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聚合物包膜肥料不仅可以减少养分损失,提高肥料的利用率,而且还能够降低环境风险,是目前解决肥料施用与环境保护矛盾的有效方法之一。本文通过调节聚合物合成材料中软、硬单体的比例,在应用相同生产原料与工艺的基础上,利用GA-1710-A,GA-1710-B,GA-1710-C,GA-1710-D四种性质稳定且性能各异的水溶性高分子聚合物乳液以研制相应的包膜肥料,并对其控释性能和生产工艺进行了表征和优化。
运用模型膜的研究手段,对基于上述四种乳液制备的膜材进行基本性能表征,包括溶胀度、玻璃化转化温度(Tg)和表面形态,发现各材料仅Tg差异较大,并呈现出一定梯度,以膜材A的最低为6.82℃,膜材D的最高为25.81℃;成膜过程中添加交联剂的比例与温度对膜材的溶胀度和表面形态影响较大而对Tg几乎没有影响。在一定范围内(≤2wt.%)增加交联剂用量与升高成膜温度可以降低溶胀度;同时增加交联剂用量与升温也有利于形成致密、均匀的膜。其中以加入2wt.%交联剂并于800℃制备的模型膜溶胀度最小且表面结构良好。
借助傅里叶变换红外光声光谱(FTIR-PAS),对由乳液A于不同条件下制备的模型膜进行表面结构分析可知膜材疏水性的相对强弱,并与实际溶胀度测定结果相吻合;同时基于优化的偏最小二乘法(PLS)模型,还可对溶胀度进行定量预测,校正相关系数(R2)为0.9887,校正与验证标准误分别为0.64%、2.09%。此外,通过FTIR-PAS还可对膜材进行逐层扫描分析以比较各层膜之间的差异。
综合包膜肥料养分控释效果快速评价(静水40℃溶出),肥料包膜表面形态(光学显微镜)与结构(FTIR-PAS)的分析结果,在小试工艺的基础上初步确定了基于乳液A的包膜肥料的中试生产工艺与后处理工艺:进风温度30±5℃,雾化压力0.4Mpa、乳液平均喷入速率0.20Lmin-1,交联剂最大用量2wt.%,80℃加热2h。其中交联剂用量可根据实际需要下调。对基于乳液B,C,D的研制包膜肥料仅进行了小试生产工艺的探索,并发现基于这四种材料的小试生产工艺相近,但包膜肥料养分控释性能各异。其中以材料A与C的控释效果较好,材料B次之,而材料D最差。
通过分析由乳液B、C、D及加入1wt.%交联剂构成的膜材料分别于潮土和红壤(25℃)中填埋一年的质量损失率、表面形态与结构的变化,可知各膜材料由表层向深层逐步发生了降解,并初步估算出上述材料于潮土中完全降解的时间依次为2.5、2.1和3.3年;于红壤中完全降解的时间依次为3.3、2.5和3.3年。同时仅个别材料填埋于潮土和红壤(25℃)后会显著降低土壤微生物群落整体活性,加之上述材料具有通气性、持水性与改良土壤的性能,可以认定这三种材料对环境友好。