聚乳酸包膜肥料的理化性能測定及緩釋效果試驗

王海燕

（天津紅日愛樂意藥用輔料有限公司，天津 301700）

目前，我國化肥利用率僅為35%左右，長期大量施用化肥導致土壤板結(jié)、地表水富營養(yǎng)化等環(huán)境問題出現(xiàn)。緩控釋肥料是利用對生物和化學作用不敏感的膜材料包膜以控制肥料的釋放速度，減少化肥用量和施用次數(shù)，降低環(huán)境污染，提高肥效。目前常見的緩控釋肥分為無機物包膜、有機聚合物包膜、有機-無機復合材料膠結(jié)包膜等。

聚乳酸是由L-乳酸聚合而成的高分子材料，可通過微生物作用分解為H2O和CO2，是一種環(huán)境友好型生物材料。作為載體的聚乳酸，熔化或溶解過程可將肥料“包埋”起來，在土壤中逐漸降解釋放，并在土壤微生物和光照等的共同作用下，分解成H2O和CO2。本文利用低聚乳酸作為包膜材料，研究其成膜性能以及對生物肥料的緩釋性。

1 材料和方法

1.1 供試材料及設(shè)備

化學級尿素、氯化鉀和磷酸二氫銨由科威試劑公司提供，聚乳酸由浙江海正生物材料股份有限公司提供。

全方位行星式球磨機由北京卓的儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)，電導率儀由上海儀電科學儀器股份有限公司生產(chǎn)，制粒機由江陰市康和機械有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗方法

1.2.1 肥料包膜處理 將N、P、K肥料按質(zhì)量比1∶1∶1混合，加入一定的粘合劑等輔料進行制粒，粒徑范圍2～3 mm。將制粒后的肥料與熔融后的聚乳酸用物理法包裹成膜，所得產(chǎn)品置于45 ℃干燥，干燥后放入試劑瓶中備用。

1.2.2 成膜性能測定 取10 g制粒后的復合肥（粒度一致、外表無破損）于500 mL燒杯中，將聚乳酸熔融后按1∶30的比例緩慢加入燒杯，邊加邊用玻璃棒攪拌。包膜均勻后將其置于不銹鋼盤中推展開，置于(45±1) ℃烘箱內(nèi)烘干，觀察成膜性能，記錄所有包膜肥表面衣膜固化、互不粘連所需的時間。

1.2.3 耐磨性測試 稱取一定量的包膜肥料，按質(zhì)量比1∶1與鋼珠混合，放入球磨機中，以200 rpm的速度滾動30 min，將樣品取出，通過不銹鋼篩進行篩分，并計算磨損率。

1.2.4 包膜肥緩釋性能測定 通過電導率儀測定包膜控釋肥的浸提液電導值，制定出不同濃度N、P、K總養(yǎng)分濃度的標準曲線，再將測量值代入公式，計算包膜控釋肥的養(yǎng)分釋放量和累積釋放百分數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 聚乳酸包膜的理化性質(zhì)

成膜性、成膜均勻度、成膜時間和包膜磨損率等是緩釋包膜肥的重要理化指標，決定其緩釋特性。試驗表明，試驗制備的包膜肥磨損率平均為2.27%，說明肥料表面的聚乳酸成衣膜附著牢固，運輸、作業(yè)等環(huán)節(jié)不易脫落。成膜性Ⅱ級，說明聚乳酸在成膜性方面不是最優(yōu)的材料，需加入其他助劑提高成膜性。包膜均勻度為88.3%，由于其成膜性不強，導致均勻度略低。成膜時間為13.3 min，時間略長（表1）。

表1 聚乳酸包膜理化指標

2.2 包膜肥累計釋放過程

由圖1可知，試驗制備的緩釋肥在24 h初期和28 d的養(yǎng)分釋放率分別為3.4%、45.1%，滿足國家標準GB/T 23348-2009規(guī)定的24 h初期養(yǎng)分釋放率不超過15%，28 d養(yǎng)分釋放率不超過75%的要求。緩釋周期可達100 d，達到歐美等國緩釋肥料的行業(yè)標準和中國標準GB/T 23348-2009。

養(yǎng)分釋放按照速率高低分為3個階段，第一階段為15 d以內(nèi)，為緩慢釋放階段，此時作物處于幼苗期，需肥相對較少，緩釋肥此階段養(yǎng)分溶出量較少；第二階段為15～60 d，為加速釋放階段，此時作物處于快速生長期，需肥量相對較多，緩釋肥此階段養(yǎng)分溶出量迅速增加；第三階段為60 d以后的完全釋放階段，養(yǎng)分釋放速率趨緩，聚乳酸包膜幾乎全部被分解，100 d時的最大養(yǎng)分溶出量達到92%。

包膜肥養(yǎng)分累積釋放基本呈“S”型曲線，與微生物的生長周期類似，也與作物生長過程需肥規(guī)律基本一致。說明聚乳酸包膜緩釋性良好，是一種適合作物生長的緩釋肥包膜材料。

3 結(jié)論與討論

通過對聚乳酸包膜的理化性能測定，對包膜肥養(yǎng)分初期溶出率、養(yǎng)分累積釋放曲線的分析，得出如下結(jié)論：

3.1 緩釋肥包膜劑成膜良好，成膜時間13.3 min，包膜磨損率＜5%，說明聚乳酸緩釋肥包膜劑理化性能較好。

3.2 包膜肥養(yǎng)分初期溶解率3.4%，28 d累積養(yǎng)分釋放率45.1%，符合中國緩釋肥料標準。養(yǎng)分累積釋放曲線與作物需肥規(guī)律基本一致，緩釋效果較好，達到有效控制復合肥養(yǎng)分釋放的目的。

聚乳酸作為可完全生物降解材料，越來越受到人們的重視，但目前價格相對較高，應(yīng)用受限。今后研究的重點是改進聚乳酸生產(chǎn)工藝，降低成本，設(shè)計合成不同性能的聚乳酸共聚物以滿足包膜肥的需求。