聚氨酯缓控释肥生产工艺开发

马海生，宫锡余，肖 艳，杜迎辉，宋玉宝，胡 凡

（1. 河北省农业生物技术创新中心，河北 秦皇岛 066004；2. 河北省农业厅植物营养与海洋功能肥料重点实验室，河北 秦皇岛 066004；3. 领先生物农业股份有限公司，河北 秦皇岛 066004）

化肥是一种十分重要的农业生产资料［1］，施用化肥是提高粮食产量直接有效的措施之一。随着人口的不断增长，人们对粮食的需求量日益加大，化肥的使用量也日益增加。然而，肥料的利用率却较低。据统计，发达国家肥料的平均利用率为50%～60%，氮肥利用率达到50%～70%，而我国氮肥利用率仅为30%～35%，磷肥利用率仅为10%～25%，远低于发达国家［2］。较低的养分利用率不仅增加了肥料的投用量，更是导致资源浪费和经济损失，对生态环境也会造成不利影响［3］。缓控释肥不仅可以有效提高肥料利用率，降低肥料损失，还可以减少施肥次数，降低成本，在保护生态环境方面也起着积极的作用［4］。另外，缓控释肥养分的释放与农作物的生长需肥规律相匹配，可以增加农作物的产量［5］。

聚氨酯材料具有优异的力学性能、耐候性以及耐溶剂性等优点，在化工、电子、医疗等众多领域得到广泛应用［6］。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优点，可更好地满足养分释放与农作物需肥规律相匹配的要求［7］，得到广大科研学者的青睐。

1 聚氨酯缓控释肥膜材反应原理及养分释放机制

1.1 聚氨酯膜材反应原理

聚氨酯缓控释肥是一种物理阻碍控制释放型肥料，由颗粒内核和外层包膜组成。外层聚氨酯包膜是由多异氰酸酯与多元醇等原料合成的聚合物，反应方程式为：

异氰酸酯易与水发生副反应，反应方程式为：

在生产过程中，包膜设备内进入水蒸气或肥芯颗粒表面水分未完全烘干，均会引发异氰酸酯与水的反应，最终导致原料在尿素颗粒表面不能正常反应，若水蒸气量稍大，将导致产品质量严重不合格。

1.2 养分释放机制

一般来说，聚氨酯缓控释肥释放机制可以用扩散原理解释［8-9］。水分子不断通过包膜层渗透进入肥料颗粒内核，并溶解内部养分，在包膜内外两侧形成一定的浓度梯度。包膜内侧肥料养分则在渗透压的作用下不断释放出来，提供给农作物。整个释放周期内，释放累计量随时间呈现出S 型曲线规律。可将其大致分为3 个阶段，初期基本上没有养分的释放，中期养分大量释放，末期释放量又减少。包膜材料组分、膜层厚度以及膜层孔隙度等是影响养分释放速率的最主要因素，决定着缓控释肥的质量以及释放周期。通过调节上述因素，可以使缓控释肥养分的释放与不同农作物生长需肥规律相匹配，满足作物不同生长阶段的养分需求。

2 聚氨酯缓控释肥生产工艺

领先生物农业股份有限公司（以下简称公司）原缓控释肥生产工艺为间歇式，自动化程度低，膜材包裹不均，产品质量不稳定，原材料损失严重，产量低，成本较高。为了解决以上问题，公司开发出了一套新的连续式缓控释肥生产工艺，减少了人为操作误差，反应参数控制更加精密，提高了生产效率，降低了生产成本。采用该工艺，通过更改膜材配方及参数，可生产不同类型及不同释放期的缓控释肥料产品。

连续式缓控释肥生产工艺主要分为原料给料工序、包膜工序以及包装工序。包膜工序是整个生产工艺中最重要的部分。原料给料工序为包膜工序提供定量的、粒径合格的肥芯原料，肥芯原料在包膜工序与膜材混合形成聚氨酯包膜，包装工序完成对包膜产品的降温以及包装等操作。

聚氨酯缓控释肥生产工艺流程见图1。

图1 聚氨酯缓控释肥生产工艺流程

2.1 原料给料工序

自原料仓库运输来的肥芯原料由1#斗提机运输至筛分机，筛分后，合格原料由2#斗提机输送至可计量式原料仓内，不合格物料由筛分机两侧进入接料盘。当进入原料仓内的料量达到设定值后，2#斗提机、筛分机、1#斗提机因连锁先后停止运行，原料仓底部出口阀门自动开启，肥芯原料被运输至包膜工序。

2.2 包膜工序

包膜工序分为干燥系统和包膜系统两部分。来自原料给料工序的肥芯原料在干燥系统内进行圆润处理并被加热至反应所需温度，然后进入包膜系统。在包膜设备内，经过精确计量的带有羟基的A料、带有异氰酸酯基的B 料以及其他添加剂在肥芯颗粒外表面充分混合并发生化学反应，生成聚氨酯包膜层。反应结束后，包膜肥料被运输至包装工序。

2.3 包装工序

若包膜肥料温度较高，堆积后会导致产品结块，影响产品质量。包装工序设有冷却系统，经过降温的包膜肥料由包装斗提机运输至自动包装机进行包装，得到缓控释肥产品。

3 缓控释肥性能评价

缓控释肥性能评价有静水或盐溶液中溶出率法、土壤培养法、土柱淋溶法、电超滤法、同位素示踪法、生物学评价法等［7］，其中静水溶出率法是最常用的方法。公司连续化生产工艺生产的释放期为60 d 的聚氨酯包膜尿素在25 ℃蒸馏水中浸提，其养分释放曲线如图2所示。

图2 25 ℃蒸馏水中聚氨酯包膜尿素释放曲线

由图2 可知，生产的释放期为60 d 的聚氨酯包膜尿素在释放周期内养分呈S 型规律逐步释放。初期养分释放率较低，第14 天养分累计释放率仅为8%，中期养分大量释放，第49 天时养分累计释放率达到72%，后期养分释放速率又逐渐下降，60 d 养分累计释放率为79%。该聚氨酯包膜尿素具有良好的缓释性能，符合农作物不同生长时期的需肥规律。

4 结论

缓控释肥能显著改善肥料的有效利用率，养分的释放周期与农作物的需肥规律相匹配，是化肥行业未来的发展趋势。众多缓控释肥类型中，聚氨酯包膜是应用较多的一种，具有良好的科研价值和较佳的经济效益。公司在原有间歇式工艺基础上开发了新的缓控释肥生产工艺，不仅实现了连续自动化生产，大大提高了产能，降低了成本，而且也显著改善了缓控释肥产品质量，提高了市场竞争力。