明胶/PVA类肥料包膜材料的制备与环保性能研究

刘 颖，魏 敏，杨平华，耿丹丹

（四川省农业科学院生物技术核技术研究所，成都 610066）

0 引言

包膜肥料是以颗粒化肥为核心，在表面涂覆一层膜材料的颗粒肥料，当养分释放完后，其膜将会残留于土壤中，故膜材料的性能直接影响环境问题。探究具有较好生物降解性又兼备一定缓控释效果的包膜材料对生态循环农业具有重要意义。

国内外对包膜肥料膜材料尤其是聚合物包膜材料的研究做了大量工作，纯天然高分子膜材料如淀粉[1-3]、纤维素[4-6]、壳聚糖[7-8]等虽然具有价格低廉、可生物降解性，但其机械性、黏合性差，肥料缓控释特性较差。合成高分子膜材料如聚烯烃[9]、聚乙烯[10-11]、聚苯乙烯[12]等虽然克服了天然高分子膜材料的缺点，但其降解性差，可能导致土壤污染。同时，大多数有机高分子材料在喷涂过程中都要使用大量的有毒溶剂，溶剂回收、挥发都可引起成本高和环境污染问题。

2种或2种以上的高分子材料通过共混改性，可制备出兼得这些高分子材料性能的混合物[13]。明胶是胶原蛋白的变性产物，来源广、成本低[14]，聚乙烯醇(PVA)是一种无毒、成膜性好的水溶性高分子材料[15-17]，两者共混可降低材料成本，又能提高材料的生物降解性。聚乙烯醇与明胶的复合材料用于缓释肥料目前已有研究，但主要集中于包膜工艺[18]、配方[19]、养分缓释性[20-21]方面的研究，在材料应用对环境安全性问题研究较少。

本研究通过两者共混改性，制备明胶/PVA类包膜尿素，利用红外光谱、扫描电镜表征、力学性能测试，研究膜材料组分相容性，利用受控需氧堆肥试验、小鼠急性经口毒性试验，探索明胶/PVA类包膜尿素对环境安全性问题，为进一点对明胶/PVA类包膜肥料的研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试剂、试验动物和仪器

明胶，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；甘油，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；聚乙烯醇(PVA)，聚合度1799，分析纯，成都科龙化工试剂厂；微晶纤维素，色谱纯，美国Sigma Aldrich公司；硫包尿素(SCU)，自制，含氮量38.98%，硫膜含量16.02%；SPF级NIH小鼠（雌雄各半），动物合格证号：NO.44007200074747，广东省医学实验动物中心；60Co辐射源，四川农业科学院生物技术核技术研究所；流态化底喷包衣机，LDP-1.5，常州市磐丰干燥设备有限公司；恒温鼓风干燥箱，上海琅玕实验设备有限公司；紫外可见分光光度计，Lambca35，美国PerkinElmer公司；傅里叶变换红外光谱仪，TENSORⅡ，德国Bruker公司；总有机碳分析仪，multi N/C 3100，德国AnalytikJena公司；扫描电子显微镜，SU3550，日本HITACHI公司。试验在四川省农业科学院生物技术核技术研究所实验室，于2018年6月—2019年12月份进行。

1.2 材料的制备

取一定量明胶置于三口烧瓶中，加入定量去离子水，在50℃水浴锅中机械搅拌至全部溶解，过滤，得质量分数为10%的明胶溶液。取一定量PVA置于三口烧瓶中，加入定量去离子水，在85℃水浴锅中机械搅拌至全部溶解，过滤，得质量分数为10%的PVA溶液。按不同质量比例取明胶和PVA水溶液混合，同时加入占总质量5%的甘油，并置于40℃水浴锅中机械搅拌30 min，静置脱泡。

设定流态化底喷包衣机蠕动泵转速2转/min，物料仓60℃，称300 g SCU投入包衣机物料仓中，用上述制备的配比液为m(PVA):m(Gel)=4:1的膜材料，对其底喷包膜，烘干，得到聚合物硫包尿素，且聚合物包膜量为5%。

1.3 复合膜材料红外光谱分析(FTIR)

将充分干燥后的样品与是样品100倍的KBr混合，在红外灯下充分研磨并制片。用傅立叶变换红外光谱仪对样品结构进行分析。

1.4 扫描电镜分析(SEM)

将烘干后的复合膜材料放入液氮中淬断，对断面进行喷金处理，放入扫描电子显微镜中，观察断面形貌。

1.5 复合膜材料力学性能

按照标准GB/T 4456—1984，将材料制成哑铃型，采用万能材料试验机进行拉伸试验，拉伸速度为50 mm/min，对复合膜材料的拉伸强度及断裂伸张率进行测试，每样重复5次取平均值。

1.6 复合膜材料降解性

按照标准GB/T 19277.1—2011，将600 g培养土分别与100 g复合膜材料、100 g纤维素混合，600 g培养土作为空白对照，加去离子水将混合物湿度调节至50%，倒入3 L堆肥容器，将容器放置在(58±2)℃的试验环境中，用水饱和的、无CO2的空气进行曝气。用红外二氧化碳分析仪连续测量容器出口的混合气体，计算CO2释放量与生物分解百分率。

1.7 明胶/PVA复合膜包膜尿素的养分缓释性

按照标准NY/T 3040—2016，称取10 g肥料养分释放量试样，与200 g玻璃珠混合均匀后，置于(25±2)℃环境条件下的浸提管中，准确加水200 mL，开始计时，密封好浸提管，至24 h时，迅速打开密封及阀门，用200 mL容量瓶完全接收浸提液，定容，摇匀待测。关闭阀门并密封好浸提管，以后7天为周期设定连续养分释放点，重复“准确加水200 mL”及其后的操作，用紫外-可见分光光度计对浸提液中尿素态氮的含量。

1.8 明胶/PVA复合膜包膜尿素的毒试验

按照标准NY/T 1980—2018，取20只SPF级NIH小鼠，雌雄各半，试验前动物隔夜禁食，不限制饮水。采用限量试验，剂量为5000 mg/(kg·bw)，供试品用去离子水配制，根据染毒剂量及灌胃量定容至所需体积。按照5000 mg/(kg·bw)剂量，以20 mL/(kg·bw)的灌胃量1次染毒灌胃，动物灌胃染毒后继续禁食2 h。染毒后30 min、4 h内观察和记录一次，在染毒后24 h内连续观察，随后每天定期观察并详细记录每只动物的中毒反应，直至第14天。观察期结束后对所有动物进行大体解剖观察，记录大体病变，染毒后存活时间24 h以上的动物，其器官显示有大体病变，则进行组织病理学检查。

1.9 数据处理

采用ORIGIN7.5作图，SPSS19.0分析软件对数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 明胶/PVA复合膜材料的SEM分析

如图1所示，配比为m(PVA):m(Gel)=1:4，m(PVA):m(Gel)=2:3，m(PVA):m(Gel)=3:2时，肉眼可见配比液出现明显分层现象。配比为m(PVA):m(Gel)=4:1时，配比液无明显分层现象，将其烘干利用扫描电镜进行断面观察，从图2可见，材料断面结构均匀，未发现相分离。

图1 复合膜材料配比液静置4 h后的照片

图2 复合膜材料的断面SEM图[m(PVA):m(Gel)=4:1]

2.2 明胶/PVA复合膜材料FTIR分析

图3为PVA，复合膜材料[m(PVA):m(Gel)=4:1]，明胶的红外光谱对比图。由图可知原处于PVA膜中的3264 cm-1O-H伸缩振动、1415 cm-1O-H弯曲振动、1085 cm-1C-O伸缩振动特征吸收峰，在复合膜材料的红外光谱中分别移动3260、1412、1085 cm-1。同时复合膜材料也表现出明胶膜特征峰，原处于明胶的1629 cm-1酰胺Ⅰ带、1525 cm-1酰胺Ⅱ带，1238 cm-1酰胺Ⅲ带特征吸收峰，在复合膜材料的红外光谱中分别移至1651、1543、1239 cm-1。由于复合膜材料中加入5%甘油塑化剂，故复合膜材料在1043 cm-1处出现新的特征吸收峰，为甘油RCHR1-OH伸缩振动特征峰。

图3 PVA、复合膜材料及明胶的红外光谱图（a：PVA；b：复合膜材料，c：明胶）

2.3 明胶/PVA复合膜材料的力学性能

由图4可知，PVA的拉伸强度和断裂伸长率分别为32.18 MPa、176.96%，明胶膜的拉伸强度和断裂伸长率分别为18.44 MPa、35.82%，随着PVA含量增加，复合膜材料断裂伸长率逐渐变大；而复合膜拉伸强度呈现先降低后升高趋势，配比液在m(PVA):m(Gel)=1:4、2:3、3:2时，低于明胶膜的拉伸强度，配比液在m(PVA):m(Gel)=2:3时拉伸强度最低。当m(PVA):m(Gel)=4:1时，相对于其他配比的复合膜其力学性能最优，拉伸强度和断裂伸长率分别为26.42 MPa、159.5%。

图4 PVA含量对复合膜断裂伸长率、拉伸强度的影响

2.4 明胶/PVA复合膜材料的降解性

堆肥降解180天，空白、纤维素和复合膜材料[m(PVA):m(Gel)=4:1]的CO2释放量如表1、图5、6所示，由图可以看出纤维素3个阶段：诱导阶段（0～7天）、生物分解阶段（8～118天）和平稳阶段（118～180天），118天CO2释放量为150.08 g，直到试验结束180天CO2释放量是150.9 g。复合膜材料CO2释放量一直在缓慢增加，180天CO2释放量30.7 g。图2为纤维素和复合膜材料的生物分解曲线，纤维素、复合膜材料45天生物降解率分别为74.4%、9.0%，180天生物分解率分别为92.7%、16.2%。

表1 材料的基本特性

图5 受控堆肥条件下复合膜和纤维素的CO2释放曲线

图6 受控堆肥条件下复合膜和纤维素的生物分解曲线

2.5 明胶/PVA复合膜包膜尿素的养分缓释性

图7为SCU和PSCU在25℃水中氮素释放曲线。由图可知，SCU、PSCU浸提24 h的初期氮素释放率分别为14.21%、12.16%，7天氮素释放率分别为20.12%、16.8%，28天累积氮素释放率分别为52.18%、26.92%，SCU的氮素释放率均高于PSCU。

图7 SCU和PSCU氮素释放特性曲线

2.6 明胶/PVA复合膜包膜尿素的毒性试验

在14天为观察期内，20只小鼠未出现死亡，体重均正常增长，也未出现中枢神经系统、神经肌肉系统、植物神经系统、呼吸系统、泌尿生殖系统、皮肤和被毛、眼和消化系统方面的任何异常症状。试验结束后，用CO2窒息法处死动物后，进行大体解剖观察，大小脑、心脏、气管和肺、胸腺、肝、脾肾、胃肠道、子宫、卵巢、睾丸、附睾、甲状腺和肾上腺主要器官均未见明显病理改变。

3 结论

明胶/PVA复合膜材料在受控堆肥条件下表现出较好的生物降解性，明胶/PVA复合膜材料包膜尿素氮素缓释期变长且在小鼠急性经口毒性实验中表现出较好的生物安全性，同时材料对肥料加工过程是以水为溶剂，避免了易挥发的有毒有机溶剂带来的污染问题，故明胶/PVA复合膜材料具有较好的环保性能且作为缓控释肥料的包膜材料有较好应用前景。

4 讨论

4.1 明胶/PVA复合包膜材料两组间相容性

肉眼观察与SEM分析中明胶/PVA复合材料配比为m(PVA):m(Gel)=4:1时，没有相分离，两组分间相容性最好。对该配比材料FTIR分析，明胶/PVA复合材料不仅表现出明胶和PVA特征吸收峰，而且其表现的PVA的O-H伸缩和弯曲振动、C-O伸缩振动特征吸收峰向低波数移动，明胶的3个酰胺特征吸收峰向高波数移动，这与高喜平等[22-23]对明胶与PVA共混材料FTIR分析时发现共混膜中原明胶酰胺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ带特征吸收峰都不同程度蓝移的结果相同。这主要是因为随着明胶与PVA共混，明胶分子链上大量的-OH、-NH2、-COOH等亲水基团，与PVA分子链上的-OH产生氢键作用，破坏了明胶分子中原来的氢键作用，同时PVA分子链中晶区-OH之间的氢键作用被打破，但与明胶分子产生的氢键作用大于晶区内-OH产生的氢键作用，PVA与明胶产生的氢键相互作用，降低共混体系的Gibbs自由能，进一步证明该配比两组分相容性好。

4.2 明胶/PVA复合包膜材料力学性能

本研究结果表明，当明胶/PVA复合材料配比为m(PVA):m(Gel)=4:1时，相对其他配比，两组分间相容性好，并表现出较好力学性能，这与Mendiet等[24-25]研究表明结果相近。这主要是因为当组分相容性好时，材料受外力作用时不易产生相分离，从而拉伸强度最大。明胶是一种脆性材料，随着PVA含量增加，削弱明胶分子内部氢键作用力，分子链运动阻力减弱，复合膜断裂伸长率增大。

4.3 明胶/PVA复合膜包膜尿素的养分缓释性

试验结果表明相对于SCU养分S型释放曲线，PSCU养分释放更为平缓，这与Paleckien等[26-27]认为PSCU养分释放比SCU更均匀，利用率更高的结果一致。这主要是因为SCU养分释放主要是因为膜壳破裂，每到一定阶段就有大量养分释放出来，明胶/PVA复合膜有一定的拉伸强度，当喷覆于SUC表面后，形成一层聚合物膜，对硫膜起到保护作用，不会因膜内渗透压变化而破裂，故养分释放程平缓上升趋势，且PSUC同时期氮素释放率低于SUC。

4.4 明胶/PVA类包膜肥料环保性能

对明胶/PVA复合材料用于包膜肥料的研究，主要集中在材料的力学性能、相容性、缓释性方面[28]，其生物降解性、毒性等环境安全性方面报道较少。堆肥法评价材料生物降解性能简单快速，能在相当程度上反映材料在自然条件下的生物降解性。本研究利用堆肥法探讨其生物降解性，试验中参比材料纤维素45天生物降解率74.43%，超过70%，符合GB/T 19277.1—2011规定的实验有效性的要求。PSCU对SPF级NIH小鼠的急性经口毒性最大耐受剂量大于5000 mg/(kg·bw)，根据农业行业标准NY/T 1980—2018分级指标及评价要求进行判定，属实际无毒。