包衣工艺对乙基纤维素包膜尿素的影响

黄迪菲

摘要：为探究乙基纤维素包膜尿素的优化制备条件，以乙基纤维素（EC）为原料，无水乙醇为溶剂，采用包衣锅法制备EC包膜尿素颗粒，并以尿素包埋率为指标探讨包衣锅转速、喷液方式、包衣锅片床温度、雾化压力等因素对样品制备的影响，再利用水溶试验和土柱淋溶试验检测其在不同包衣工艺条件下的缓释性能。结果表明，制备包膜量为10%的EC包膜尿素颗粒的最佳工艺条件为包衣锅转速700 r/min、喷枪从底部斜向上喷液、包衣锅片床温度70 ℃，雾化压力0.8 MPa，在此条件下制备的EC包膜尿素颗粒的尿素最大包埋率为93.66%。

关键词：乙基纤维素；包膜；转速；温度；缓释

中图分类号：S143.1+5 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）22-5560-05

Abstract： In order to explore the optimized preparation conditions of coated urea with ethyl cellulose， which was embedded of urea with the raw material of ethyl cellulose（EC） and the solvent of anhydrous ethanol by the way of coating pan. Urea embedding rate was chosen as an index to discuss and analyze the the influence of speed of coat pan， the way of spray of coating pan， temperature of coating pan bed and atomizing pressure on sample preparation. Then its slow release performance was measured by water solubility test and soil column leaching test under different coating process conditions. Results showed that the optimum process conditions for preparation of coating 10% EC of coated urea particles： Coating pan speed was 700 r/min， spray gun sprayed inclined upward from the bottom， temperature of coating pan bed was 70 ℃， spray pressure was 0.8 MPa. Under the optimal conditions， the package rate of coated urea with EC was 93.66%.

Key words： ethyl cellulose； coating； speed； temperature； slow release

由于普通肥料化肥基本上都是水溶性好、易分解的速效肥，這使得它们在有大量水分存在的情况下养分释放很快，从而造成大量成分的流失，结果是肥料的利用率大大降低，特别是如尿素一类的极易溶于水的肥料[1]。为提高尿素的利用率，一般采用包膜法[2]延缓尿素的释放，其中天然高分子材料因为其可降解[3]、无污染、来源广[4]的优势而作为包膜材料的首选。

本试验选用乙基纤维素作为包膜材料，乙基纤维素是一种来源于纤维素的线性多糖，是具有热塑性、非水溶性、非离子型的纤维素烷基醚。它是水不溶性聚合物，同时具有耐化学药品、耐盐、耐碱和热稳定的特性，与蜡、树脂、增塑剂等有较好的相容性，并且溶于多种有机试剂[5]，具有良好前景的生物相容性和生物降解能力[6]。Costa等[7]在2013年将乙基纤维素和聚羟基丁酸酯在添加乳化剂的条件下制备成复合乳液，用于包膜尿素。这种包膜尿素具有一定的缓释效果，可延缓尿素在水中1 h的释放时间。乙基纤维素有良好的成膜性能， 可生成韧性好且不易磨损的包衣层。乙基纤维素所具备的特性使得它在缓控释薄膜包衣中有广泛的潜力[8]。

包衣锅因为其操作方便、成本低、可大量生产[9]而广泛应用于包膜肥料的制备[10]，但因为其操作工艺的问题，对产品会造成影响。研究包衣工艺对样品的影响，对于产品的规模化、工业化生产有重要意义。

1 材料与方法

1.1 供试材料和设备

试验用肥料为大颗粒（武汉产）农用尿素，筛选颗粒直径1.0～2.8 mm的无破损且形状为圆球形的完整尿素颗粒。

包膜设备：BY-400包衣锅，湖南吉首市中湘制药机械厂生产；BEIJIBAO空气压缩机，上海名马空压机有限公司生产。

主要包膜材料：乙基纤维素（ethyl cellulose，EC），成都市科龙试剂有限公司生产；无水乙醇，国药集团化学试剂有限公司生产。

1.2 工艺流程

乙基纤维素包膜液体的制备：称取5 g乙基纤维素，加入500 mL无水乙醇中，常温快速搅拌（800 r/min） 30 min得到澄清透明无杂质的EC溶液，包衣液的固含物为1%。调节风机频率40 Hz，打开包衣锅的进风和加热开关，调整包衣锅进风温度50～70 ℃。待锅内温度升至所需温度后，准确称量100.0 g烘干后的尿素颗粒， 倒入包衣锅内。将配制的乙基纤维素包膜液体倒入液杯，打开液体出口阀，采用喷雾方式制备包膜尿素，拟定的设计包膜量定为10.0%。

1.3 对EC包膜尿素包埋率的检测

在制备EC包膜尿素的过程中，改变其中一个因素水平，考虑包膜尿素的包膜外观，以包埋率[11]（%）为指标，固定其他因素的水平，分析不同因素对制备EC包膜尿素的影响。以不同的包衣锅转速、喷枪喷液方式、包衣锅片床温度、雾化压力条件制备EC包膜尿素，并检测不同条件下的包埋率。

其中，包膜尿素包埋率的计算公式如下：

包膜尿素质量的检测方法采用对二甲氨基苯甲醛（PDAB）显色法，根据的是埃利希反应[Ehrlich]原理，即對二甲氨基苯甲醛[（CH3）2·N·C6H4CHO]在酸性条件下与尿素[CO（NH2）2]反应，生成的对二甲氨基甲醛脲[（CH3）2·N·C6H4CH=NCONH2]为柠檬黄色化合物，其颜色的深浅与尿素含量成正比，可以比色测定缓释液中溶出的尿素含量[12]。

以包膜尿素的包埋率为指标，研究包衣工艺，如包衣锅转速对样品的影响，包衣锅包衣时片床温度对样品的影响，喷枪喷液方式对样品的影响，雾化压力对样品的影响，以期获得最佳包衣工艺条件。

1.4 包膜尿素释放率的检测

1.4.1 尿素在纯水中的释放 称取10.0 g包膜尿素，置于100目的防腐蚀性的尼龙网和支架固定的笼状装置中，将其浸入盛有200.0 mL去离子水的烧杯中，置于25 ℃室温环境，释放装置置于磁力搅拌器上，烧杯底部放置磁力搅拌转子，保持液体不断搅拌，使溶液中尿素含量均匀[13]。放置一段时间后取出全部浸泡液，用移液管吸取滤液1 mL加入到50 mL比色管中，再准确加入10.0 mL对二甲氨基苯甲醛试剂（PDAB）、5.0 mL 2.0 mol/L硫酸，然后加蒸馏水稀释至25 mL刻度线，摇匀。在25～30 ℃条件下静置5 min后，用UV2100紫外-可见分光光度计测定其吸光值。通过对比标准曲线，即可找出对应的浓度，从而计算出尿素的释放量和累积释放率。平行试验至少3次，统计其结果，采用Origin 8.5作图，以释放时间为横轴，累计释放率为纵轴，绘制样品在水中的释放曲线图[14]。

1.4.2 土柱法检测尿素的释放 将标准的500 mL饮用塑料瓶洗净，下端瓶口用300目过滤纱布压实，然后从下至上依次加入10 g颗粒均匀的6目石英沙沙子、150 g干燥并灭菌后的风干土、10 g EC包膜尿素颗粒、50 g干燥后的风干土、20 g颗粒大小均匀的碎石，下面接上一段胶管并用夹子夹住[15]，同时做空白试验对照。首先用100 mL水润湿土壤，静置1 d，以后每天都用50 mL蒸馏水进行淋溶，共淋溶30 d，将接取的滤液吸取2 mL，离心取上清液，再用PDAB测定其含氮量，计算出尿素释放率，记录并绘制出EC包膜尿素颗粒尿素累计释放率变化曲线。

2 结果与分析

2.1 不同包衣工艺条件对EC包膜尿素包埋率的影响

2.1.1 转速对EC包膜尿素包埋率的影响 当包衣锅片床温度为70 ℃，喷液方式为喷枪在底部斜向上喷液，雾化压力为0.8 MPa时，不同包衣锅转速下制备的EC包膜尿素样品的包埋率见图1。由图1可知，随着包衣锅转速的增大，尿素的包埋率先增大后减小，当包衣锅转速为600～800 r/min时，尿素的包埋率都大于90%；转速为700 r/min时包埋率达到最高，为93.6%。当包衣锅转速太小时，会使包膜液涂布不均匀，容易结块；当包衣锅转速太大时，一部分尿素颗粒在离心力的作用下被甩出包衣锅，一部分尿素颗粒在激烈的碰撞下破碎并溶解在液体中而没有被包埋进去，造成尿素包埋率逐渐降低。

2.1.2 喷液方式对EC包膜尿素包埋率的影响 包衣锅的喷枪并不是固定的，这就对操作有要求[16]。一般而言，样品喷液可从样品底部斜向上喷液，从样品正面向下喷液，从样品左侧向锅内喷液以及从样品右侧向锅外喷液。由图2可知，喷枪从底部斜向上喷液，包埋率最高，为93.66%。从样品正面向下喷液，包埋率略低于前者，但也高达88.3%。喷液方式为从样品左侧向锅内喷液时，包埋率只有60.21%，这是由于大量包膜液包裹着尿素颗粒粘连在了包衣锅的内壁上，从而导致了包膜尿素的大量结块，降低了包埋率。在喷液过程中，由于大量质量轻的小颗粒尿素被喷枪喷出锅外，且部分包衣液也喷出锅外，从而导致了包埋率过低。结合所有数据综合考虑，喷液方式选择喷枪从样品底部斜向上喷液，为最优喷液方式。

2.1.3 包衣锅片床温度对EC包膜尿素包埋率的影响 片床的平均温度与喷雾阶段出口空气的温度接近，因此可用出口空气温度记录片床温度。一般片床温度高有利于减少标识架桥现象的出现，但会促使边缘开裂。同时，随片床温度由40 ℃加热到80 ℃，其膜表面粗糙度显著增加[17]。由于片床温度过高，尿素会发生分解，而温度低会导致包衣液粘连在锅壁上，因此需控制好片床的温度。选择片床温度为20、30、40、50、60、70、80、90 ℃，其他因素不变，以评价最佳包膜的包衣锅片床温度。由图3可知，片床温度对样品的着膜率影响不大，但在50～80 ℃时尿素包埋率较高，其中温度为70 ℃时尿素包埋率最高。这是因为随着片床温度升高，结块率减小，尿素的包埋率提高了。但当温度超过80 ℃后，样品表面的包膜层发生崩裂现象，又降低了包埋率。

2.1.4 雾化压力对EC包膜尿素包埋率的影响 包衣过程中，包衣液的雾化程度与包衣所成衣膜的外观质量有密切关系，而决定雾化量的条件是雾化压力。对EC包膜尿素来说，雾化压力大则雾化液体量大，会造成大量液体不能及时干燥，导致物料的粘连现象；而雾化程度不够，液体不能全面覆盖尿素颗粒表面，会导致尿素颗粒包膜不完整。由图4可知，当包衣锅转速为700 r/min，喷枪喷液方式为从样品底部斜向上喷液，包衣锅片床温度为70 ℃，只改变雾化压力，雾化压力在0.8 MPa的时候，包膜尿素的包埋率最高，达到93.66%。

2.2 不同包衣工艺条件对EC包膜尿素释放率的影响

2.2.1 转速对EC包膜尿素释放率的影响 包衣锅片床温度为70 ℃，喷液方式为喷枪斜向上喷液，雾化压力为0.8 MPa，选择包衣锅转速分别为300、500、700、900、1 100 r/min，分别检测其在水中和淋溶土柱中的尿素释放率，结果见图5和图6。如图5所示，包衣锅转速为700 r/min时，EC包膜尿素在水中的释放时间最长。转速为300和1 100 r/min时，尿素释放最快。随着包衣锅转速的升高，缓释时间延长，达到700 r/min时尿素缓释时间最长，此后随着转速增加缓释时间减少。对比图6中EC包膜尿素在土柱试验中的尿素释放曲线可发现，其尿素釋放时间更长，这可能是因为土柱淋溶试验中土壤、沙石等阻碍了样品与水的接触，降低了尿素的溶出。

2.2.2 喷液方式对EC包膜尿素释放率的影响 包衣锅转速700 r/min，包衣锅片床温度为70 ℃，雾化压力为0.8 MPa，以不同的喷液方式制备EC包膜尿素，并分别检测其在水中和淋溶土柱中的尿素释放率，结果见图7和图8。由图7可知，喷枪斜向上喷液条件下制备的EC包膜尿素在水中的释放时间最长。由图8可知，在淋溶土柱试验中，喷枪斜向上喷液条件下制备的EC包膜尿素的尿素释放时间依然最长。结合其尿素包埋率的结果来看是一致的，随着包埋率的增加，尿素释放时间增长。

2.2.3 包衣锅片床温度对EC包膜尿素释放率的影响 包衣锅转速700 r/min，喷液方式为喷枪斜向上喷液，雾化压力为0.8 MPa，以不同的包衣锅片床温度制备EC包膜尿素，并分别检测其在水中和淋溶土柱中的尿素释放率，结果见图9、图10。由图9、图10可知，随着温度的增加，EC包膜尿素在水和土柱中的释放时间增长，温度为70 ℃时释放时间最长，此后随着温度的增加，尿素释放时间减少。结合其包埋率的结果分析，这可能是因为，当温度低于70 ℃时，喷液未能完全烘干而固化在尿素颗粒表面，在部分EC包膜液体作用下颗粒短暂粘连，在包衣锅转动过程中造成尿素颗粒表面包膜不均匀；当温度高于70 ℃时，EC包膜层在高温作用下发生脱落或褶皱现象，因此导致包膜层不完整，影响了包膜尿素的释放率。

2.2.4 雾化压力对EC包膜尿素释放率的影响 包衣锅转速700 r/min，喷液方式为喷枪斜向上喷液，包衣锅片床温度为70 ℃，以不同的雾化压力制备EC包膜尿素，并分别检测其在水中和淋溶土柱中的尿素释放率，结果见图11、图12。由图11、图12可知，雾化压力为0.8 MPa时，EC包膜尿素的释放时间最长。当雾化压力大于0.8 MPa时，随着雾化压力的增加，EC包膜尿素的释放时间减少，这可能是因为随着雾化压力的增大，喷枪喷雾的喷液量增加，加大了包膜液干燥的难度从而导致了包膜层的密封性降低。当雾化压力低于0.8 MPa时，包膜液不能完全覆盖尿素颗粒表面，使得包膜层表面不均匀。

3 结论

制备EC包膜尿素颗粒的最佳工艺条件为包衣锅转速700 r/min、喷枪从底部斜向上喷液、包衣锅片床温度70 ℃、雾化压力0.8 MPa。在此条件下，包膜量10%的EC包膜尿素包埋率最高，尿素释放时间最长。

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（责任编辑 蔡端午）