专利名称：基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料及其制备方法
技术领域：
本发明属于肥料制造技术领域，具体涉及一种基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料，以及这种基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料的制备方法。
背景技术：
综观国内外研究结果，20世纪粮食单产的1/2、总产的1/3来自化肥的贡献，中国占世界10%的耕地消费了世界1/3的肥料，单位面积施肥量是世界平均的3倍[1]。化肥中氮磷钾利用率低，尤其是氮肥，带来了环境、经济和能源压力世界各国都逐渐认识到研制缓/控释肥料是提高肥料利用率的最有效措施之一 [3]。控释肥料有提高养分利用 根据不同的控释方法，可以将控释肥料分为包膜肥料(Coated Fertilizers)和非包膜肥料(Uncoated Fertilizers)两大类,但聚合物包膜肥料因具有较好的控释功能而成为最具发展前景的控释肥料[4]。与传统包衣材料相比，具有无毒、不可燃及质优价廉等特点的水基聚合物为环境友好型包膜肥料的研制提供了可能性，并日益成为研究的热点M。应用于包膜肥料生产的丙烯酸酯类材料GA-1711通过水基方法合成，但由于其膜强度不足，耐水性较差，在其大规模应用之前，需对其进行改性。1999年我国仅作物秸杆一项，资源总量就已达到约6. 4亿吨[6]，目前更是已超过7亿吨。但是，其中有33% 40%被废弃在田间或露天焚烧[7]，不仅造成了生物质资源的严重浪费，破坏了土壤结构、使生产能力下降，还导致了严重的环境污染，威胁交通运输和人们的生产、生活安全。如果将这些废弃的生物质资源通过炭化技术制备成生物炭，则可在很大程度上解决上述问题。生物炭(biochar)是生物质在缺氧条件下高温裂解形成的物质。由于灰分含量较高，主体元素为碳原子[9]，表面有多种官能团[1°]，生物炭具有分解慢、降低重金属和有机污染物生物有效性[n —15]等作用，施加于土壤，可以改良土壤，促进作物生长，改变碳循环路径，增加土壤碳汇，减少温室气体的排放[16]。[I]赵秉强，林治安，刘增兵.中国肥料产业未来发展道路——提高肥料利用率减少肥料用量[J].磷肥与复肥，2008，23(6) : 1-4。[2] Shaviv A, Mikkelsen R L. Controlled-release fertilizers to increaseefficiency of nutrient use and minimize environmental degradation- A review[J].Nutrient Cycling in Agroecosystems, 1993, 35: 1—12。[3]赵秉强，张福锁，廖宗文等.我国新型肥料发展战略研究.植物营养与肥料学报，2004，10(5) : 536-545。[4]杜昌文，周健民，王火焰.聚合物包膜肥料研究进展[J].长江流域资源与环境，2005，14(6) : 725-730。
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发明内容
本发明的目的是提供一种基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料，以及这种基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料的制备方法。本发明是挑选物质对水基反应制备的聚合物聚丙烯酸酯材料进行改性，同时提供这种改性聚合物包膜肥料的制备方法。完成上述发明任务的技术方案为一种基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料，由肥料(肥芯颗粒)与其外部的改性高分子包膜构成，其特征在于
所述的改性高分子包膜的原料为水基聚丙烯酸酯乳液或聚氨酯乳液100份、交联剂为(Γ5份、生物炭0. 05飞份和蒸馏水5(Γ200份；高分子包膜原料的干物质质量占肥料(月巴芯颗粒)质量的5 15%。
所述的肥料(肥芯颗粒)可以采用现有技术中常用的各种农业肥料，包括各种化学肥料、生物肥料或其他功能性肥料。以上肥料通过现有制粒技术制成颗粒。交联剂选用氮丙啶或乙二胺二酰肼。生物炭的原料可以选用作物秸杆、牲畜粪便、枯枝落叶或者石油等矿石能源。本发明推荐所述的生物炭的质量份数为O飞份；所述的交联剂的质量份数为0 5份。本发明推荐的最佳比例是
丙烯酸酯乳液100 g
氮丙啶交联剂0.6 g
水稻秸杆烧制的生物炭O. 5 g 蒸馏水100 go完成上述发明任务的技术方案为一种基于生物炭改性水基聚合物包膜控释肥料的制备方法，其制备工艺过程主要为改性材料的前处理、包衣母液的选择、包衣液配制和包膜肥料的研制四部分。改性材料的前处理
(1)用慢热解法制得生物炭；本申请推荐采用农作物秸杆生物炭；
(2)生物炭用球磨机粉碎60秒，过100目筛，粒径较大未能筛下的部分继续粉碎，直至全部通过；
(3)干燥避光保存，长时间存放后第二次用之前应将其在干燥箱里干燥；
包衣母液的选择
(4)选择适当的水基聚合物乳液，聚丙烯酸酯或者聚氨酯乳液；
包衣液的配制
(5)在已知固含量(49±1)%的水基聚合物聚丙烯酸酯乳液的基础上，根据实际生产情况，添加或者不添加乳液干物重I. 2%的氮丙啶交联剂，分别添加0、0. 5%、I. 0%、2%、5%和10%生物炭。其中生物炭分次加入原乳液中，开始搅拌同时，缓慢添加等母液量的蒸馏水或者溶解于等母液量蒸馏水的交联剂溶液。搅拌20 min，即制得包衣液。包膜肥料制备
(6 )用配成的包衣液与肥芯颗粒一起在流化床包衣机上制作包膜肥料。包衣母液和包衣液分两步配制的优点是包衣母液能长期存放，而包衣液须利用包衣母液现配现用，避免包衣液中生物炭颗粒发生凝聚沉降。采用本发明改性得到的新型聚合物包膜肥料，其膜壳的强度和养分释放期较原乳液得到了很大的提高。作为改性材料的生物炭能够在包膜肥料完整时中延缓养分释放，在膜材料降解后继续服务于农业生态环境。通过生物炭改性水基聚合物聚丙烯酸酯类乳液，进而制得的包膜控释肥料具有广阔的应用前景。表I为原乳液和改性后乳液制得的模型膜力学性质数据。其中A为原乳液，B为I. 2%氮丙啶交联剂改性后乳液，C为2. 0%生物炭改性后乳液，D为I. 2%氮丙啶交联剂和I. 0%生物炭同时添加改性后乳液。表I聚合物乳液制成的模型膜力学性质
权利要求
1.一种基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料，由肥芯颗粒与其外部的改性高分子包膜构成，其特征在于所述的改性高分子包膜的原料为水基聚丙烯酸酯乳液或聚氨酯乳液100份、交联剂为(Γ5份、生物炭O. 05^5份和蒸馏水5(Γ200份；高分子包膜原料的干物质质量占肥芯颗粒质量的5 15%。
2.根据权利要求I所述的基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料，其特征在于所述的交联剂选用氮丙啶或乙二胺二酰肼。
3.根据权利要求I所述的基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料，其特征在于生物炭的原料选用农作物秸杆、牲畜粪便、枯枝落叶或者石油。
4.根据权利要求I所述的基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料，其特征在于所述的生物炭的原料选用农作物秸杆。
5.根据权利要求1-4之一所述的基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料，其特征在于所述各组分的比例是丙烯酸酯乳液100 g氮丙啶交联剂0.6 g水稻秸杆烧制的生物炭O. 5 g蒸馏水100 go
6.根据权利要求5所述的基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料，其特征在于所述的生物炭是指原始未亲水改性的生物炭，或者是亲水改性处理后的生物炭。
7.权利要求I所述的基于生物炭改性水基聚合物包膜控释肥料的制备方法，其特征在于，步骤如下改性材料的前处理(1)用慢热解法将农作物秸杆、牲畜粪便、枯枝落叶或者石油制成生物炭；(2)生物炭用球磨机粉碎，过筛，粒径较大未能筛下的部分继续粉碎，直至全部通过；(3)干燥;包衣母液的选择(4)选择适当的水基聚合物乳液，聚丙烯酸酯或者聚氨酯乳液；包衣液的配制(5)在水基聚合物聚乳液中，添加或者不添加交联剂，分别添加生物炭；开始搅拌同时，缓慢添加蒸馏水；搅拌，即制得包衣液；包月吴肥料制备(6 )用配成的包衣液与肥芯颗粒一起在流化床包衣机上制作包膜肥料。
8.根据权利要求7所述的基于生物炭改性水基聚合物包膜控释肥料的制备方法，其特征在于，各步骤的具体操作方法如下改性材料的前处理(1)用慢热解法制得生物炭；(2)生物炭用球磨机粉碎60秒，过100目筛，粒径较大未能筛下的部分继续粉碎，直至全部通过；(3)干燥避光保存，长时间存放后第二次用之前应将其在干燥箱里干燥；包衣母液的选择(4)选择适当的水基聚合物乳液，聚丙烯酸酯或者聚氨酯乳液；包衣液的配制(5)已知固含量49±1%的水基聚合物聚丙烯酸酯乳液的基础上，根据实际生产情况，添加或者不添加乳液干物重I. 2%的氮丙啶交联剂；添加生物炭，其中生物炭按照0、0. 5%、I. 0%、2%、5%和10%分次加入原乳液中，开始搅拌，同时，缓慢添加等母液量的蒸馏水或者溶解于等母液量蒸馏水的交联剂溶液；搅拌20 min,即制得包衣液；包月吴肥料制备(6 )用配成的包衣液与肥芯颗粒一起在流化床包衣机上制作包膜肥料。
9.根据权利要求7或8所述的基于生物炭改性水基聚合物包膜控释肥料的制备方法，其特征在于，所述生物炭的添加方法是计算称量好处理后生物炭粉末分次添加于包衣母液中，添加的同时用磁力搅拌器搅拌；与此同时，缓慢添加等包衣母液量的含或者不含I.2%交联剂的蒸馏水；搅拌20 min,即制得包衣液。
10.根据权利要求7或8所述的基于生物炭改性水基聚合物包膜控释肥料的制备方法，其特征在于，所述流化床包衣控制参数范围如下包衣液流速1 3 rpm ;进风温度40 100 V ;出风温度:30 80 V ;雾化压力:0· 05 O. 2 Mpa0
全文摘要
基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料，由肥芯颗粒与其外部的改性高分子包膜构成，特征是改性高分子包膜的原料为水基聚丙烯酸酯乳液或聚氨酯乳液100份、交联剂为0~5份、生物炭0.05~5份和蒸馏水50~200份；高分子包膜原料的干物质质量占肥芯颗粒质量的5~15%。本发明有效改善了原水基聚合物材料强度不足的缺陷，优化了包膜肥料的控释性能。生物炭原材料来源广泛，可很大程度上解决作物秸秆焚烧带来的生物质能源浪费、环境污染等一系列问题。本发明控释效果良好、环境友好，可大幅度降低生产成本。本改性包膜材料具有良好的成膜和力学性质，且可自然降解，降解后的生物炭可有利于保持和提高土壤质量。
文档编号C05G3/00GK102924164SQ201210272320
公开日2013年2月13日 申请日期2012年8月2日 优先权日2012年4月24日
发明者杜昌文, 周子军, 周健民 申请人:中国科学院南京土壤研究所