尿素微膠囊緩/控釋肥料制備工藝研究*

楊艷艷，韓月云，湯建偉，化全縣，劉 麗，劉 詠

（鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，國家鈣鎂磷復(fù)合肥技術(shù)研究推廣中心，河南鄭州450001）

在中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，尿素對提高作物產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)揮著關(guān)鍵作用。但是尿素易溶于水，施用于土壤后40%～60%的尿素隨水土流失，不僅利用率低，也不利于環(huán)境保護(hù)［1-6］。采用緩控釋技術(shù)可以有效解決這類問題［7］。傳統(tǒng)緩釋肥是通過物理方法將聚烯烴、熱塑性樹脂以及聚氨酯等有機(jī)高分子包裹顆粒尿素表面，但此類包膜材料價(jià)格較高，難降解，進(jìn)而對土壤造成危害。殼聚糖（Chitosan，CS）是一種來源廣泛的天然生物可降解聚合物，以其廉價(jià)性、無毒性和生物可降解性引起研究者的廣泛關(guān)注［8］。其分子內(nèi)具有化學(xué)性質(zhì)活潑的氨基與羥基，可以在溫和的反應(yīng)條件下改變其化學(xué)性質(zhì)［9］。因此，殼聚糖可以作為理想的天然緩釋載體廣泛用于生物醫(yī)學(xué)、制藥及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域［10-11］。 A.Rattanamanee 等［12］在蠶絲蛋白/明膠水凝膠中添加殼聚糖，通過溶劑揮發(fā)法制備緩釋尿素。L.Wu等［13］以四氯化碳和丙酮為溶劑，通過轉(zhuǎn)筒造粒法制備了雙層包膜尿素顆粒緩釋肥，其中殼聚糖為內(nèi)層，聚丙烯酸高吸水性樹脂為外層。這些研究大部分采用物理方法將殼聚糖包裹尿素，難以達(dá)到控釋效果，且生產(chǎn)成本高。與傳統(tǒng)緩釋肥料制備方法相比較，采用微膠囊技術(shù)制備緩釋肥在降低成本、調(diào)控養(yǎng)分釋放速率方面有很大優(yōu)勢［14-15］。鑒于上述原因，本研究初步探討采用天然高分子聚合物CS為尿素載體，通過反相乳化-化學(xué)交聯(lián)法制備了尿素微膠囊緩釋肥。實(shí)驗(yàn)還分別考察了CS濃度、尿素用量、戊二醛用量、乳化劑用量、反應(yīng)溫度以及攪拌速度對制備微膠囊的形態(tài)、載肥量以及包封率的影響。通過FT-IR和SEM表征其結(jié)構(gòu)，并探究尿素微膠囊的緩釋性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試劑：殼聚糖、對二甲氨基苯甲醛尿素，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供；異丙醇、戊二醛、液體石蠟、Span-80、冰乙酸、石油醚，均為分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司提供。

儀器：F25-ED型加熱制冷循環(huán)器、DT1000A型多管架自動(dòng)平衡離心機(jī)、KQ-500DE型數(shù)控超聲波清洗器、TU-1901型雙光束紫外可見分光光度計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

通過反相乳化-化學(xué)交聯(lián)法制備尿素/CS緩釋微膠囊。將1 g CS加入體積分?jǐn)?shù)為1%的醋酸水溶液中，60℃下攪拌溶解，靜置12 h后，稱取一定質(zhì)量的尿素加入到已配制好的CS溶液中作為水相溶液待用。按照體積比3:1配制石蠟與石油醚混合溶液作為油相待用。將水相分散到油相中，并加入一定量的乳化劑Span-80，使尿素/CS水溶液在油相中形成穩(wěn)定的W/O體系。以體積分?jǐn)?shù)為50%的戊二醛為交聯(lián)固化劑，反應(yīng)3 h后停止并靜置一定時(shí)間。離心抽濾，回收上層油相。先后分別使用石油醚和異丙醇洗滌，50℃下干燥24 h，得到微膠囊樣品。

1.3 結(jié)構(gòu)表征與性能測試

1.3.1 SEM表征

采用JEM-5600LV型掃描電鏡對樣品做形貌分析。將樣品表面噴金處理，實(shí)驗(yàn)工作電壓為20kV，觀察樣品的表面結(jié)構(gòu)形態(tài)。

1.3.2 FT-IR表征

采用WQL-510型傅立葉變換紅外光譜儀對樣品做結(jié)構(gòu)分析。以溴化鉀壓片法制備試樣，掃描波長為 400～4 000 cm-1，分辨率為 0.5 cm-1。

1.3.3 載肥量測定

配 制 質(zhì) 量 濃 度 分 別 為 0.00、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 g/L的尿素標(biāo)準(zhǔn)溶液。加入顯色劑對二甲氨基苯甲醛，分別在波段420 nm處用紫外分光儀測定吸光度，并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線［16］。

稱取0.2 g微膠囊樣品經(jīng)充分研磨后，樣品浸入蒸餾水中至尿素完全釋放后過濾。通過紫外分光光度法測定溶液中氮含量。載肥量與包封率按以下公式計(jì)算［17］：

式中：ULE為載肥量，%；UCE為包封率，%；m0為加入的尿素總量，g；mC為微膠囊中包封的尿素量，g；mT為微膠囊總質(zhì)量，g。

1.3.4 微膠囊緩釋性能分析

精確稱取8份相同質(zhì)量（0.1 g）的樣品，分別置于燒杯中，并分別加入等體積的蒸餾水50mL。在25℃恒溫水浴中分別靜置不同時(shí)間（4、8、12、24、36、48、60、72 h），移取上層清液并測定溶液中的尿素含量。尿素釋放率按下式計(jì)算：

式中：f為尿素釋放率，%；Mt為t時(shí)刻尿素釋放量，g；M∞為微膠囊中所含尿素總質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 尿素用量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

由于尿素用量對載肥量和包封率有著直接影響，本實(shí)驗(yàn)分別將不同質(zhì)量的尿素加入CS溶液中，考察尿素用量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。稱取2 g CS溶于100 mL體積分?jǐn)?shù)為1%的冰醋酸水溶液中，在Span-80和戊二醛體積分?jǐn)?shù)均為3%、轉(zhuǎn)速為900 r/min、反應(yīng)溫度為40℃的條件下制備微膠囊，結(jié)果見圖1。由圖1結(jié)果可以看出，在尿素用量為1～6 g時(shí)，隨著尿素用量的增加，尿素/CS微膠囊的載肥量增加。原因是當(dāng)體系中尿素含量較低時(shí)，CS量過剩；隨著尿素量逐漸增加，更多的尿素包埋在CS中，因此載肥量也隨之增加。當(dāng)尿素用量超過6 g并繼續(xù)增加時(shí)，載肥量和包封率逐漸降低。原因是尿素過量造成CS不能完全包裹體系中的尿素，導(dǎo)致形成的微膠囊不完整，載肥量也因此降低。

圖1 尿素用量對微膠囊載肥量和包封率的影響

2.2 交聯(lián)劑用量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

戊二醛含有2個(gè)醛基，能在溫和條件下與CS分子上的伯氨基和羥基發(fā)生反應(yīng)，在微膠囊內(nèi)部形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)分別加入體積分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%、4%、5%的戊二醛，其他因素保持不變，考察了交聯(lián)劑用量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，結(jié)果見圖2。由圖2可以看出，隨著交聯(lián)劑用量增加，載肥量和包封率相應(yīng)降低，交聯(lián)劑達(dá)到一定量后，載肥量和包封率變化趨于平緩。原因是交聯(lián)劑的加入引起微膠囊內(nèi)部自由體積減少，隨交聯(lián)劑用量增加，交聯(lián)點(diǎn)之間的分子距離減少，這將進(jìn)一步降低微膠囊內(nèi)部的自由體積，使得可以容納的尿素減少，載肥量和包封率降低［19］。此外在體積分?jǐn)?shù)為2%～3%戊二醛用量的使用范圍內(nèi)，CS的交聯(lián)點(diǎn)可能達(dá)到飽和，此時(shí)載肥量和包封率基本保持不變。

圖2 戊二醛用量對微膠囊載肥量和包封率的影響

2.3 反應(yīng)溫度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

反應(yīng)溫度會(huì)影響戊二醛和CS分子交聯(lián)反應(yīng)程度，進(jìn)而影響微囊的成型。本實(shí)驗(yàn)在加入交聯(lián)劑后，其他因素保持不變，考察了反應(yīng)溫度分別為30、40、50、60、70℃時(shí)對微膠囊載肥量和包封率的影響，結(jié)果見圖3。由圖3可以看出，在30～40℃時(shí)，隨著溫度升高，載肥量和包封率相應(yīng)降低；當(dāng)達(dá)到一定溫度后，載肥量和包封率變化趨于平緩，這與戊二醛用量對載肥量的影響呈現(xiàn)出類似的規(guī)律。這是因?yàn)楫?dāng)溫度升高時(shí)，會(huì)加劇交聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行，溫度越高，交聯(lián)程度越大；當(dāng)溫度升至一定值時(shí)，交聯(lián)程度達(dá)到飽和，此時(shí)載肥量變化趨向平緩。

圖3 反應(yīng)溫度對微膠囊載肥量和包封率的影響

2.4 攪拌速度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)保持其他因素不變，考察了攪拌速度分別為 600、900、1 200、1 500 r/min 時(shí)對微膠囊的載肥量和包封率的影響，結(jié)果見圖4。由圖4可知，隨著轉(zhuǎn)速上升，微膠囊的載肥量和包封率都呈現(xiàn)出下降的趨勢。其原因是隨著攪拌速度提升，液滴均勻分散在油相中，乳化交聯(lián)后所形成的微膠囊粒徑也越來越小，使得微囊比表面積增大，囊壁變薄。此時(shí)的微囊在高剪切力作用下易破碎，造成包封率下降；同時(shí)如果壁材厚度較小，樣品離心抽濾時(shí)，膠囊也容易破裂，導(dǎo)致載肥量降低。

圖4 轉(zhuǎn)速對微膠囊載肥量和包封率的影響

2.5 正交試驗(yàn)分析

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，本研究設(shè)計(jì)了4因素3水平的正交試驗(yàn)，以綜合指標(biāo)即載肥量和包封率的和為篩選指標(biāo)。正交試驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1結(jié)果可知，影響因素的顯著次序由大到小為m（尿素）/m（CS）、反應(yīng)溫度、轉(zhuǎn)速、戊二醛用量。微膠囊的最佳制備條件為 A3B3C1D1，即：m（尿素）/m（CS）=3、戊二醛用量為1.5%（體積分?jǐn)?shù)）、反應(yīng)溫度為30℃、轉(zhuǎn)速為600r/min。實(shí)驗(yàn)隨后在最佳條件下制備出尿素微膠囊樣品，并對其做了FT-IR、SEM結(jié)構(gòu)和形貌表征，以測定微膠囊的緩釋性能。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.6 FT-IR表征

圖5為2.5節(jié)最佳條件下制備的尿素微膠囊樣品、尿素以及CS原料的紅外光譜圖。由圖5可見，在尿素光譜圖中，3 342～3 455 cm-1處有 2個(gè)振動(dòng)峰，應(yīng)為尿素的特征峰，即N—H鍵的伸縮振動(dòng)峰；1 608～1 685 cm-1處的尖銳峰為尿素中C=O雙鍵的伸縮振動(dòng)特征峰；在微膠囊的光譜圖中，3 433 cm-1處的氨基伸縮振動(dòng)吸收峰變窄效果明顯，特征峰強(qiáng)度減弱，將微膠囊光譜圖與CS光譜圖比較分析，可能是由于交聯(lián)劑戊二醛的加入，與CS交聯(lián)后形成Schiff堿的特征峰［20］，削弱了 CS 在 1 651 cm-1處的酰胺峰強(qiáng)度，同時(shí)在1 623 cm-1處的吸收峰為C=N的伸縮振動(dòng)峰。而微膠囊光譜圖中1 072 cm-1處的羥基變形振動(dòng)吸收峰減弱，由此證明CS分子中的羥基也同樣與交聯(lián)劑中的醛基發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)。尿素氨基特征峰吸收強(qiáng)度也減弱了。綜合比較3種物質(zhì)的吸收譜圖可知，尿素應(yīng)該被包埋于CS微膠囊之中。

圖 5 尿素（a）、微膠囊（b）和殼聚糖（c）紅外光譜圖

2.7 SEM表征

圖6為2.5節(jié)最佳條件下制備的微膠囊樣品的SEM形貌照片。由圖6可見，粒徑小于100 μm的微球應(yīng)為未包裹尿素的空白CS微膠囊，部分微球形狀不規(guī)則，出現(xiàn)破損。而成球性良好，顆粒表面光滑且粒徑分布在100～130 μm之間的微膠囊應(yīng)為尿素/殼聚糖微膠囊。這是因?yàn)镃S包裹尿素后相應(yīng)體積增加，從而導(dǎo)致粒徑增加。

圖6 CS微膠囊掃描電鏡照片

2.8 微膠囊緩釋性能分析

將2.5節(jié)最佳條件下制備的微膠囊樣品進(jìn)行不同時(shí)間下尿素釋放性能的測試，檢測0～80 h內(nèi)尿素的釋放情況，結(jié)果見圖7。由圖7可知，尿素釋放分為3個(gè)階段：初期階段（0～12 h），微膠囊中的尿素釋放比較快，尿素累積釋放率急劇增大，12 h之后釋放曲線變得平緩，這是由于微囊表層尿素分子快速溶解產(chǎn)生了突釋效果；第二階段（12～48 h），釋放速率主要由溶解擴(kuò)散作用控制，由于微膠囊表面存在大量的孔隙，水分子可以通過它進(jìn)入微膠囊的內(nèi)部并溶解，CS吸水溶脹后成為凝膠態(tài)，在微膠囊表面形成凝膠保護(hù)層，微膠囊壁厚增加，致使大部分尿素截留在凝膠層中，只能通過擴(kuò)散作用釋放出來，所以釋放曲線變得平緩；第三階段（48～72h），CS分子開始降解，微囊結(jié)構(gòu)開始破壞，此時(shí)尿素的釋放由CS降解作用主導(dǎo)，尿素釋放速率增加，直至72h內(nèi)完全釋放。

圖7 CS微膠囊中尿素釋放量隨時(shí)間的變化曲線

3 總結(jié)

1）在制備尿素/CS微膠囊過程中，隨著攪拌速度、交聯(lián)劑戊二醛用量和溫度的增加，尿素/CS微膠囊的載肥量呈現(xiàn)下降趨勢；而當(dāng)尿素用量、CS濃度、乳化劑濃度增加時(shí)，載肥量和包封率均呈現(xiàn)先增后減趨勢。

2）通過單因素結(jié)果設(shè)計(jì)4因素5水平正交試驗(yàn)，得到最優(yōu)工藝條件：m（尿素）/m（CS）=3、戊二醛用量為1.5%（體積分?jǐn)?shù)）、反應(yīng)溫度為30℃、轉(zhuǎn)速為600 r/min。此條件下制備出的尿素微膠囊成球率高，圓整度好，顆粒表面光滑，粒徑分布在100～130 μm之間，載肥量達(dá)到11.26%，包封率為15.01%。

3）靜水實(shí)驗(yàn)表明，尿素呈階段性釋放，且緩釋周期可以達(dá)到72 h。在緩釋肥領(lǐng)域，尿素/CS微膠囊尿素具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。