一种大颗粒缓释肥料及其制备方法和应用

1.本发明属于肥料技术领域，涉及缓释肥的生产制造技术，具体涉及一种大颗粒缓释肥及其制备方法和应用。


背景技术：

2.花生是重要的油料作物和经济作物，在保障我国食用油脂安全方面发挥了重要作用。花生生长需要大量的营养元素，施肥是保障花生生产的重要措施。在花生生长发育过程中，营养元素总体表现为前期吸收需求少，中后期需肥量大的趋势，因而在花生生育后期是否能够及时提供所需要的肥料就显得尤为重要。大田生产中，施肥一般需要单独进行，在花生播种前施入土壤，或是生育中后期施入，费时费工。
3.大颗粒肥比表面积较小，肥料与土壤的接触面小，因此养分分解和移动缓慢，较好地解决了作物生长期长但肥效期短的矛盾问题，并且，大颗粒肥具有的抗破碎性和抗结块性不仅便于人工施肥，还为机械化施肥创造了条件。而缓释肥料以各种调控机制使其养分的最初释放延缓，延长植物对有效养分吸收利用的有效期，实现养分按照设定的释放率和释放期缓慢释放，有利于提高作物的产量、质量及肥料利用率。
4.目前市场上的缓释肥种类多样，效果不一，有鉴于此，本发明提供了一种大颗粒缓释肥料及其制备方法和应用，制备的大颗粒缓释肥作为一种长效肥料，在应用于花生种植时，能够减少单独施肥所耗费的时间及人工成本，对花生高效生产十分重要。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提出了一种大颗粒缓释肥及其制备方法和应用，该制备方法的生产工艺简单，成本低，易操作；采用该制备方法得到的缓释肥料具有营养全面且释放缓慢的优势，在应用于花生种植时，其缓释效果适配花生，达到长效的目的，提高了养分的利用率，并且施用方法简单易操作。
6.本发明的技术方案是：
7.1、一种大颗粒缓释肥料的制备方法，包括以下步骤：
8.(1)肥料内芯复配：将尿素和磷酸二氢钾按照质量比为(1.5～3)：1的比例混合后进行造粒，得到粒径为4～6mm的肥料内芯颗粒；
9.上述尿素和磷酸二氢钾的质量比是按照作物(例如花生)生长所需比例进行配比，二者的质量比为(1.5～3)：1范围内的任意比值，例如可以为1.5：1、2：1、2.5：1或3：1等。
10.(2)蓖麻油基聚氨酯包膜：称取适量蓖麻油搅拌加热，在真空度0.098mpa、温度100～120℃条件下脱水1.5～2.5h；降温至75～85℃，加入一定量异氟尔酮二异氰酸酯，在75～85℃温度下反应2～3h，得到蓖麻油基聚氨酯预聚体；将制得的蓖麻油基聚氨酯预聚体与一定量扩链剂丁二醇混合，喷于沸腾状态的肥料内芯颗粒表面，固化成膜，包膜后的颗粒于40～50℃干燥，即得蓖麻油基聚氨酯包膜肥；其中，蓖麻油、异氟尔酮二异氰酸酯与丁二醇的摩尔比为(1～3)：(5～7)：3，喷涂的蓖麻油基聚氨酯预聚体和丁二醇与肥料内芯颗粒的质
量比为(1～3)：100；
11.具体的，喷涂于肥料内芯颗粒表面的蓖麻油基聚氨酯预聚体和丁二醇，与肥料内芯颗粒的质量比为(1～3)：100范围内的任一比值，例如1：100、1.5：100、1.8：100、2.5：100、2.7：100等。
12.聚氨酯材料是一种用途广泛的合成树脂，聚氨酯作为包衣材料，形成的包衣膜层具有优异的性能。蓖麻油作为自然界可再生的天然植物油资源，产量可观，价格便宜。以蓖麻油代替部分传统的聚醚、聚酯等石油基多元醇，生产聚氨酯产品，可以缓解目前石油短缺的问题，而且蓖麻油表面含有较长的疏水脂肪酸链段，具有较好的耐水性，用来作为制备缓释肥的原材料具有较好的缓释效果。
13.(3)外部肥料层包裹：向蓖麻油基聚氨酯包膜肥中按比例加入膨润土、尿素、改性淀粉及根瘤菌剂，混合后进行造粒，包裹均匀得到粒径较大的肥料，45～55℃干燥；其中，所加入膨润土、尿素、改性淀粉及根瘤菌剂的比例为质量比(15～25)：(1～3)：(0.5～2)：(0.5～2)，所得到粒径较大的肥料的直径为8～10mm；
14.(4)海藻酸钠层包裹：向步骤(3)制得的肥料中加入质量分数为2％～4％的海藻酸钠水溶液，待包裹均匀后，喷入质量分数为4％～6％的cacl2溶液对海藻酸钠进行交联，交联结束后，于40～50℃干燥，得到大颗粒缓释肥料。
15.上述步骤(4)中，海藻酸钠与肥料的质量比为(1～3)：20，具体可为该范围内的任意比值，例如可以为1：20、1.5：20、1.7：20、2.5：20、2.8：20等；优选的，海藻酸钠与肥料的质量比为2：20。
16.海藻酸盐作为一种天然高分子材料，来源丰富、价格低廉，并具有良好的生物降解性；海藻酸盐无毒、无臭，水溶液黏度高，能与二价金属阳离子迅速反应而物理交联，从而将水分子包裹于离子网络结构形成水凝胶，借助于海藻酸钠作为包膜可以实现肥料的缓释。
17.进一步的，所述步骤(1)中尿素和磷酸二氢钾的质量比为2：1；
18.进一步的，所述步骤(1)复配造粒得到的肥料内芯颗粒的粒径为5mm。
19.进一步的，所述步骤(2)中所述蓖麻油、异氟尔酮二异氰酸酯及丁二醇的摩尔比为2：6：3；
20.优选的，喷涂于肥料内芯颗粒表面的蓖麻油基聚氨酯预聚体和丁二醇，与肥料内芯颗粒的质量比为2：100。
21.优选的，所述蓖麻油在真空度0.098mpa、温度110℃脱水2h，降温至80℃左右，加入异氟尔酮二异氰酸酯，在80℃进行反应2.5h得到蓖麻油基聚氨酯预聚体。
22.进一步的，所述步骤(2)在包膜时，独立喷雾系统以0.4～0.6kg/h的喷涂速度将蓖麻油基聚氨酯预聚体和丁二醇喷涂于处于沸腾状态的肥料颗粒表面，使两种组分在肥料粒子表面发生反应，固化成膜；其中，肥料颗粒的温度为60～80℃，喷涂时喷嘴雾化气压为0.7～1.2mpa，进风温度为20～80℃。此处，采用沸腾造粒技术的肥料颗粒处于沸腾状态，以便于将蓖麻油基聚氨酯预聚体和丁二醇喷涂于肥料颗粒表面。
23.优选的，喷涂速度为0.5kg/h；优选的，肥料颗粒的温度为70℃；优选的，喷嘴雾化气压为1.0mpa，进风温度为50℃。
24.进一步的，所述步骤(3)中加入的膨润土、尿素、改性淀粉及根瘤菌剂的质量比为20：2：1：1；
25.优选的，所述步骤(3)中包裹均匀得到的粒径较大的肥料的粒径只要满足直径8～10mm范围内任一数值即可，更优选的，直径为9mm。
26.进一步的，所述步骤(4)中海藻酸钠的质量分数为3％，cacl2溶液的质量分数为5％。
27.本发明还保护由所述的制备方法制备得到的大颗粒缓释肥料。该大颗粒缓释肥分为内部合成高分子包裹层和外部天然高分子包裹层，高分子包膜由蓖麻油和异佛尔酮二异氰酸酯合成的聚氨酯制得，其内芯为尿素和磷酸二氢钾混合肥料，确保作物中后期的养分需求；聚氨酯外层为膨润土、尿素、改性淀粉及根瘤菌剂，最外层为天然高分子海藻酸钠层，这两层可提供种子萌芽及苗期所需的营养。
28.本发明制备方法中，将海藻酸钠和聚氨酯结合的目的和作用在于，海藻酸钠作为一种天然高分子材料，具有良好的生物降解性，其无毒，水溶液粘度高，能与二价金属离子迅速反应发生物理交联形成水凝胶；但天然高分子材料做包膜其缓释效果欠佳，而合成高分子材料例如聚氨酯包膜材料的缓释效果好，但环保性及降解性都相对较差；聚氨酯包膜材料具有熔点低、易于成型、隔水性能较好、不受土壤条件影响等特点，可更好地满足养分释放与农作物需肥规律相匹配，但聚氨酯缓控释肥的前期养分溶出率低，难以满足花生的需求，因此本发明采用海藻酸钠与聚氨酯包覆相结合的方式，使得海藻酸钠包裹的肥料层负责植物前期养分需求，聚氨酯层满足植物中后期的养分需求。
29.进一步的，每个所述大颗粒缓释肥料的长为0.5～1cm，质量为0.5～1.2g；其形状为椭圆球形，近花生形状。
30.本发明又保护所述大颗粒缓释肥料在花生种植中的应用。
31.进一步的，在花生播种时，将所述大颗粒缓释肥料与花生种子混合，按照一粒种子对应一粒肥料的配比播入土中。
32.本发明的有益效果：
33.(1)本发明的制备方法简单，成本低，且容易操作，采用该制备方法制得的大颗粒缓释肥料解决了现有缓释肥前期营养释放难以满足花生需求的问题，该大颗粒缓释包括被包膜隔开的两层肥料，外层肥料的营养可提供种子萌发及苗期所需的营养，肥料芯可提供花生生育中后期所需的养分，具有短效与长效相结合的特点，可显著促进花生产量及品质提升，促进农业可持续健康生产目标实现。
34.(2)本发明提供的肥料大小与花生相似，在实际施用过程中，将其与花生种子混合，由播种机或人工一次性播入土中，其中一粒种子对应和一粒肥料在一个播种穴里，施用方法操作简单，施肥期间节省大量劳动力。
具体实施方式
35.为了进一步理解本发明，下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.实施例1
37.一种大颗粒缓释肥料的制备方法，包括以下步骤：
38.(1)将尿素和磷酸二氢钾按照2：1的质量比混合后滚筒造粒，当超过90％的肥料粒径达到5mm的尺寸要求后，筛选去除过大或过小的颗粒，得到肥料内芯；
39.(2)称取适量蓖麻油加入到带有搅拌、温度计和真空装置的三口瓶中，搅拌加热，真空度0.098mpa、温度110℃脱水2h；降温至80℃，加入计量好的异氟尔酮二异氰酸酯，在80℃进行反应2.5h得到蓖麻油基聚氨酯预聚体；在包膜时，独立的喷雾系统以0.5kg/h的喷涂速度将蓖麻油基聚氨酯预聚体和扩链剂丁二醇喷于处于沸腾状态的肥料内芯颗粒表面，使两种组分在肥料内芯颗粒表面发生反应，固化成膜；喷涂时喷嘴雾化气压为1.0mpa，进风温度为50℃，肥料温度为70℃，将所得包裹颗粒进行45℃恒温干燥，得到蓖麻油基聚氨酯包膜肥；其中，蓖麻油、异氟尔酮二异氰酸酯与丁二醇的摩尔比为2：6：3；肥料内芯颗粒与其表面喷涂的蓖麻油基聚氨酯预聚体和丁二醇混合物的质量比为50：1；
40.(3)采用圆盘造粒机包覆，称取一定量制得的蓖麻油基聚氨酯包膜肥于圆盘造粒机中，转动圆盘，喷入微量雾化水，按比例加入膨润土、尿素、改性淀粉及根瘤菌剂(其质量比为20：2：1：1)的混合物进行造粒，所加入混合物的质量与蓖麻油基聚氨酯包膜肥的质量比为10：1，包裹均匀得到直径为9mm的肥料颗粒，取出，50℃干燥；
41.(4)继续使用圆盘造粒机，将步骤(3)得到的肥料放入其中，加入与肥料质量比为1：10且质量分数为3％的海藻酸钠水溶液，待包裹均匀后，喷入质量分数为5％的cacl2溶液对海藻酸钠进行交联，取出，40～50℃干燥，得到大颗粒缓释肥料。
42.采用上述制备方法，最终得到的肥料的大小与花生相似，长0.8cm，重量与花生相似，0.8g/粒。
43.在花生播种时，与花生种子混合，一粒种子对应一粒大颗粒缓释肥料，由播种机或人工一次性播入土中。
44.实施例2
45.一种大颗粒缓释肥料的制备方法，包括以下步骤：
46.(1)将尿素和磷酸二氢钾按照1.5：1的质量比混合后滚筒造粒，当超过90％的肥料粒径达到4mm的尺寸要求后，筛选去除过大或过小的颗粒，得到肥料内芯；
47.(2)称取适量蓖麻油加入到带有搅拌、温度计和真空装置的三口瓶中，搅拌加热，真空度0.098mpa、温度100℃脱水1.5h；降温至75℃，加入计量好的异氟尔酮二异氰酸酯，在75℃进行反应2h得到蓖麻油基聚氨酯预聚体；在包膜时，独立的喷雾系统以0.4kg/h的喷涂速度将蓖麻油基聚氨酯预聚体和扩链剂丁二醇喷于处于沸腾状态的肥料内芯颗粒表面，使两种组分在肥料内芯颗粒表面发生反应，固化成膜；喷涂时喷嘴雾化气压为0.7mpa，进风温度为20℃，肥料温度为60℃，将所得包裹颗粒进行40℃恒温干燥，得到蓖麻油基聚氨酯包膜肥；其中，蓖麻油、异氟尔酮二异氰酸酯与丁二醇的摩尔比为1：5：3；肥料内芯颗粒与其表面喷涂的蓖麻油基聚氨酯预聚体和丁二醇混合物的质量比为100：1；
48.(3)采用圆盘造粒机包覆，称取一定量制得的蓖麻油基聚氨酯包膜肥于圆盘造粒机中，转动圆盘，喷入微量雾化水，按比例加入膨润土、尿素、改性淀粉及根瘤菌剂(其质量比为15：1：0.5：0.5)的混合物进行造粒，所加入混合物的质量与蓖麻油基聚氨酯包膜肥的质量比为8：1，包裹均匀得到直径为8mm的肥料颗粒，取出，45℃干燥；
49.(4)继续使用圆盘造粒机，将步骤(3)得到的肥料放入其中，加入与肥料质量比为1：20且质量分数为2％的海藻酸钠水溶液，待包裹均匀后，喷入质量分数为4％的cacl2溶液
对海藻酸钠进行交联，取出，40～50℃干燥，得到大颗粒缓释肥料。
50.采用上述制备方法，最终得到的肥料的大小与花生相似，长0.5cm，重量与花生相似，0.5g/粒。
51.在花生播种时，与花生种子混合，一粒种子对应一粒大颗粒缓释肥料，由播种机或人工一次性播入土中。
52.实施例3
53.一种大颗粒缓释肥料的制备方法，包括以下步骤：
54.(1)将尿素和磷酸二氢钾按照3：1的质量比混合后滚筒造粒，当超过90％的肥料粒径达到6mm的尺寸要求后，筛选去除过大或过小的颗粒，得到肥料内芯；
55.(2)称取适量蓖麻油加入到带有搅拌、温度计和真空装置的三口瓶中，搅拌加热，真空度0.098mpa、温度120℃脱水2.5h；降温至85℃，加入计量好的异氟尔酮二异氰酸酯，在85℃进行反应3h得到蓖麻油基聚氨酯预聚体；在包膜时，独立的喷雾系统以0.6kg/h的喷涂速度将蓖麻油基聚氨酯预聚体和扩链剂丁二醇喷于处于沸腾状态的肥料内芯颗粒表面，使两种组分在肥料内芯颗粒表面发生反应，固化成膜；喷涂时喷嘴雾化气压为1.2mpa，进风温度为80℃，肥料温度为80℃，将所得包裹颗粒进行50℃恒温干燥，得到蓖麻油基聚氨酯包膜肥；其中，蓖麻油、异氟尔酮二异氰酸酯与丁二醇的摩尔比为3：7：3；肥料内芯颗粒与其表面喷涂的蓖麻油基聚氨酯预聚体和丁二醇混合物的质量比为100：3；
56.(3)采用圆盘造粒机包覆，称取一定量制得的蓖麻油基聚氨酯包膜肥于圆盘造粒机中，转动圆盘，喷入微量雾化水，按比例加入膨润土、尿素、改性淀粉及根瘤菌剂(其质量比为25：3：2：2)的混合物进行造粒，所加入混合物的质量与蓖麻油基聚氨酯包膜肥的质量比为12：1，包裹均匀得到直径为10mm的肥料颗粒，取出，55℃干燥；
57.(4)继续使用圆盘造粒机，将步骤(3)得到的肥料放入其中，加入与肥料质量比为3：20且质量分数为4％的海藻酸钠水溶液，待包裹均匀后，喷入质量分数为6％的cacl2溶液对海藻酸钠进行交联，取出，40～50℃干燥，得到大颗粒缓释肥料。
58.采用上述制备方法，最终得到的肥料的大小与花生相似，长1cm，重量与花生相似，1.2g/粒。
59.在花生播种时，与花生种子混合，一粒种子对应一粒大颗粒缓释肥料，由播种机或人工一次性播入土中。
60.试验例1
61.采用25℃水浸泡法测定缓释期，分光光度法测定水溶液中尿素态氮含量。分别制备含氮量相同的尿素、在肥料内芯外仅包裹海藻酸钠的海藻酸钠单层缓释肥、在肥料内芯外仅进行蓖麻油基聚氨酯包膜的蓖麻油基聚氨酯单层缓释肥、以及本发明实施例1的大颗粒缓释肥料，放入150μm的尼龙纱网袋中，封口后，放入250ml塑料瓶中，加入200ml去离子水后密封，置于25℃恒温培养箱，于固定时间取样。
62.采用分光光度法测定计算塑料瓶中的尿素态氮含量，当累计养分溶出率大于80％时，停止测试，计算缓释期。
63.如下表1为上述制备的含氮量相同的尿素、海藻酸钠单层缓释肥、蓖麻油基聚氨酯单层缓释肥、以及实施例1的大颗粒缓释肥料在水中的氮素溶出率，包括各个时间段的取样测定结果。从表1可以看出大颗粒缓释肥在水中的氮素释放速度明显低于尿素和海藻酸钠
单层缓释肥，其前期氮素释放高于蓖麻油基聚氨酯单层缓释肥，后期降低，24h内的氮素释放率低于15％，28天内的氮素释放率低于75％，符合缓释肥标准，具有缓释效果，更为符合花生等作物生长周期营养吸收。
64.表1大颗粒缓释肥养分释放特征
65.处理1d(％)7d(％)14d(％)28d(％)42d(％)尿素97.89100.00100.00100.00100.00海藻酸钠单层缓释肥11.1780.9488.7393.0195.07蓖麻油基聚氨酯单层缓释肥6.3320.6860.1575.5589.51大颗粒缓释肥8.8128.1250.2468.0181.52
66.试验例2
67.在本试验例中，于莱西进行花生盆栽实验。分别制备施氮量为120mg/株的尿素、在肥料内芯外仅包裹海藻酸钠的海藻酸钠单层缓释肥、在肥料内芯外仅进行蓖麻油基聚氨酯包膜的蓖麻油基聚氨酯单层缓释肥、以及本发明实施例1的大颗粒缓释肥料，将上述各肥料与花生一同播种，以不施肥的花生盆栽作为对照，60天后取样测定。
68.如下表2为上述制备的施氮量为120mg/株的尿素、海藻酸钠单层缓释肥、蓖麻油基聚氨酯单层缓释肥、以及实施例1的大颗粒缓释肥料在花生种植试验中，测定的各项发育和产量数据。表2结果表明，在花生种植试验中，大颗粒缓释肥与花生同时播种，显著促进了花生的生长发育，包括光合作用、植株干重和荚果干重，其中花生产量较尿素提高92％。
69.表2大颗粒缓释肥对花生生长发育和产量的影响
[0070][0071]
上述说明仅为本发明的优选实施例，并非是对本发明的限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改型等，均应包含在本发明的保护范围之内。