P(AA-AM)/SiO2復(fù)合保水材料的制備及其在保水緩釋肥中應(yīng)用

曹 兵，王 孟，楊凱勁，倪小會，王學(xué)霞，鄒國元，陳延華

P(AA-AM)/SiO2復(fù)合保水材料的制備及其在保水緩釋肥中應(yīng)用

曹 兵1,2，王 孟3，楊凱勁3，倪小會1,2，王學(xué)霞1,2，鄒國元1,2，陳延華1,2※

（1. 北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所，北京 100097；2. 北京市緩控釋肥料工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3. 南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，衡陽 421001）

開發(fā)具有保水緩釋雙重功能的新型肥料，對于提高水肥利用效率和保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。該研究探索了納米二氧化硅（SiO2）對提升保水材料吸水率及改善保水緩釋肥性能的效果，采用丙烯酸（AA）和丙烯酰胺（AM）為原料，首先通過水溶液原位聚合法制備了P(AA-AM)/SiO2復(fù)合保水材料，然后采用雙層包膜工藝制備了保水緩釋肥，在合成保水材料時，丙烯酸和丙烯酰胺的質(zhì)量比為3.5∶1，引發(fā)劑（過硫酸鉀和亞硫酸鈉）、交聯(lián)劑（N,N-亞甲基雙丙烯酰胺）、增塑劑（丙三醇）和納米SiO2分別為單體質(zhì)量的1%、0.04%、15%和2%。保水緩釋肥采用轉(zhuǎn)鼓包膜工藝制備，內(nèi)包膜層為聚氨酯，占肥料核芯的3%，外包膜層為P(AA-AM)/SiO2復(fù)合保水材料，占肥料核芯的24%。保水材料的形貌結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性用傅里葉紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）、掃描電鏡（Scanning electron microscopy，SEM）和熱重（Thermogravimetry，TG）表征，保水材料的吸水率用過濾法測定；采用土壤培養(yǎng)研究保水緩釋肥的保水和持水性能，保水緩釋肥的緩釋性能用水浸泡法研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：納米SiO2能較好地分散于基體P(AA-AM)保水材料中，與P(AA-AM)保水材料相比，添加納米SiO2的復(fù)合保水材料在去離子水和0.9% NaCl水溶液中的吸水率分別提高152%和87%，而且熱穩(wěn)定性顯著提高；SEM和FTIR結(jié)果表明，納米SiO2能較好地分散于P(AA-AM)保水材料中，SiO2表面含有的硅羥基增加了保水材料的交聯(lián)密度。相比沒有保水層的緩釋肥，復(fù)合保水緩釋肥的土壤持水率和保水率（培養(yǎng)25 d后）分別提高了25.5%和47.2%，肥料釋放期由60 d增加到72 d。綜上所述，納米SiO2顯著提高了保水材料的吸水率，以此制備的復(fù)合保水緩釋肥具有優(yōu)異的保水和緩釋能力，該研究為研發(fā)高效肥料、提高水肥利用效率提供了新思路。

肥料；吸水率；保水材料；SiO2；保水緩釋肥；釋放期

0 引 言

水和肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必要的投入要素，也是農(nóng)作物生長的重要影響因子。干旱缺水和水肥利用效率低是影響中國糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要限制因子，目前中國農(nóng)業(yè)灌溉水的有效利用系數(shù)僅為0.548，氮肥當季利用率僅為35%左右，均遠低于發(fā)達國家的平均水平[1-2]。提高水肥利用效率及減少水肥資源浪費造成的環(huán)境污染一直是農(nóng)業(yè)科技工作者關(guān)注的熱點[1-2]。

為了應(yīng)對水資源短缺和切實降低化肥過量施用，近年來，具有較高水、肥利用效率的保水劑和緩控釋肥料的用量逐年增加，保水劑是一種高分子聚合物。它能迅速吸收和保持自身質(zhì)量數(shù)百倍的去離子水、數(shù)十倍至近百倍的含鹽水分，而且具有反復(fù)吸水和釋水能力[3]，具有抗旱保水、改良土壤、增產(chǎn)與促進養(yǎng)分吸收等多重功能[4-6]，但是由于普通保水劑存在凝膠機械強度、耐鹽性及反復(fù)溶脹能力較差等缺陷，限制了其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用[7]，進一步提升保水劑性能的途徑之一是將無機材料引入制成復(fù)合保水劑[8]，其中保水劑/無機納米材料在提升復(fù)合材料的保水能力方面具有較好前景[9-11]。納米二氧化硅是一種比表面積大、多孔且無毒無污染的無機多功能材料，將納米二氧化硅引入高吸水樹脂制成的復(fù)合高吸水樹脂具有更強的吸水保水能力[10]。緩控釋肥料是一類具有養(yǎng)分利用率高、省工省肥、環(huán)境友好等突出特征的新型肥料，相比常規(guī)施肥，緩控釋肥具有肥料利用率高、增產(chǎn)、節(jié)肥、省工等優(yōu)點[12]。

將保水劑和肥料緩釋技術(shù)結(jié)合的水肥耦合技術(shù)，能充分發(fā)揮水肥協(xié)同作用，是提高水肥利用效率的重要舉措，在作物增產(chǎn)、提高水肥利用效率和降低養(yǎng)分淋溶損失等方面效果顯著[13-15]。其中將保水和肥料緩釋復(fù)合為一體而形成的保水緩釋肥則更易于發(fā)揮水肥協(xié)同作用，實現(xiàn)水肥一體化，也是未來保水緩釋肥技術(shù)發(fā)展的重要方向[16]。Yang等[17]采用雙層包膜技術(shù)制備出具有較好的保水和肥料緩釋性能的保水緩釋肥，在玉米上應(yīng)用能夠降低氮素淋洗損失，提高氮肥利用率及土壤保水持水能力。

本研究采用納米SiO2對P(AA-AM)保水劑進行增強改性，進而采用雙層包膜工藝制備保水緩釋肥，并對復(fù)合保水材料的吸水率和微觀特征、緩釋肥的保水吸水和肥料緩釋特性進行研究與表征，以期為保水緩釋肥開發(fā)與應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

丙烯酸（分析純，天津大茂化學(xué)試劑廠）；丙烯酰胺和N,N-亞甲基雙丙烯酰（分析純，天津福晨化學(xué)試劑廠）；過硫酸鉀（分析純，天津政成化學(xué)制品有限公司）；無水亞硫酸鈉和丙三醇（分析純，北京通廣精細化工公司）；氫氧化鈉和蓖麻油（分析純，北京化工廠）；1,4-丁二醇（分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；大粒尿素（山東華魯恒升集團有限公司）：PAPI（PM-200，煙臺萬華聚氨酯股份有限公司）；納米SiO2（SiO2含量99.9%，粒徑15～30 nm，北京德科島金科技有限公司）；聚氨酯膠黏劑（上海精細文化用品有限公司）。

培養(yǎng)試驗所用土壤為潮土，基本理化性狀為：有機碳10.44 g/kg，全氮0.78 g/kg，硝態(tài)氮16.32 mg/kg，銨態(tài)氮2.40 mg/kg，速效磷43.35 mg/kg，速效鉀91.03 mg/kg，pH值7.5。

1.2 方法

1.2.1 P(AA-AM)/SiO2保水材料制備

采用水溶液聚合法制備P(AA-AM)/SiO2保水材料[18]，具體試驗過程為：在冰水浴下取定量丙烯酸加入濃度為10%的氫氧化鈉溶液至中和度75%后，依次加入定量的丙烯酰胺和N,N-亞甲基雙丙烯酰胺攪拌至完全溶解，然后在溶液中加入2%納米SiO2并機械攪拌5 min，放入溫度為60 ℃的超聲儀中超聲1 h，超聲過程中時不時的激烈搖晃，超聲之后冷卻至室溫（不加納米材料無需此步驟）。隨后在溶液中依次加入丙三醇、過硫酸鉀和亞硫酸鈉，將反應(yīng)溫度保持在35 ℃并且不斷攪拌，30 min后反應(yīng)終止，即得到樹脂凝膠，將樹脂凝膠在105 ℃的鼓風(fēng)干燥機中干燥，之后用萬能粉碎機粉碎并過0.25 mm篩，即得保水材料粉末。在合成保水材料時，丙烯酸和丙烯酰胺的質(zhì)量比為3.5∶1，引發(fā)劑（過硫酸鉀和亞硫酸鈉）、交聯(lián)劑（N,N-亞甲基雙丙烯酰胺）和增塑劑（丙三醇）的用量分別為單體質(zhì)量的1%、0.04%和15%。

1.2.2 保水緩釋肥料的制備

將1 kg大顆粒尿素（粒徑為2～4.75 mm）倒入荸薺式圓盤包衣機中，用機器自帶的加熱風(fēng)機向尿素表面吹熱風(fēng)加熱，將包膜機轉(zhuǎn)速設(shè)定為30 r/min左右。當肥料溫度穩(wěn)定在（65±2）℃時，將10 g混勻的包膜材料倒在肥料表面，約5 min后包膜材料在肥料表面固化生成聚氨酯膜，包膜材料為肥料核芯的1%，重復(fù)上述步驟2次至包膜材料質(zhì)量達肥料核芯的3%，制備出包膜尿素（Polymer Coated Urea，PCU）。接著將少量聚氨酯膠黏劑噴涂在制備的包膜尿素表面，隨后將240 g過0.25 mm篩粉碎的P(AA-AM)/SiO2保水材料均勻分散在肥料表面，制成包膜材料質(zhì)量為肥料核芯27%的保水緩釋肥料（Water-retaining Slow-release Fertilizer，WRSRF）。

1.2.3 吸水保水能力測試

1）保水材料吸水率測試

采用過濾法測定吸水率[9]。即稱取約0.1 g保水材料（0）置于燒杯中，加入足量的去離子水（或0. 9% NaCl溶液），待吸水飽和后過濾稱質(zhì)量（1）。吸水率計算如公式（1）所示。

吸水率= (1-0) /0× 100% （1）

2）緩釋肥持水能力測試

稱取100 g風(fēng)干土和1 g肥料（PCU和WRSLF）分別混勻，置于內(nèi)徑為5 cm的丙烯酸管中，用3層74m尼龍織物密封管底部并稱質(zhì)量（），將丙烯酸管底部浸入去離子水中，在室溫下放置24 h，隨后將管從水中取出，靜置8 h后再次稱質(zhì)量（），每個處理3次重復(fù)。持水能力計算如公式（2）所示。

持水率 = (-)/× 100% （2）

3）緩釋肥保水能力測試

稱取0.5 kg風(fēng)干土和2 g肥料（PCU和WRSLF）混勻，填充于丙烯酸管中，用3層74m尼龍織物密封管底部并稱質(zhì)量（0），將丙烯酸管底部浸入去離子水中，在室溫下放置24 h，隨后將管從水中取出，靜置8 h后稱質(zhì)量（1），隨后分別在間隔1、7、14、21和25 d稱質(zhì)量（m），每個處理3次重復(fù)。保水能力計算如公式（3）所示。

保水率 = (m-0)/(1-0) × 100% （3）

1.2.4 氮素釋放特征測試

采用水浸泡法測定緩釋肥的氮素釋放[19]，稱取5 g肥料（PCU和WRSRF）裝入自制74m的網(wǎng)袋中，再將網(wǎng)袋置于盛250 mL去離子水的塑料瓶中，放入恒溫培養(yǎng)箱中，于25±0.5℃培養(yǎng)，分別在1、3、8、18、28、38、49、59和77 d取樣，用對二甲氨基苯甲醛法測定氮素釋放[20]。

1.2.5 傅里葉紅外光譜

紅外光譜分析采用美國PerkinElmer公司生產(chǎn)的Spectrum 2型變換衰減全反射紅外光譜儀（ATR-FTIR）來分析測試對象，掃描波長范圍為4 000～500 cm-1。

1.2.6 掃描電鏡

采用美國FEI公司生產(chǎn)的XL-30型掃描電鏡對樣品（表面噴金）其表面及剖面進行微觀結(jié)構(gòu)掃描。

1.2.7 熱穩(wěn)定性

熱重分析采用美國PerkinElmer公司生產(chǎn)的TG4000型熱重分析儀進行測定，測試條件為氮氣氣氛下，氣流流量為20 mL/min，升溫速率為10 ℃/min，升溫范圍為30～700 ℃。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS22.0軟件進行單因素方差分析，差異顯著性水平為0.05水平，數(shù)據(jù)均為平均數(shù)±標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 保水材料結(jié)構(gòu)特征

P(AA-AM)/SiO2復(fù)合保水材料中的SiO2為球狀納米粒子，表面富含大量的硅羥基，與基體中羧酸基團和酰胺基團能形成氫鍵作用，因此在基體中具有較好的相容性。試驗通過超聲能將SiO2很好地分散于AA和AM混合溶液中，然后通過原位聚合制備P(AA-AM)/SiO2復(fù)合保水劑。圖1為保水材料的SEM圖，可以看出，純P(AA-AM)材料表面形貌非常的光滑（圖1a），而SiO2質(zhì)量分數(shù)為2%的復(fù)合保水材料中有許多白色光點不規(guī)則地分散于基體中（圖1b），并且SiO2和P(AA-AM)基體的界面處很模糊，表明SiO2在P(AA-AM)基體中的分散性和相容性非常好，未出現(xiàn)明顯的團聚。

圖1 保水材料的SEM圖

圖2為保水材料的FTIR圖，由圖2可以看出，P(AA-AM)/SiO2復(fù)合保水材料具有P(AA-AM)和納米SiO2的典型特征峰，在1 104 cm-1處明顯的吸收峰為SiO2的Si-O-Si反對稱伸縮振動峰，1 656 cm-1特征峰為-CONH2中C=O雙鍵的伸縮振動峰，1 550 cm-1特征峰對應(yīng)于-COOH中C=O雙鍵與鄰近O原子p-π共軛所引起的振動頻率峰，3 295 cm-1處峰為-COOH中的O-H和-CONH2中的N-H所引起的伸縮振動峰，這些結(jié)構(gòu)特點說明納米SiO2已經(jīng)復(fù)合到P(AA-AM)基體中，而且對其結(jié)構(gòu)特征并沒有產(chǎn)生明顯的影響。

圖3為保水材料的TG/DTG曲線，可以看出，納米粒子的加入明顯增加了P(AA-AM)的熱分解穩(wěn)定性，尤其在400 ℃之前的熱穩(wěn)定性更好，這可能是由于SiO2表面含有的羥基基團與基體P(AA-AM)形成了氫鍵，從而增加了保水材料的交聯(lián)密度所致。TG曲線可以看出，保水材料的熱分解過程主要包括3個階段，第一個階段在30～300 ℃，損失率約15.6%～20.9%，失重可能是由于殘存未反應(yīng)的物質(zhì)及結(jié)構(gòu)水分的離去所致；第二個階段在300～400 ℃，可能由于保水材料分子中-COOH、-OH等的脫除離去以及-CONH2鍵的熱斷裂所致，質(zhì)量損失率在12.4%～13.9%之間；第三階段為400～500 ℃，該區(qū)域主要則主要是因為保水材料三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的裂解，大分子物質(zhì)向小分子轉(zhuǎn)化的過程，損失率26.0%～31.4%之間，隨后材料質(zhì)量變化趨于平穩(wěn)（圖3a）。DTG曲線可以看出保水材料的最大失重速率溫度在440～450 ℃（圖3b）。

圖2 保水材料的FTIR圖

2.2 保水材料吸水率

從表1可以看出，無論在去離子水還是0.9% NaCl溶液中，P(AA-AM)/SiO2復(fù)合保水材料的吸水率均顯著高于P(AA-AM)保水材料，其中去離子水中吸水率從341.9 g/g增加至861.9 g/g，0.9% NaCl溶液中吸水率從34.9 g/g增加至65.2 g/g，增幅分別為152%和87%。這可能是因為納米SiO2能修復(fù)和完善P(AA-AM)存在的網(wǎng)絡(luò)缺陷，從而增加基體材料的吸水率。

表1 保水材料吸水率

2.3 保水緩釋肥的性能

圖4為PCU和WRSRF的電鏡圖，從圖中可以看出，保水緩釋肥內(nèi)包膜層即PCU膜層較薄，厚度約為15m左右（圖4a），而外層保水層的厚度約為200m（圖4b），遠大于內(nèi)層緩釋層。

圖4 保水緩釋肥SEM圖

圖5是保水緩釋肥吸水前后的對比照片，可以看出，吸水后肥料體積明顯增大，主要原因是外層P(AA-AM)/SiO2保水層大量吸水膨脹，形成了較為穩(wěn)定的水凝膠。

圖5 保水緩釋肥吸水前后對比

保水材料對保水緩釋肥在土壤中的持水能力影響如圖6a所示，與PCU相比，WRSRF的持水率從36.1%提高到45.3%，增幅為25.5%，主要原因在于保水層具有較強的吸水能力。與土壤持水率類似，WRSRF在土壤中的保水能力上顯著高于PCU（圖6b），經(jīng)過25 d培養(yǎng)，前者的保水率較后者提高47.2%，肥料之間的這種差異性隨時間延長逐步擴大，說明P(AA-AM)/SiO2復(fù)合保水材料對阻止水分散失的效果比較理想。

從肥料的氮素釋放特征來看，2種緩釋肥的氮素釋放曲線近似S形曲線（圖7），初期溶出率差別不大，均低于1%，與PCU相比，WRSRF的釋放期（氮素累積釋放達80%所需時間）由60 d增至72 d，說明保水緩釋肥的緩釋性能主要由內(nèi)層聚合物膜層決定，外層保水層吸水膨脹后形成了水凝膠，可能對氮素釋放有一定遲滯，所以導(dǎo)致保水緩釋肥釋放期更長。

圖6 保水緩釋肥在土壤中的保水持水能力

圖7 保水緩釋肥的氮素釋放曲線

3 討 論

保水劑是以適度交聯(lián)產(chǎn)生具有彈性結(jié)構(gòu)的親水性聚合物網(wǎng)絡(luò)（圖8），其親水結(jié)構(gòu)使其三維網(wǎng)絡(luò)中可以容納大量的水[21]，保水劑在純水中可以吸收超過自身質(zhì)量上千倍的水分，在鹽水中吸水率則通常在10～100 g/g[22]。為了提升保水劑的性能，有機/無機復(fù)合保水劑已成為近年來的研究熱點[23-24]，包括納米復(fù)合保水材料[9,10,25]。本研究中，P(AA-AM)/SiO2復(fù)合材料較P(AA-AM)的吸水率大幅提升152%和87%（表1），可能原因是復(fù)合保水材料內(nèi)部形成了以納米SiO2為網(wǎng)格點的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖8），增大了保水的比表面積，從而提高了保水材料的吸水率。類似研究表明，在保水材料中加入無機礦物材料制成復(fù)合保水材料，無機礦物材料增加了復(fù)合材料的吸水網(wǎng)鏈或增加了聚合物網(wǎng)絡(luò)的吸水網(wǎng)點，從而增加了吸水率[9,24,26]。此外，納米SiO2的添加增加了保水材料的熱穩(wěn)定性，尤其是在400 ℃以前，這與相關(guān)研究的結(jié)果一致[25,27]。

在制備納米復(fù)合材料時，較難克服的問題是無機納米材料在有機相中的均勻分散[11]，Ghorai等[28]采用溶膠-凝膠法制備出PAM-g-黃原膠/納米SiO2納米復(fù)合材料，SiO2表面羥基與聚合物材料上的羧酸根/甲酰胺基通過氫鍵作用實現(xiàn)了納米級分散，未出現(xiàn)明顯團聚，復(fù)合材料顯著提高了對廢液中亞甲基藍和甲基紫的吸附能力。本研究通過超聲分散和水溶液聚合法制成了P(AA-AM)/SiO2納米復(fù)合保水材料，避免了納米SiO2在基體樹脂中的團聚（圖1b），可能原因是由于在原位聚合制備復(fù)合保水材料過程中，表面富含羥基的納米SiO2與P(AA-AM)上的羧酸基團和酰胺基團形成了較強的氫鍵作用，從而形成了額外的聚合網(wǎng)絡(luò)點（圖8），達到了均勻分散的效果[24]。

圖8 保水緩釋肥吸水溶脹過程及養(yǎng)分釋放過程

保水緩釋肥是具有保水和肥料緩釋特征的功能肥料，在常用保水緩釋肥的制備工藝中，核殼包覆式保水緩釋肥尤其是復(fù)式包膜利于提高保水和緩釋性能[29-30]，通常采用內(nèi)層緩釋和外層保水的方式制備雙層包膜保水緩釋肥[16,17,29]。本研究同樣采用雙層包膜工藝制備出復(fù)合保水緩釋肥，內(nèi)層為聚氨酯包膜實現(xiàn)氮素緩釋，外層為納米復(fù)合保水材料實現(xiàn)吸水保水（圖4）。制備的保水緩釋肥表現(xiàn)出較強的吸水保水能力（圖5和圖6），結(jié)果與相關(guān)研究一致[17,31]。此外，保水緩釋肥還具有良好的緩釋性能，與沒有保水層的緩釋肥相比，保水緩釋肥的肥料緩釋期延長了12 d（圖7），由于保水緩釋肥的養(yǎng)分經(jīng)過內(nèi)包膜層的釋放為擴散機制，依靠包膜內(nèi)外的滲透壓差，溶解的養(yǎng)分經(jīng)膜上微孔向膜外擴散[32]，對于采用雙層包膜的保水緩釋肥來說，因保水劑吸水膨脹后形成較厚實的凝膠（圖5），易將大量養(yǎng)分滯留在保水層中[31]，一方面抑制了養(yǎng)分向外擴散，另一方面也降低了內(nèi)包膜層內(nèi)外的滲透壓差，從而降低了養(yǎng)分釋放速率并增加了保水緩釋肥的緩釋性能[31,33]，王晶等[26]研究表明保水層對保水緩釋肥的釋放期幾乎沒有影響，其研究結(jié)果與本研究不一致的可能原因是其所制備肥料的保水層較薄，幾乎不會抑制從內(nèi)層擴散出的養(yǎng)分向外釋放。

綜上，本研究制備的P(AA-AM)/SiO2復(fù)合保水材料顯著提升了保水材料的吸水率，由此制備的復(fù)合保水緩釋肥表現(xiàn)出良好的保水和肥料緩釋性能，但由于檢測方法與實際田間條件有較大差異，且不同生態(tài)區(qū)土壤環(huán)境及作物的養(yǎng)分水分吸收特征差異較大，因此，為了加快兼具保水和緩釋特征的功能性肥料研發(fā)和應(yīng)用，今后需進一步開展針對實際作物生產(chǎn)條件的研究，特別是針對干旱地區(qū)緩解水分脅迫和提高作物養(yǎng)分利用效率的適宜保水層和緩釋層厚度研究。

4 結(jié) 論

1）采用水溶液法成功制備出聚（丙烯酸-丙烯酰胺）/二氧化硅P(AA-AM)/SiO2復(fù)合保水材料，納米SiO2在P(AA-AM)保水材料中分散均勻，且未對聚合物的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性得到顯著提升。與P(AA-AM)相比，復(fù)合保水材料在去離子水和0.9% NaCl溶液中的吸水率分別提高152%和87%。

2）采用雙層包膜工藝制備出P(AA-AM)/SiO2復(fù)合保水緩釋肥，與沒有保水層的緩釋肥相比，P(AA-AM)/SiO2復(fù)合保水緩釋肥在土壤中的持水率和保水率分別提高25.5%和47.2%，肥料緩釋期增加12 d。

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Preparation of P(AA-AM)/SiO2composite water-retaining material and its application in water-retaining slow-release fertilizer

Cao Bing1,2, Wang Meng3, Yang Kaijin3, Ni Xiaohui1,2, Wang Xuexia1,2, Zou Guoyuan1,2, Chen Yanhua1,2※

(1.,,100097,; 2.,100097,; 3.,,421001,)

Water and fertilizer are indispensable inputs to crop production in modern agriculture. Drought, water shortage and low efficient utilization of water have posed a great challenge on agricultural production and food security in China. New fertilizers with dual functions of water retention and slow release become significant to enhance the utilization efficiency of water, and thereby to ensure the sustainable development of agriculture. Therefore, previous studies on the new fertilizers have drawn much attention in water and fertilizer technology in recent years. This paper explores the preparation method of a novel water-retaining material that incorporated with nano-SiO2for the slow-release fertilizer with water retention properties. A P(AA-AM)/SiO2water-retaining composite was fabricated by in-situ polymerization in aqueous solution using acrylic acid (AA) and acrylamide (AM) as raw materials. A water-retaining slow-release fertilizer was then produced by the double-layer coating process. The mass ratio of acrylic acid (AA) and acrylamide (AM) was set as 3.5:1 to synthesize water-retaining materials. The initiator (potassium persulfate and sodium sulfite), crosslinking agent (N, N-methylenebisacrylamide), plasticizer (glycerol), and nano-SiO2were added by 1%, 0.04%, 15%, and 2% in monomer mass, respectively. A drum coating process was selected to prepare the water-retaining slow-releasing fertilizer, where the inner coating layer was made of polyurethane, with the mass ratio of coating materials to the inner core of 3%, whereas the outer coating layer was P(AA-AM)/SiO2water-retaining composite material, with a mass ratio to the core of 27%. Fourier Infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM) and thermogravimetry (TG) were used to characterize the microstructure, morphology and thermal stability of water-retaining materials. A filtration was selected to determine the water absorption of water-retaining material. Soil culture experiment was used to investigate the capacity of water-retaining and water-holding in the fabricated fertilizer. A water immersion method was utilized to explore nitrogen release properties of fertilizer at the temperature of 25℃. The results showed that the water absorption rates of composite materials with nano-SiO2in deionized water and 0.9% NaCl aqueous solution were 152% and 87% higher than those of only P(AA-AM) materials, while the thermal stability was also significantly improved. SEM images and FTIR analysis indicated that nanoparticles of SiO2were evenly dispersed into the P(AA-AM) composites, while the silicon hydroxyl groups on the surface of SiO2increased the cross-linking density of water-retaining materials. Compared with the slow-release fertilizer without water-retaining layer, the water absorption rate and retention rate of slow-release fertilizer with water-retaining layer (after 25 days of incubation) increased by 25.5% and 47.2%, respectively, indicating the releasing duration of fertilizer was extended from 60 days to 72 days. The preparation method of water-retaining composite material that incorporated with nano-SiO2and water-retaining slow-release fertilizers can provide excellent properties of water absorption and retaining, as well a high performance of slow release in soil. A mechanism of water-retaining was proposed to clarify the slow release of nutrients in the water-retaining material and water-retaining slow-release fertilizers. The findings can offer new insights into high efficiency fertilizers to enhance the utilization efficiency of water and fertilizers.

fertilizers; water absorption; water-retaining material; SiO2; water-retaining slow-release fertilizer; release duration

曹兵，王孟，楊凱勁，等. P(AA-AM)/SiO2復(fù)合保水材料的制備及其在保水緩釋肥中應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(14)：167-173.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.020 http://www.tcsae.org

Cao Bing, Wang Meng, Yang Kaijin, et al. Preparation of P(AA-AM)/SiO2composite water-retaining material and its application in water-retaining slow-release fertilizer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(14): 167-173. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.020 http://www.tcsae.org

2020-03-31

2020-07-07

國家重點研發(fā)計劃（2017YFD0200705）；北京市農(nóng)林科學(xué)院創(chuàng)新能力建設(shè)專項（KJCX20190302，KJCX20180704）

曹兵，博士，副研究員，主要從事新型肥料研究。Email：609284507@qq.com

陳延華，助理研究員，主要從事新型肥料的研發(fā)。Email：yhchen55@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.020

S275.5

A

1002-6819(2020)-14-0167-07