制造聚合物包覆控释肥料的制作方法
【专利说明】制造聚合物包覆控释肥料
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2012年8月20日提交的序列号为61/691051的美国临时专利申请和于2013年2月18日提交的序列号为61/766041的美国临时专利申请的优先权。所有上述文件的内容通过引用整体合并于此。
技术领域
[0003]本发明的实施例整体涉及肥料，尤其涉及聚合物包覆肥料。更具体地，本发明的实施例涉及制造用于植物和作物的带有控释机制的聚合物包覆肥料的系统和方法。
【背景技术】
[0004]肥料是添加到土壤以为植物的生长供应一种或多种植物必需养分的天然或合成来源的有机或无机材料。肥料宽泛地分为有机肥料(由植物或动物物质组成)或无机/商用肥料。植物只吸收以易溶化合物形式存在的必要养分。有机和无机肥料都提供所需的相同化合物。有机肥料提供常量营养素和微量营养素。常量营养素和微量营养素随有机物质分解释放。分解延续数月或数年。另外有机肥料具有较低浓度的植物养分并且具有经济的收集、处理、运输以及分配的常见问题。无机肥料易于溶解和施加到土壤。溶解的无机肥料易于被植物根部获取。
[0005]当将大多数市场上可买到的肥料施加到草坪或农作物时，它们迅速地溶解在土壤的水分中。通常，这种肥料的溶解速率超过其被植物吸收的速率。这导致很多显著问题。首先，过量的肥料会渗到地下水中从而产生潜在的严重环境危害。除上述之外，植物附近肥料的过度集中会导致烧伤或损害植物根部。因为这些问题，在整个生长季节中通常必须以若干小剂量施加这些肥料而不是一次大量施加。但是，对于重复施加的需求增加劳动力成本。最差情况是，重复施加会导致对生长植物造成物理损害，因为施肥设备必须多次越过植物。
[0006]为了使肥料到环境的损失最小化并避免对于重复施加的需求，已经开发了各种缓释或控释肥料。编号4042366、5147443、5435821和6231633的美国专利公开了这种控释肥料。在生长季节的开始时施加这些肥料以促进肥料在初始生长时期较快地释放，在随后的整个生长季节较慢地释放或逐渐地释放。缓释或控释肥料广泛地用在农作物、家庭草坪、公共草坪、高尔夫球场、家庭花园、苗圃以及园艺作物上。
[0007]聚合物包覆肥料是技术最先进的控释肥料。很多制造方法被开发和用来生产聚合物包覆肥料，并且它们在编号 4019890、4369055、5176734、5211985、5374292、5858094、6338746和8211201的美国专利中公开。通常通过将非水溶性半透聚合物层包覆到肥料颗粒上来生产聚合物包覆控释肥料。肥料通过扩散穿过该半透包覆层在一定时期内释放到土壤中。
[0008]一种制造聚合物包覆肥料的流行方法是通过在颗粒的表面上反应化学单体来形成聚合物膜。该方法被称为反应层包覆，其中形成聚氨酯聚合物。另一种制造聚合物包覆肥料的流行方法是通过将聚合物溶液喷射到肥料颗粒上并蒸发溶剂从而形成聚合物膜包覆层。该方法被称为流化床包覆并且它要求昂贵的溶剂和溶剂回收系统。
[0009]控释肥料最关键的方面是包覆层的透湿性，其受包覆聚合物的厚度影响。肥料的释放通过扩散穿过包覆层发生，并且释放速率的一致性取决于包覆层厚度的一致性。不均匀的包覆层厚度会具有不均匀的湿传递速率，并且因此控释产品的质量也会变化。
[0010]现有包覆技术的另一个关键缺点是这些包覆过程将聚合物溶液喷射到在旋转滚筒或流化床的竖直柱内以随机方式翻滚和滚动的多个肥料颗粒上。不均匀形状颗粒产生完全随机的滚动模式，从而不能引导包覆并导致不均匀的包覆层厚度。当所述形状非常不均匀或者是非球形时，例如肥料产品是通过压实工艺生产的具有高度不均匀形状时，该问题会更严重。因此所有现有包覆技术要求带有光滑表面的昂贵的优质级圆形肥料颗粒(us6039781 A&US 6139597 A)能够使得包覆层的非均匀性最小化。
[0011]现有工艺的缺点是要么这些方法是诸如聚氨酯的特定聚合物工艺，要么在流化床包覆的情况下所述工艺要求昂贵的溶剂来生产包覆层。所有这些方法生产的产品是非常昂贵的，并且有时成本等于传统肥料成本的4-6倍。昂贵的主要原因是使用了昂贵聚合物或使用了昂贵溶剂或使用了二者。另一个缺点是多数这些制造工艺是昂贵的批量式工艺。
[0012]现有工艺的另一个缺点是它们要求多次施加聚合物以增加肥料周围聚合物包覆层的厚度，如美国专利7018441 B2中公开的。例如，它要求近16次施加聚氨酯聚合物以实现8%的包覆层厚度。每次施加仅实现0.5%的包覆层厚度，因此多次施加要求更多的时间和能量，从而增加生产成本。
[0013]现有包覆技术的另一个缺点是由于要在包覆系统中湍动，所以压缩强度或压碎强度较低的肥料颗粒不能被包覆。
[0014]美国专利8211201中公开了一种制造工艺以克服上述缺点。但是该工艺的一个缺点是使用熔融肥料作为供给以生产包覆肥料，从而留下包括片型、穗型、丸型或块型肥料的大多数肥料颗粒。肥料颗粒的熔化和凝固要求大量能量，这增加生产成本并且很多肥料不能以该工艺中使用的熔融形式进行生产。此外所述工艺生产的半球形或pasttile形包覆产品可能不会吸引很多用户。
[0015]因此需要一种用来连续地制造聚合物包覆控释肥料的经济系统和方法，以使能够使用任意形状和形式的任何可用肥料颗粒来生产带有一致包覆层厚度的聚合物包覆产品。
[0016]本发明解决了上述缺点、短处以及问题，并且可通过阅读和研宄以下详细说明进行理解。
【发明内容】
[0017]本发明实施例的主要目标是提供一种用于在单道次中高速制造带有期望的一致厚度包覆层的聚合物包覆控释肥料的系统和方法。
[0018]本发明实施例的另一个目标是开发一种能够使用均匀和非规则形状肥料颗粒来制造聚合物包覆颗粒的系统和方法。
[0019]本发明实施例的另一个目标是开发一种能够使用片形、穗形、丸形或块形肥料来制造聚合物包覆控释肥料的系统和方法。
[0020]本发明实施例的另一个目标是开发一种用于制造聚合物包覆肥料的系统和方法，以获得防止在运输期间结块或团聚的聚合物包覆肥料。
[0021]本发明实施例的另一个目标是开发一种用于制造聚合物包覆控释肥料的系统和方法，以使能够使用市场上能够买到的任意聚合物来包覆肥料而无需用于在肥料颗粒上形成包覆层的任何溶剂或固化剂或催化剂。
[0022]本发明实施例的另一个目标是开发一种用于制造聚合物包覆控释肥料的系统和方法，以允许对包覆层施加到肥料颗粒上的完全控制以实现一致且精确的包覆层厚度。
[0023]本发明实施例的另一个目标是开发一种用于制造聚合物包覆控释肥料的系统和方法，以同时地施加多个聚合物层从而允许制造商生产包覆多个聚合物层的肥料。
[0024]本发明实施例的另一个目标是开发一种用于制造聚合物包覆控释肥料的系统和方法，以在单道次中获得带有期望包覆层厚度的聚合物包覆肥料和肥料产品从而节省时间、空间和能量。
[0025]本发明实施例的另一个目标是开发一种用于制造聚合物包覆控释肥料的系统和方法，以获得带有期望水蒸气透过率(WVTR)的聚合物包覆肥料和肥料产品从而制造高效控释肥料产品。
[0026]本发明实施例的另一个目标是开发一种用于制造聚合物包覆控释肥料的系统和方法，以获得具有期望生物降解持续时间的聚合物包覆肥料和肥料产品使得包覆层在预先确定的持续时间内降解。
[0027]本发明实施例的这些以及其它目标和优点通过以下结合附图的详细描述将变得显而易见。
[0028]本发明的各种实施例提供一种用于制造聚合物包覆肥料的系统和方法。根据本发明的实施例，包覆肥料颗粒分为两步。第一步，用第一聚合物膜局部地包覆肥料颗粒。其后，将第二聚合物膜施加到肥料颗粒的剩余未包覆表面上以将肥料包裹在两种聚合物膜之间。被包裹在第一聚合物膜与第二聚合物膜之间的肥料通过扩散穿过第一聚合物膜或第二聚合物膜能够在一定时间周期或间隔上释放。
[0029]根据本发明的实施例，提供一种使用聚合物熔体在连续过程中包覆多个物品的系统。该系统包括连接到第一冷却辊以供应多个物品的供给机构。第一冷却辊包括在外围表面上的多个第一腔并且所述多个第一腔容纳并保持多个物品。提供第一机器用于生产第一熔融膜并将第一熔融膜施加到保持在第一冷却辊中的多个第一腔中的多个物品上，以用第一熔融膜局部地包覆多个物品。第二冷却辊放置在第一冷却辊的一侧或者第二冷却辊放置在第一冷却辊的顶侧上以接收局部包覆有第一熔融膜的多个物品。提供第二机器用于生产第二熔融膜并将第二熔融膜施加到保持在第二冷却辊中的多个第二腔中的局部包覆有第一熔融膜的多个物品上。提供收集器机构以从第二冷却辊接收包覆有第一熔融膜和第二熔融膜的多个物品。
[0030]根据本发明的实施例，提供一种用于使用聚合物熔体在连续过程中包覆多个物品的系统。所述系统包括第一冷却辊、第二冷却辊、第一机器、第二机器、供给机构以及收集器机构。
[0031]根据本发明的实施例，第一冷却辊包括在外围表面上的多个第一腔并且所述多个第一腔容纳并保持多个物品。
[0032]根据本发明的实施例，第二冷却辊与第一冷却辊相同。第二冷却辊放置在第一冷却辊的一侧或者第二冷却辊放置在第一冷却辊的底侧。第二冷却辊包括在外围表面上的多个第二腔。所述多个第二腔容纳并保持从第一冷却辊接收的多个物品。第二冷却辊中的多个第二腔与第一冷却辊中的多个第一腔匹配。第二冷却辊中的多个第二腔与第一冷却辊中的多个第一腔被布置成彼此面对。
[0033]根据本发明的实施例，系统包括第一机器，第一机器用于生产第一熔融膜并将第一熔融膜施加到保持在第一冷却辊中的多个第一腔中的多个物品上，以用第一熔融膜局部地包覆多个物品。第一熔融膜具有期望的厚度、宽度和化学特性。第一机器包括第一聚合物挤出机和第一膜成型模具。第一聚合物挤出机混合、熔化并挤出聚合物以产生均质聚合物熔体。第一膜成型模具附接到第一聚合物挤出机的一端用于从第一聚合物挤出机接收熔融供给以生产具有期望厚度和宽度的第一熔融膜。聚合物是单一聚合物或聚合物的混合物。
[0034]根据本发明的实施例，系统包括第二机器，第二机器用于生产第二熔融膜并将第二熔融膜施加到保持在第二冷却辊中的多个第二腔中的多个物品上