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1、附件1博士后研究项目作物专用控释肥开发研究申 请 人：王利民博士起止时间：200842010 3指导教师：李青山教授邢广忠教授王金铭 教授、研究意义1控缓释肥应用研究进展化肥在农业生产中占有重要地位，是农业生产中最大的物质投资，约占其全部生产性支出的50%。 据联合国粮农组织估计，发展中国家粮食的增产中，其55%来自化肥的作用。我国化肥的投入和粮食的 关系也基本符合这一规律。随着高产、高效、优质农业的发展，化肥在我国农业中的地位将更为重要。 农业生产实践表明，由于肥料性质与土壤环境条件的综合影响，肥料利用率低是化肥使用上普遍存在的 问题。目前我国化肥的当季利用率较低：氮为30%35%，磷为10
2、%20%，钾为30%35%。其中 氮的损失特别严重，不仅造成了直接的经济损失，而且部分地区因施肥不当已引起环境污染，出现地表 富营养化、地下水和蔬菜中硝态氮含量超标、氧化亚氮排放量增加等问题。因此，提高化肥利用率，减 少因施肥而造成的污染，发展可持续高效农业已成为世界共同关注的问题。控释肥、缓释肥的概念及定义一般认为，所谓“释放”是指养份由化学物质转变成植物可直接吸收利 用的有效形态的过程（如溶解、水解、降解等）；“缓释”是指化学物质养份释放速率远小于速溶性肥料施入 土壤后转变为植物有效态养份的释放速率；“控释”是指以各种调控机制使养份释放按照设定的释放模式 （释放率和释放时间）与作物吸收养份
3、的规律相一致。因此，生物或化学作用下可分解的有机氮化合物如 脲甲醛U Fs）肥料通常被称为缓释肥（SRFs）,而对生物和化学作用等因素不敏感的包膜肥料通常被 称为控释肥（CRFs）Trenkel综合了有关缓释和控释肥养份缓慢或控制释放的释放率和释放 时间的研究，提出了作为缓释和控释肥应具备的几个具体标准。即在25下：（1）肥料中的养份在24 h 内的释放率（即肥料的化学物质形态转变为植物可利用的有效形态）不超过15%； （2）在 28 d内的养份释 放率不超过75%； （3）在规定时间内，养份释放率不低于75%； （4）专用控释肥的养份释放曲线与相应作 物的养份吸收曲线相吻合。本项研究所用的控
4、释和缓释肥概念是指在肥料养份释放过程中，以缓慢或可 控制的方式满足上述标准的一类肥料。控释和缓释肥按照其溶解性释放方式通常分为3种类型：（1）物理障碍性因素控制的水溶性肥料，如 包膜颗粒肥料和基质复合肥料，包膜颗料肥料又可进一步划分为有机聚合物包膜肥料热塑性和树脂类） 和无机包膜肥料（如硫磺、矿物质包膜）；（2）微溶有机氮化合物，可进一步划分为生物可降解的微溶有机 氮化合物（如脲甲醛和其它脲醛缩合物）和主要以化学降解的化合物（如异丁烯环二脲）；（3）微溶性的无机 化合物，如金属磷铵盐、部分酸化磷酸盐等。Fan和Singh根据释放控制方式将控释和缓释肥划 分为扩散型、侵蚀或化学反应型、膨胀型和渗
5、透型4类在氮肥中加入生物抑制剂（如脲酶抑制剂和硝化抑 制剂）已被认为是提供了某种意义上的氮素缓慢释放，特别是在阳离子交换量（CEC）较高的土壤中。但 它们在施入土壤后只是延缓了尿素水解转化成铵或抑制硝化细菌将铵离子氧化而转变成NO-2和N0-3 的过程，不能称作缓释或控释肥，而被称为稳定性肥料。美国是世界上农业发达的国家之一，其发达不仅体现在耕种的高度机械化，很大程度上也得益于长 期以来对新型肥料的开发与研究。2000年以来，美国缓控释肥料的消费量逐年递增。分析其原因，除 了比普通肥料更高的利润回报以外，还有环保方面的因素，使用缓控释肥料可以减轻对土壤及地表水的 污染。美国国内缓控释肥料的消费
6、中包膜肥料逐渐占有越来越大的比例，占美国缓控释肥料总消费量的 48% （折纯），其中，13%用于农作物，主要是草莓，蔬菜和柑橘；而用于非农业领域的占87%，用 于非农业领域总量中，高尔夫球场占24%、专业保养草坪占19%、苗圃及温室占15%，仅有8%用于高 价农作物如草莓、西红柿、坚果、蔬菜、柑橘等。区域上看，美国缓控释肥料在农业上的应用主要是在 东南部和加利福尼亚州。东南部约占65%,加利福尼亚约占25%。2000年，西欧的缓释肥料消费量仅为美国的四分之一，消费量总计约为0.82万短吨（折纯），总销售额.35亿美元，其中60%为缓释 肥料，40%是控释肥料。聚合物包膜肥料是西欧缓控释肥料市场
7、的主打产品，如2000年约占西欧缓控 释肥料总消费量的22%。西欧的缓控释肥料用于农作物的占8 %，非农业生产占92 %。日本缓控释肥 料消费量大约是美国的四分之一。但与美国、西欧不同，日本有91.4 %缓控释肥料主要用于农业市场， 这是由该国对农业的特殊保护政策引起的，不属于普遍现象。1995年包膜肥料总产量的70%用于水稻， 20%用于西红柿、胡萝卜、莲藕等蔬菜。2000年日本尿素和醛类缩和产品占缓控释肥料总量的30 % , 包括UF, IBDU和CDU。其中IBDU由Mitsubishi化工公司生产，主要用于农作物，包括水稻，蔬菜和 柑橘。但是其产量和消费量近几年都有下降的趋势，慢慢被聚
8、合物包膜肥料所取代。聚合物包膜肥料是 目前日本缓控释肥料的主要品种。近年来，我国缓控释肥料研究已日益受到重视，政府已经开始鼓励缓控释肥的研究和推广，并将 其列入中央重要文件中。国内外包膜控释肥料的类型主要有：无机物包膜肥料和有机聚合物包膜肥料两大类。无机物包膜 肥料国内主要是以磷矿粉、钙镁磷肥、滑石粉、石膏粉、粉煤灰、有机或无机粘结材料作为薄膜材料， 这些无机薄膜材料虽然价格便宜，制作简单，但养分控释性能差，氮素利用率底，一次施用容易导致作 物后期有脫肥现象。有机聚合物包膜肥料根据有机聚合物薄膜材料的性质，又可分为热塑性和热固性树 脂两种类型的包膜材料。热塑性树脂包膜的控释肥以日本的“Meis
9、ter”为代表，热固性树脂包膜的控释肥 主要以美国的“Osmocote”为代表。热塑性树脂包膜控释肥大多数是应用溶剂先将包膜树脂溶解，然后在 硫化床包膜塔中逐渐将膜材料均匀的喷涂到肥料颗粒表面而成；热固性树脂包膜无需溶剂，可以实现包 膜过程的连续化，适于大规模、工业化生产。2研究有机聚合物反应膜热固性树脂控释肥的意义目前有机聚合物为包膜材料的控释肥是国内外控释肥研究热点之一，本课题将系统的研究以有机聚 合物（如聚氨酯等）为包膜材料的控释肥，主要研究反应成膜有机聚合物的阻水性能，并通过原料配方 和固化工艺的调整调控其透水率，然后将这一有机聚合物阻水薄膜应用到化肥、特别是大颗粒尿素的表 面包膜，实
10、现固化成膜、控释、工艺可操作性的有机结合，最终形成有机聚合物反应成膜控制释放肥料 产品，使肥料养分通过有机聚合物薄膜的微孔均匀、缓慢释放，达到提高养分利用率、减轻因不合理施 肥所造成环境污染的目的，并通过这一肥料新品种的研发，提高肥料产品的技术含量和附加值，确立高 端肥料的市场形象。二、研究方案1. 研究目标、研究内容11研究目标1. 开发系列阻水性能良好的反应成膜有机聚合物膜材原料配方。2. 开发出有机聚合物包膜的连续化工艺。3. 包膜量在3-3.5%时（聚氨酯），控释尿素产品25C水中浸泡养分控释期可达到70-80 天,树脂成 本控制在W尿素价格的30%，同时产品在土壤中也有相近的结果。4
11、. 建立膜材配方筛选流程和膜材性能评价方法，建立有机聚合物反应成膜控释肥料的养分释放模 型。12研究内容1. 研究阻水性能优异的反应成膜有机聚合物树脂膜材原料配方、原料预处理改性技术。2. 研究反应成膜有机聚合物树脂在大颗粒尿素表面的铺展性能、成膜性能和成膜固化条件。3. 研究有机聚合物包膜量、包膜工艺及设备与控释肥可控性间的关系。4. 研究膜材配方、固化工艺与产品物理性能，如耐磨性、抗冲击性能的关系。5. 通过肥料、特别是大颗粒尿素包膜实验，验证树脂配方筛选效果，并改进包膜工艺和设备，达 到膜材配方和包膜工艺的优化组合。2. 拟采取的研究方法、技术路线、实验方案2.1研究方法：1. 设计分子
12、模型分析计算有机聚合物原料的各种性能指标总结出适合成膜材料的有机聚合物原 料。2. 实验室研究有机聚合物成膜性能（1）直接反应成膜（2）预聚体成膜。3. 实验室研究有机聚合物原料在肥料表面的铺展性能筛选原料。4. 实验室研究有机聚合物包裹大颗粒肥料的包裹工艺。5. 在实验室研究有机无机助剂对有机聚合物成膜性能的影响。6. 实验室研究包裹层结构对控释的影响7. 实验模拟大颗粒肥料在包膜过程中在包裹釜内的碰撞程度及滚动趋势对包裹的影响设计出最佳 的包裹设备。8. 实验室研究大颗粒肥料表面粗糙度对包膜的影响、2.2技术路线有机聚合物控释肥的研究成膜工乙研究V,入两步特殊法成方法膜工成膜艺工艺直接 反
13、应 成膜 工艺成膜 设备 的设 计大颗粒肥料粗糙度厂控释肥大颗粒肥料粒度选取检测产业化生产工艺方案2.3实验方案：2.3.1有机聚合物原料的筛选与确定实验目的：根据有机聚合物成膜性能和环保性能确定所用原料。2.3.1.1多元醇的确定从高分子设计出发，根据分子间作用力、交联点及物理状态确定多元醇种类。2.322异氰酸酯的确定根据所需的高分子包膜交联密度确定异氰酸酯种类与含量。2.3.2.3助剂的确定助剂包括有机、无机添加剂及参加反应的扩链剂、交联剂。实验方法：在确定好的体系内添加助剂检测包膜的性能，从分子设计出发确定扩链剂、交联剂的用 量。2.3.2.4催化剂、阻聚剂的选取催化剂有有机锡类、胺类
14、两大类，根据反应所需选择适当的催化剂或阻聚剂。232成膜工艺的研究实验目的：确定最佳的有机聚合物成膜工艺及成膜设备成膜工艺与成膜设备二者对控释肥都有很大的影响，并且两者间相互影响，在确定配方的基础上利 用正交实验同时调控两者，确定出最佳的有机聚合物成膜工艺及成膜设备233控释肥的性能检测检验控释肥的控释性并反馈到原料选取、包膜工艺及设备上。3. 本课题的特点与创新之处3.1采用聚氨酯反应膜，包膜量在3-3.5%，控释尿素产品25C水中浸泡养分控释期可达到70-80 天；3.2将溶液平衡原理与植物营养原理相结合，控释肥的养份释放曲线与相应作物的养份吸收曲线相 吻合；3.3研制复合型作物专用助剂与
15、控释肥，可显著提高作物对肥料、养分吸收效率(10%)o4. 预期研究进展和成果41预期研究进展1. 2008.82008.9完成主要原材料的测定与分类，为筛选实验原料、表面活性剂提供参数2. 2008.92008.11模拟大颗粒包膜过程的运动形态设计出合理的适合包膜的包衣设备3. 2008.112009.3根据大颗粒运动形态、原料物理状态及反应条件研究出包膜工艺4. 2009.32009.4对各种原料配方进行包膜，反馈到原料及包膜工艺上确定配方和工艺5. 2009.42009.12大田使用效果调查、产业化生产工艺确定6. 2009.122010.3整理实验资料，撰写总结报告4.2预期成果1. 研制成功35种能够应用大宗农作物的控释肥新品种；2. 包膜量在3-3.5%（聚氨酯类膜材），控释尿素产品25r水中浸泡养分控释期可达到70-80天;3. 申请专利1-3项。三、研究基础与本项目有关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩。燕山大学高分子材料系具有长期从事高分子材料科学与工程研究、控释肥生产技术与化肥营养理论 研究的工作基础，在国家高科技产业化研究课题（项目编号:，资助资金200万元）以及河北省产业化 基金“新型释放负离子纤维助剂研制”（资助资金50万元）等课题
