抗粉尘和结块的肥料的制作方法

本申请基于并要求2016年1月15日提交的第62/279,289号美国临时专利申请和2017年1月12日提交的第15/404,348号美国专利申请的优先权，其中每个申请通过引用整体并入本发明。

技术领域

本发明主要涉及涂料组合物，更具体地但非限制性地涉及用于在储存和运输过程中控制粉尘和防止肥料结块的沥青乳液。

背景技术：

散装材料的储存和处理存在与粉尘形成和结块形成有关的独特问题。具体而言，粉尘形成会带来安全、健康和环境问题，而结块形成使得散装材料的存储和处理变得困难，并且在极端情况下，结块材料会产生安全隐患。

这些问题在肥料工业中尤为突出。肥料通常为粉末、结晶或颗粒形式，并且在制造、储存和运输过程中易于产生粉尘。由于在肥料颗粒移动过程中遇到的磨损，持续的化学反应或初始颗粒形成后的固化过程可能形成粉尘，这在粉尘在被空气传播时引起人和动物吸入的健康问题。由于湿度和/或温度或其它环境条件的变化，肥料颗粒还倾向于结块或聚集成较大的团块。在施用肥料之前，结块形成会引起问题，因为必须将肥料破碎以提供适于在田地中均匀分布的材料并防止分配机械的堵塞。

已经开发了各种方法来克服与肥料结块和粉尘相关的问题，一些方法取得了一定的成功。例如，长期以来已知使用油、蜡以及油和蜡的混合物。这些油和蜡可以是基于石油或植物的。然而，使用这些处理方法存在缺点。随着时间的推移，油倾向于挥发和/或被吸收到肥料颗粒中并失去其有效性。蜡也是无效的并且难以处理，因为它们在高于其熔点的温度下被吸收到肥料颗粒中，但当它们在低于其熔点的温度下施用时它们不会扩散或涂覆在肥料颗粒的表面上。此外，油和蜡都具有有限的粘合性能，这对于长期的肥料粉尘控制和抗结块能力是必不可少的。

基于前述内容，期望提供一种用于肥料的涂料制剂，以在市售肥料产品的长期储存和处理条件期间减少粉尘的产生并减少的结块倾向。

进一步希望涂料在施用温度下是流体，使得它可以通过常规涂布或调节设备施用。

进一步期望涂料制剂不影响肥料的处理特性、流动性或农艺性质。

技术实现要素：

通常，在第一方面，本发明涉及肥料复合物，其包含肥料和至少部分覆盖肥料的涂层。涂层可包括沥青、稀释沥青(cutback bitumen)或沥青和稀释沥青的组合，其中将沥青、稀释沥青或沥青和稀释沥青的组合混合并用水乳化以产生涂层。

肥料可以是MAP、DAP、TSP、NPK或其组合，并且可以是颗粒的、压碎的、压实的、结晶的或小球状的肥料或其组合。在乳化之前，沥青、稀释沥青或沥青和稀释沥青的组合可包含20-100％沥青。

肥料复合物可进一步包含有效量的一种或多种添加剂，其中所述一种或多种添加剂在乳化之前添加到沥青和/或稀释沥青中，在乳化之前添加到水中，或两者。添加剂可包括但不限于营养补充剂和/或其他农艺上有益的添加剂，例如氮稳定剂。涂料组合物可以在环境温度下喷涂和/或可以具有在72℉下约10cP至在120℉下约100cP的粘度。

在第二方面，本发明涉及一种防止粉尘形成和肥料结块的方法。该方法可包括：组合沥青和/或稀释沥青；使沥青、稀释沥青或沥青和稀释沥青的组合乳化以产生涂料组合物；并将涂料组合物喷涂在肥料上。当喷涂在肥料上时，涂料组合物可以处于环境温度。在乳化之前，沥青、稀释沥青或沥青和稀释沥青的组合可包含20-100％沥青。该方法可以进一步包括在乳化之前将有效量的一种或多种添加剂与沥青、稀释沥青或沥青和稀释沥青的组合混合。

附图说明

图1是各种涂料制剂的粘度与温度的关系图；

图2是MAP上各种涂料制剂的累积粉尘水平随时间变化的图表；

图3是MAP上乳化涂层的累积粉尘水平与涂布速率的关系图；

图4是石灰石上各种涂料制剂的累积粉尘水平随时间的图表；

图5是DAP上各种涂料制剂的结块强度图；

图6是MAP上各种涂料制剂的结块强度图；和

图7是MAP上乳化涂层的结块强度与涂布速率的关系图。

根据以下描述和权利要求，其它优点和特征将是显而易见的。

具体实施方式

本发明讨论的装置和方法仅仅是说明制造和使用本发明的具体方式，而不应解释为限制范围。

虽然已经以一定程度的特殊性描述了装置和方法，但应注意，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对装置和部件的构造和布置的细节进行许多修改。应当理解，为了示例的目的，这些装置和方法不限于本发明阐述的实施方案。

一般而言，在第一方面，本发明涉及一种沥青乳液，其用作肥料或其它颗粒(诸如二氧化硅粉末，可吸入粉尘等)的涂料。该涂料可控制环境粉尘水平，减少粉尘形成，并在不影响肥料的处理特性的情况下减少结块的倾向。涂料可以在不加热的情况下喷涂，使其比传统涂料更容易使用。

沥青乳液中的沥青可以是任何类型的沥青，包括天然沥青和来自原油的沥青。沥青乳液可以通过直接使用沥青或使用改性沥青形成。改性沥青可以是稀释沥青、充油沥青(oil extended asphalt)或蜡延沥青(wax extended asphalt)。具体地，可以通过使用树脂，特别是蜡，来形成沥青乳液。该组合可以用水乳化以形成最终产物。特别地，在乳化之前，沥青、稀释沥青或沥青和稀释沥青的组合可包含20至100％的沥青，或更优选50至90％的沥青。具体地，在一个实施方案中，该组合可包含50至100％的沥青和0至50％的稀释的稀释剂(cutback diluent)。然后可将该组合与水和乳化剂混合以制备涂料组合物。组合物的固体含量可为涂料组合物总重量的约20％至约70％。涂料组合物可特别地排除聚乙酸乙烯酯丙烯酸丁酯。

乳化后，涂料组合物可用于涂覆无机或有机肥料。肥料可以是选自下组化合物的植物营养素：主要的常量营养素(氮、磷和钾)，次要的常量营养素(钙、硫和镁)和微量营养素(硼、氯、铜、铁、镁、钼和锌)或其组合，或可以是任何其它所需的肥料。肥料可以是颗粒状、成粒状、压碎状、压实状、结晶状、附聚状或小球状。涂料组合物不会干扰肥料等级、产品质量或肥料的释放速率。可以通过喷涂将涂料组合物施用到肥料上，如上所述，涂料组合物可以在环境温度下喷涂而无需加热。环境温度可以被认为是33至120℉，或更特别是72至120℉。

涂料组合物可以是流体和柔性的，足以在涂布过程中在肥料颗粒的表面上铺展，但仍可具有足够的粘合性能以将环境粉尘粘附到颗粒表面并减少后续储存和处理过程中的粉尘形成。涂料组合物可以具有在72℉至120℉下约10cP至约100cP的粘度。具体地，涂料组合物在相同温度下可具有比目前市售产品更低的粘度。这可以允许使用者在涂覆过程之前略过通常所需的典型加热步骤。更广泛地说，在120℉下，粘度可以小于200cP，优选小于100cP，在72℉下粘度可以小于10cP。用这种乳化涂料涂覆的肥料可以产生比市售产品更少的粉尘。此外，涂覆这种涂料的肥料可比目前涂覆市售产品的那些结块更少。结块趋势的降低是出乎意料的，因为许多肥料由水溶性盐组成或含有水溶性盐，并且通常添加水或与水接触损害肥料的质量。当水被肥料吸收时，表面趋于变得不稳定，这促进了表面晶体的生长，导致颗粒之间的晶体桥接，并且这种桥接导致结块。考虑到乳液涂料含有80％至30％的水，结块倾向的降低是出乎预料的。

通过参考下面描述的实施例可以进一步解释本发明。

实施例

制备乳液的容易程度取决于多种变量，包括温度、原料选择、固体含量、机械乳化设备和乳化剂的选择。大多数乳液的最终固含量为20％至70％。在以下实施例中，使用的乳化剂是油溶性和水分散性的阴离子表面活性剂，并且决定在6至8的pH下使用乳液的皂部分。预期其它阴离子、阳离子或非离子表面活性剂、两性或两性离子乳化剂或皮克林乳液可用于产生类似的乳液。

用Brookfield DV-I+粘度计和Brookfield Thermosel温度控制器测定乳化制剂的粘度。与两种非乳化的除尘制剂的标准商业产品相比，乳化制剂的粘度可以见图1。易喷涂制剂的最大粘度为约200cP。当温度降低时，除尘产品的粘度均增加，这表明对于第一除尘产品，温度需要保持至少100℉，对于第二除尘产品则至少保持在200℉，以便有效地涂覆肥料。然而，即使在低于100°F的温度下，乳化的涂料产品也可具有小于100cP的粘度，这意味着当涂覆肥料时不需要提高乳化制剂的温度，因为粘度保持在可使用的范围内。这消除了在涂覆之前经常需要的加热步骤。

通过使用Carlini等人的第6,062,094号美国专利中描述的粉尘塔测定粉尘水平。在该试验中，肥料颗粒通过逆流气流并同时通过一系列炉栅搅拌。将粉尘颗粒收集在过滤器上，通过测量分析天平上的重量变化来确定粉尘水平。在用涂料制剂处理后最初确定粉尘水平，并且在老化长达四周后再次测定粉尘水平。该老化过程用于模拟在肥料储存过程中通常遇到的粉尘水平的增加。

通过使用压实仪器评估破碎结块肥料所需的强度来确定结块水平。在该测试中，将肥料颗粒置于调节室中，其中使用受控的温度、湿度和压力条件来诱导结块。将结块的肥料颗粒置于连接到数字式测力计的探针下。将探针以受控速率下降到肥料颗粒中至1/2英寸的深度。从测力计记录破碎结块肥料所需的力，并测量结块程度。

实施例1

该实施例证明了由表1中所示的乳化制剂涂覆的磷酸一铵(MAP)的累积粉尘减少的改进。涂布速率固定为1.5磅/吨。在用涂料制剂处理肥料后测定初始粉尘水平和老化粉尘水平，并通过添加每个测试期的粉尘水平来计算累积粉尘水平。

表1

最初用第一除尘产品作为底涂层涂覆MAP。MAP通常涂有底涂层以用于初始储存目的。然后将第一除尘产品或乳化制剂用作顶涂层。顶涂层通常在装运前施用到MAP上。在多个时间框架内(最多六周)确定粉尘浓度，并记录累积粉尘水平。如表1所示，具有底涂层的MAP仅产生最高的累积粉尘水平。施加顶涂层进一步降低了粉尘水平，并且与第一除尘产品的顶涂层相比，乳化制剂的顶涂层显著降低了粉尘水平，如图2所示。

实施例2

该实施例证明了通过使用1.5磅/吨至3.0磅/吨乳化制剂的各种涂布速率的MAP的累积粉尘减少的改进，如表2所示。在用三种施用速率处理肥料后，确定初始粉尘水平和老化粉尘水平两者，并且通过加入每个试验期的粉尘水平计算累积粉尘水平。

表2

与实施例1一样，MAP最初用第二除尘产品涂覆作为底涂层以用于储存目的。将三种不同涂布速率的乳化制剂用作顶涂层。如表2所示，当采用较高的涂布速率时，累积粉尘水平显著降低。如图3所示，3磅/吨的涂布速率显示出最佳的减尘效果。

实施例3

该实施例证明了与使用其它市售除尘制剂涂覆相比，用乳化制剂涂覆石灰石的累积粉尘减少的有效性。涂布速率被固定在8磅/吨。在用涂料制剂处理肥料后，确定初始粉尘水平和老化粉尘水平两者，并且通过加入每个测试期的粉尘水平来计算累积粉尘水平。

表3

用上面列出的涂料制剂和涂布速率涂覆石灰石，并测量累积粉尘水平用于比较。如表3所示，未涂覆的石灰石产生大量粉尘，4周后累积粉尘水平超过2000ppm。然而，使用乳化制剂涂布在4周后将累积粉尘水平降低至554ppm，累积粉尘水平降低超过70％，如图4所示。

实施例4

表4和表5分别证明了对于磷酸二铵(DAP)和单铵(MAP)，与使用其它市售制剂相比，当使用乳化制剂时结块水平降低的有效性。涂布速率被固定为6磅/吨。在用涂料制剂处理肥料并在调节室中调节后确定结块强度。

表4

与实施例1一样，DAP和MAP均涂有第二除尘产品75作为底涂层以用于储存目的。对于仅用底涂层处理的DAP和MAP，施用速率为6磅/吨。对于待用顶涂层处理的DAP和MAP，底涂层速率降至3磅/吨。然后以3磅/吨施用第一除尘产品和乳化制剂作为顶涂层。为了引发结块，将肥料样品暴露于高温和低温以及高湿度和低湿度的循环。将具有涂层的样品置于140℉和75％RH的室中并保持4小时。然后将样品在55％RH下冷却至72℉并保持2小时。将温度和湿度再次升至140℉和75％RH并保持4小时。最后，将室中的样品在55％RH下冷却至72℉并保持至少16小时以完成调节循环。DAP和MAP样品应在这些循环后结块。

测试结块样品以确定结块强度。如表4所示，当乳化制剂作为顶涂层施用时，DAP中的结块强度降低了超过50％，如图5所示。如表5所示，当乳化制剂以4.8磅/吨作为顶涂层施用时，MAP中的结块强度降低了38％，如图6所示。第一除尘产品的顶涂层还将MAP中的结块强度降低了38％，但需要6.0磅/吨的涂布速率。这表明乳液制剂可以用显著更低的活性物(或有机)负载实现相同的结块减少。

表5

实施例5

表6证明了用两种不同涂布速率和两种不同调节循环的MAP上乳化制剂的结块降低的有效性。在用乳化制剂处理MAP并在调节室中调节之后确定结块水平。

表6

如在实施例1中一样，MAP用第二除尘产品作为底涂层以6磅/吨涂布以用于储存目的。然后以3磅/吨和8磅/吨涂布速率施用乳化制剂作为顶涂层。如在实施例4中一样，为了引发结块，将MAP样品暴露于高温和低温以及高湿度和低湿度的循环。将样品置于140℉和70％或75％湿度的调节室中并保持3.5小时。然后将样品在55％RH下冷却至72℉并保持2小时。将温度和湿度再次升至140℉和70％或75％RH的湿度并保持3.5小时。最后，再将室中的样品在55％RH下冷却至72℉并保持至少16小时以完成调节循环。MAP样品应在这些循环后结块。测试结块样品以确定结块强度。如表6所示，使用8磅/吨的乳液顶涂层的结块强度在70％RH下降低约60％，以及在75％RH下降低40％，这也可以在图7中看出。

实施例6

表7和8再次证明了与具有和不具有抗结块添加剂的其它除尘剂相比，用三种不同涂布速率的乳化制剂在MAP(磷酸一铵)上的结块和累积粉尘减少的有效性。在用乳化制剂处理MAP并在调节室中调节后确定结块水平。

表7

表8

尽管已经结合附图和权利要求描述了装置和方法，但是应该理解，除了在此示出或建议的那些之外，可以在本发明的精神和范围内进行其它和进一步的修改。