聚氨酯在緩釋尿素中的應(yīng)用

李 強，李怡靖，孟慶羽

（1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 泰安 271018；2. 山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司，山東 泰安 271600）

緩釋肥料能夠有效提高肥料利用率，減輕施肥對環(huán)境的影響，同時某些精心設(shè)計的緩釋肥料養(yǎng)分釋放曲線貼合植物的營養(yǎng)需求曲線，完美滿足植物生長的養(yǎng)分需求，從而達(dá)到保持甚至提高作物產(chǎn)量的目的。因為這個特點，施用緩釋肥料可以減少化肥的施用量，不僅減少了養(yǎng)分的氣態(tài)和淋溶損失，而且能夠?qū)崿F(xiàn)一次性施肥，節(jié)省勞動力，降低成本［1］。

聚氨酯（PU）因為其理想的機(jī)械性能和相對較低的成本，在緩釋肥料中得到了廣泛應(yīng)用。筆者介紹緩釋肥料分類、聚氨酯材料的發(fā)展及其在緩釋尿素中的應(yīng)用。

1 緩釋肥料簡介

一般來說，緩釋肥料是指施用后，部分營養(yǎng)物質(zhì)緩慢釋放，緩慢被作物吸收與利用的肥料，比速效肥肥效更長［2］。

緩釋肥料品種多樣，在分類上也有所差異。通常，可以按照以下標(biāo)準(zhǔn)分類：根據(jù)緩釋原理劃分，根據(jù)溶解性釋放方式劃分，根據(jù)養(yǎng)分釋放控制方式劃分，根據(jù)生產(chǎn)工藝和肥料性質(zhì)劃分，根據(jù)化學(xué)組成劃分［3-5］。其中，根據(jù)緩釋原理劃分更易于理解，包含物理型、化學(xué)型和混合型。物理型是指采用物理手段（如包膜）減緩養(yǎng)分釋放；化學(xué)型是指添加化學(xué)物質(zhì)減緩養(yǎng)分釋放；混合型則是采用兩種手段達(dá)到減緩養(yǎng)分釋放的目的。

物理型包含有機(jī)包膜（熱固性材料包膜、熱塑性材料包膜、蠟包膜等）緩釋肥料、無機(jī)包膜（硫包膜、金屬氧化物和金屬鹽包膜等）緩釋肥料、基質(zhì)型緩釋肥料（營養(yǎng)吸附型、擴(kuò)散控制型）?；瘜W(xué)型分化學(xué)結(jié)合型與化學(xué)抑制型兩類?；旌闲洼^為綜合，一般采取添加化學(xué)制劑并包膜［6-8］。

包膜有助于實現(xiàn)可控的、長時間的養(yǎng)分釋放。因此，涂層材料的特性對于實現(xiàn)養(yǎng)分的延遲或控制釋放非常重要［9］。其中，聚氨酯包膜就屬于有機(jī)包膜中的熱固性樹脂包膜，聚氨酯材料優(yōu)異的延展性和穩(wěn)定性為其在緩釋尿素上的應(yīng)用提供了優(yōu)勢。緩釋肥中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～4%的聚氨酯，便可達(dá)到良好的緩釋效果，且因添加量少，附加成本相對較低，可為生產(chǎn)者帶來利潤。同時，還能減輕肥料的結(jié)塊問題，并且相對提高肥料顆粒的硬度，為肥料的儲存、運輸提供了一定的便利。

2 聚氨酯的發(fā)展及現(xiàn)狀

聚氨酯是由多元異氰酸酯與聚酯（或聚醚）多元醇通過交聯(lián)反應(yīng)，生成的一種含有氨基甲酸酯基團(tuán)的有機(jī)高分子材料，全稱為聚氨基甲酸酯。

1937 年，德國化學(xué)家奧托·拜耳及其同事應(yīng)用加成聚合原理首次研制出聚氨酯，拜耳也因此被稱為聚氨酯工業(yè)奠基人。美國于20 世紀(jì)50 年代初率先利用環(huán)氧丙烷和環(huán)氧乙烷共聚醚與甲苯二異氰酸酯合成了聚氨酯軟泡塑料，這是聚氨酯發(fā)展史上一個重要轉(zhuǎn)折點，將從煤炭中提取原料，轉(zhuǎn)變?yōu)閺氖椭刑崛≡牧?，降低了聚氨酯的生產(chǎn)成本，為其大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。此后，聚氨酯衍生產(chǎn)品更加多樣化，可作為熱塑性材料、彈性體、涂料、膠粘劑或泡沫塑料使用，廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)、汽車工業(yè)、航空工業(yè)、食品包裝業(yè)、紡織行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)等。聚氨酯已經(jīng)成為一種不可或缺的合成樹脂產(chǎn)品，全世界對包括熱塑性聚氨酯在內(nèi)的聚氨酯的需求不斷增長。

我國聚氨酯行業(yè)也蓬勃發(fā)展，消費量和產(chǎn)量都有了巨大的提升。但聚氨酯生產(chǎn)依賴于石油原料，隨著社會進(jìn)步和環(huán)保要求的提高，出臺的國家環(huán)保法規(guī)更加嚴(yán)格，對聚氨酯的發(fā)展同樣提出了新的要求。對環(huán)境問題和石油供應(yīng)的日益關(guān)注推動了從可再生原料中開發(fā)聚氨酯生產(chǎn)原料，聚氨酯也須符合“三個前提”（資源、能源和無污染）以及“4E 原則”（經(jīng)濟(jì)、效率、生態(tài)和能源）。目前生物基聚氨酯備受矚目，可降解的生物基聚氨酯或?qū)⒊蔀檠芯繜狳c。

3 聚氨酯緩釋尿素發(fā)展

尿素因其高氮含量（w（N）46%）和低成本而被廣泛地作為氮肥使用，用量大，效果相對較好，其緩釋作用一直是研究者關(guān)注的焦點。美國最早于1961年成功研制出硫包膜尿素（Sulfur coated urea）。日本后來居上，于20世紀(jì)60年代研制有機(jī)包膜肥料，成功制備出聚烯烴類包膜緩釋尿素，開創(chuàng)了有機(jī)樹脂包膜緩釋肥料研究和生產(chǎn)的先河。此后聚氨酯才慢慢被應(yīng)用于緩釋尿素領(lǐng)域。聚氨酯類緩釋肥料能長期維持營養(yǎng)供應(yīng)，提高肥料利用率，減少施用頻率，可一次性施用，降低勞動強度，便于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化。但由于聚氨酯本身性能穩(wěn)定，殘留的聚氨酯殼在土壤中很難降解，可能是潛在的污染，對土壤環(huán)境有害。通過對聚氨酯進(jìn)行改性達(dá)到降解目的是目前聚氨酯包膜緩釋尿素研究的一個熱點［10］。此外，目前聚氨酯原料來自于不可再生資源——石油。因此，越來越多的研究者考慮研發(fā)生物基聚氨酯包膜材料，嘗試制作生物基可降解的聚氨酯包膜尿素，并且取得了一定進(jìn)展［11］。目前已經(jīng)有研究者用植物油、液化木質(zhì)素、軟木、咖啡渣、淀粉、大豆秸稈、甜菜漿等作為原料合成聚氨酯，并將它們用于包膜尿素［12］。

LIANG D S等利用蓖麻油制備釋放周期超長的聚氨酯包膜尿素［13］；YANG Y C 等分別用木質(zhì)素、刺槐木、玉米秸稈、雞毛粉等制備了聚氨酯包膜尿素，并且大田試驗效果顯著［14-15］。目前成本和批量生產(chǎn)限制著生物基聚氨酯緩釋尿素的發(fā)展，但隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)工藝流程改進(jìn)，生物基聚氨酯緩釋尿素工業(yè)化指日可待。

目前，研究者已經(jīng)不滿足于性質(zhì)單一的生物降解聚氨酯緩釋肥料，將目光轉(zhuǎn)向功能化緩釋肥料的研究，例如表面超疏水的聚氨酯包膜緩釋肥料，溫敏型緩釋肥料等。

4 聚氨酯緩釋尿素的應(yīng)用

聚氨酯包膜緩釋尿素（PCRU）的研究相對成熟，并且有著優(yōu)異的緩釋效果。近年來，一些涂有聚氨酯、可降解聚合物和水性聚合物的緩釋肥料得到了廣泛應(yīng)用。

LI P F 等研究比較了不同PCRU 對我國南方雙季水稻種植系統(tǒng)中N損失和N吸收的影響，結(jié)果表明，PCRU 可減少通過揮發(fā)和地表徑流造成的氮損失，同時保持水稻產(chǎn)量和氮吸收量，與尿素相比，在我國南方水稻雙季種植制度下，氮肥利用率也有所提高［16］。

YE H M等評價了PCRU對玉米幼苗生長的促進(jìn)作用，結(jié)果表明，施用普通尿素的玉米5周齡幼苗的生長指標(biāo)與施用PCRU玉米有明顯差異；PCRU顯著促進(jìn)玉米生長，并且玉米株高、鮮質(zhì)量顯著增加，表明PCRU 中氮營養(yǎng)的利用優(yōu)于純尿素［17］。BORTOLETTO-SANTOS等探究了PCRU對壤土玉米田氧化亞氮排放的影響，證實PCRU有效減少了氧化亞氮的排放[18]。

山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所張玉鳳等研究了PCRU 對小麥的影響，實驗結(jié)果表明，一次性施用PCRU，小麥總產(chǎn)量、氮肥表觀利用率均高于習(xí)慣施肥處理；四季作物的總經(jīng)濟(jì)效益增加，并且土層保留的氮素量也有所增加［19］。

中化化肥有限公司朱志鋒等探究了不同類型緩控釋肥對小麥產(chǎn)量的影響，證實PCRU相對普通尿素對小麥產(chǎn)量提高有更大促進(jìn)作用［20］。

眾多研究者的研究結(jié)果證實，PCRU 不論是在減少氮的流失還是在提高作物產(chǎn)量上，都有優(yōu)異的表現(xiàn)。

5 結(jié)語

采用聚氨酯制備的緩釋尿素，在實際使用中取得良好的效果，能夠有效減少氮流失，增加部分作物產(chǎn)量。但聚氨酯化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，會出現(xiàn)殘留的情況，造成環(huán)境問題，并且以石油為原料限制了聚氨酯的發(fā)展?？稍偕?、可降解的生物基聚氨酯緩釋尿素具有廣泛應(yīng)用空間和發(fā)展前景。