操作誤差，反應(yīng)參數(shù)控制更加精密，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。采用該工藝，通過(guò)更改膜材配方及參數(shù)，可生產(chǎn)不同類型及不同釋放期的緩控釋肥料產(chǎn)品。

連續(xù)式緩控釋肥生產(chǎn)工藝主要分為原料給料工序、包膜工序以及包裝工序。包膜工序是整個(gè)生產(chǎn)工藝中最重要的部分。原料給料工序?yàn)榘すば蛱峁┒康?、粒徑合格的肥芯原料，肥芯原料在包膜工序與膜材混合形成聚氨酯包膜，包裝工序完成對(duì)包膜產(chǎn)品的降溫以及包裝等操作。

聚氨酯緩控釋肥生產(chǎn)工藝流程見圖1。

圖1 聚氨酯緩控釋肥生產(chǎn)工藝流程

2.1 原料給料工序

自原料倉(cāng)庫(kù)運(yùn)輸來(lái)的肥芯原料由1#斗提機(jī)運(yùn)輸至篩分機(jī)，篩分后，合格原料由2#斗提機(jī)輸送至可計(jì)量式原料倉(cāng)內(nèi)，不合格物料由篩分機(jī)兩側(cè)進(jìn)入接料盤。當(dāng)進(jìn)入原料倉(cāng)內(nèi)的料量達(dá)到設(shè)定值后，2#斗提機(jī)、篩分機(jī)、1#斗提機(jī)因連鎖先后停止運(yùn)行，原料倉(cāng)底部出口閥門自動(dòng)開啟，肥芯原料被運(yùn)輸至包膜工序。

2.2 包膜工序

包膜工序分為干燥系統(tǒng)和包膜系統(tǒng)兩部分。來(lái)自原料給料工序的肥芯原料在干燥系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行圓潤(rùn)處理并被加熱至反應(yīng)所需溫度，然后進(jìn)入包膜系統(tǒng)。在包膜設(shè)備內(nèi)，經(jīng)過(guò)精確計(jì)量的帶有羥基的A料、帶有異氰酸酯基的B 料以及其他添加劑在肥芯顆粒外表面充分混合并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成聚氨酯包膜層。反應(yīng)結(jié)束后，包膜肥料被運(yùn)輸至包裝工序。

2.3 包裝工序

若包膜肥料溫度較高，堆積后會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品結(jié)塊，影響產(chǎn)品質(zhì)量。包裝工序設(shè)有冷卻系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)降溫的包膜肥料由包裝斗提機(jī)運(yùn)輸至自動(dòng)包裝機(jī)進(jìn)行包裝，得到緩控釋肥產(chǎn)品。

3 緩控釋肥性能評(píng)價(jià)

緩控釋肥性能評(píng)價(jià)有靜水或鹽溶液中溶出率法、土壤培養(yǎng)法、土柱淋溶法、電超濾法、同位素示蹤法、生物學(xué)評(píng)價(jià)法等［7］，其中靜水溶出率法是最常用的方法。公司連續(xù)化生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的釋放期為60 d 的聚氨酯包膜尿素在25 ℃蒸餾水中浸提，其養(yǎng)分釋放曲線如圖2所示。

圖2 25 ℃蒸餾水中聚氨酯包膜尿素釋放曲線

由圖2 可知，生產(chǎn)的釋放期為60 d 的聚氨酯包膜尿素在釋放周期內(nèi)養(yǎng)分呈S 型規(guī)律逐步釋放。初期養(yǎng)分釋放率較低，第14 天養(yǎng)分累計(jì)釋放率僅為8%，中期養(yǎng)分大量釋放，第49 天時(shí)養(yǎng)分累計(jì)釋放率達(dá)到72%，后期養(yǎng)分釋放速率又逐漸下降，60 d 養(yǎng)分累計(jì)釋放率為79%。該聚氨酯包膜尿素具有良好的緩釋性能，符合農(nóng)作物不同生長(zhǎng)時(shí)期的需肥規(guī)律。

4 結(jié)論

緩控釋肥能顯著改善肥料的有效利用率，養(yǎng)分的釋放周期與農(nóng)作物的需肥規(guī)律相匹配，是化肥行業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。眾多緩控釋肥類型中，聚氨酯包膜是應(yīng)用較多的一種，具有良好的科研價(jià)值和較佳的經(jīng)濟(jì)效益。公司在原有間歇式工藝基礎(chǔ)上開發(fā)了新的緩控釋肥生產(chǎn)工藝，不僅實(shí)現(xiàn)了連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)，大大提高了產(chǎn)能，降低了成本，而且也顯著改善了緩控釋肥產(chǎn)品質(zhì)量，提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。