一种保水型高分子缓释氮钾肥及其制备方法

摘要

本发明涉及保水型缓/控释肥领域，具体是一种保水型高分子缓释氮钾肥及其制备方法，其步骤为：（1）在反应容器中加入氢氧化钾溶液和丙烯酸，冰浴中搅拌至混合均匀；随后加入尿素，搅拌至尿素完全溶解；再加入引发剂过硫酸钾，搅拌至过硫酸钾完全溶解；后加入交联剂N,Nˊ-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌至交联剂完全溶解，继续搅拌30min，至溶液混合均匀；（2）混合均匀的溶液密封，于25~75℃下反应2~6.5h后，造粒，干燥即可得保水型高分子缓释氮钾肥。本发明所述的制备方法为溶液聚合法，工艺简单易操作，所制保水型高分子缓释氮钾肥是化学合成型保水缓释肥，可弥补包膜型保水缓释肥的养分释放受到包膜材料限制且工艺复杂等缺陷。

说明书

技术领域

本发明涉及保水型缓/控释肥领域，具体是一种保水型高分子缓释氮钾肥及其制备方法。

背景技术

农业是国民经济的基础，我国是一个农业大国，肥料利用率低导致的资源浪费、环境污染以及干旱缺水是制约我国农业发展众多因素中的两大主要因素。近年来，为促进水、肥一体化，提高水肥生产效率，将保水剂的保水功能、缓释技术与肥料一体化，研发保水型缓/控释肥是解决生产实际问题以及肥料革新的国内外研究热点。

然而，目前文献报道的保水型缓释肥主要为包膜型，其工艺研究较落后，成本高，较难产业化生产和推广，且养分含量和养分的释放受到包膜材料的影响。

发明内容

本发明为了解决目前国内外保水型缓释肥工艺研究领域较落后的问题，提供了一种保水型高分子缓释氮钾肥，其是一种具有网络结构的大分子聚合物，该聚合物的大分子链上含有大量的吸水基团-COOH和-NH₂，因此具有优异的吸水性能，并且该聚合物可以通过分子链断裂将肥料养分释放出来，具有良好的养分缓控释性能。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种保水型高分子缓释氮钾肥，其结构式为：

该保水型高分子缓释氮钾肥其中氮、钾两种营养元素以及-COOH、-NH₂两种吸水性基团在同一高分子链上，并且相邻高分子链之间形成三维网络结构。其反应方程式为：

进一步，本发明提供了该保水型高分子缓释氮钾肥的制备方法，其步骤为：

(1)在反应容器中加入氢氧化钾溶液和丙烯酸，冰浴中搅拌至混合均匀；随后加入尿素，搅拌至尿素完全溶解；再加入引发剂过硫酸钾，搅拌至过硫酸钾完全溶解；后加入交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌至交联剂完全溶解，继续搅拌30min，至溶液混合均匀；

(2)混合均匀的溶液密封，于25～75℃下反应2～6.5h后，造粒，干燥即可得保水型高分子缓释氮钾肥。

本发明所述的制备方法，采用的是溶液聚合的方法将小分子物质尿素与丙烯酸反应生成具有网络结构的大分子聚合物，简化了生产工艺、降低了成本。

上述制备方法中所述的冰浴温度为0～5℃。具体应用时，采用的氢氧化钾溶液中氢氧化钾的质量分数为20％，所用物料的搅拌时间均为15～30min。

另外，所述氢氧化钾和丙烯酸的摩尔比为0.75～1.2:1，所述尿素与丙烯酸的摩尔比为0.4～1.8:1，优化的氢氧化钾、尿素和丙烯酸的摩尔比为0.95:1:1。

进一步，引发剂过硫酸钾的质量为丙烯酸质量的0.5～5％，优化的引发剂过硫酸钾的质量为丙烯酸质量的1.5％。

本发明中所述交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的质量为丙烯酸质量的0.005～0.08％。但参见图1，由图可知当交联剂的用量为丙烯酸质量的0.01％时，肥料的吸水倍率最高；当交联剂的用量大于丙烯酸质量的0.01％时，肥料的吸水倍率逐渐减小。这是由于随着交联剂用量的增加，交联密度增加，使高分子链段运动受到的阻力增大，交联网络扩张受阻，宏观表现为肥料颗粒的膨胀率较小。当交联剂的用量小于丙烯酸质量的0.01％时，肥料颗粒(树脂)具有膨润性，不具有吸水树脂的特性，增加了肥料的可溶部分，吸水后失去强度。因此，优化的交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的质量为丙烯酸质量的0.01％。

还有本发明所述制备方法中，步骤(2)中优化的反应温度为45℃，反应时间为4h。

本发明所述的保水型高分子缓释氮钾肥与现有包膜型保水缓释肥相比，具有如下有益效果：

Ⅰ.本发明所述的制备方法为溶液聚合法，工艺简单易操作，所制保水型高分子缓释氮钾肥是化学合成型保水缓释肥，可以弥补包膜型保水缓释肥的养分释放受到包膜材料限制且工艺复杂等缺陷；

Ⅱ.本发明所述的保水型高分子缓释氮钾肥仅以氢氧化钾、丙烯酸和尿素为原料，原料廉价易得，避免了包膜材料复杂的预处理过程，生产成本低，且含氮、钾量高；

Ⅲ.本发明制备的聚合物分子链上含有大量的吸水基团-COOH和-NH₂，具有良好的吸水性能，在去离子水中的吸水倍率高达900g.g^-1以上，在雨水中的吸水倍率达到600g.g^-1以上，具有良好的应用前景；

Ⅳ.本发明所述的保水型高分子缓释氮钾肥分子中的氮、钾两种营养元素通过化学键牢固地连接在高分子网络结构上，通过分子链断裂将肥料养分释放出来，具有优异的养分缓控释性能，可降低淋溶损失，大幅度提高化肥养分的利用率；

Ⅴ.本发明所述的高分子缓释氮钾肥施入土壤后，在土壤微生物的作用下逐步水解、降解为小分子营养物质，不断被植物吸收，既不会产生烧苗现象，也不会给土壤留下不能被吸收的有害物质，是一种符合绿色环保要求的新型化肥。

附图说明

图1为本发明所述保水型高分子缓释氮钾肥的吸水倍率与交联剂用量的关系。

具体实施方式

本发明中采用的评价指标以及测试方法如下：

采用分光光度法测定化肥的全氮含量，采用火焰光度法测定化肥的全钾含量。

吸水倍率的测试：将0.10g保水型高分子缓释氮钾肥放入到装有100mL蒸馏水的培养瓶中，封口后于25℃的恒温恒湿培养箱中培养。24h后，过滤，称重，用公式Q(g.g^-1)＝(W₂-W₁)/W₁计算肥料的吸水倍率。

实施例1

一种保水型高分子缓释氮钾肥的制备方法，其步骤为：

(1)在反应容器中加入氢氧化钾溶液和丙烯酸(氢氧化钾的质量分数为20％，氢氧化钾和丙烯酸的摩尔比为1:1)，冰浴中搅拌15min至混合均匀；随后加入与丙烯酸的摩尔比为1.8:1的尿素，搅拌20min至尿素完全溶解；再加入为丙烯酸质量的0.5％的引发剂过硫酸钾，搅拌30min至过硫酸钾完全溶解；后加入为丙烯酸质量的0.02％的交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌20min至交联剂完全溶解，继续搅拌30min，至溶液混合均匀；

(2)混合均匀的溶液密封，于75℃下反应2h后，造粒，干燥即可得保水型高分子缓释氮钾肥，该氮钾肥中氮含量为28.32％，钾含量为11.67％，在去离子水中吸水倍率为153.68g.g^-1，在雨水中吸水倍率为35.31g.g^-1。

实施例2

一种保水型高分子缓释氮钾肥的制备方法，其步骤为：

(1)在反应容器中加入氢氧化钾溶液和丙烯酸(氢氧化钾的质量分数为20％，氢氧化钾和丙烯酸的摩尔比为0.85:1)，冰浴中搅拌30min至混合均匀；随后加入与丙烯酸的摩尔比为0.8:1的尿素，搅拌15min至尿素完全溶解；再加入为丙烯酸质量的2.5％的引发剂过硫酸钾，搅拌15min至过硫酸钾完全溶解；后加入为丙烯酸质量的0.01％的交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌20min至交联剂完全溶解，继续搅拌30min，至溶液混合均匀；

(2)混合均匀的溶液密封，于45℃下反应4h后，造粒，干燥即可得保水型高分子缓释氮钾肥，该氮钾肥中氮含量为16.82％，钾含量为9.33％，在去离子水中吸水倍率为617.30g.g^-1，在雨水中吸水倍率为456.82g.g^-1。

实施例3

一种保水型高分子缓释氮钾肥的制备方法，其步骤为：

(1)在反应容器中加入氢氧化钾溶液和丙烯酸(氢氧化钾的质量分数为20％，氢氧化钾和丙烯酸的摩尔比为0.95:1)，冰浴中搅拌20min至混合均匀；随后加入与丙烯酸的摩尔比为1:1的尿素，搅拌20min至尿素完全溶解；再加入为丙烯酸质量的2.5％的引发剂过硫酸钾，搅拌20min至过硫酸钾完全溶解；后加入为丙烯酸质量的0.01％的交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌15min至交联剂完全溶解，继续搅拌30min，至溶液混合均匀；

(2)混合均匀的溶液密封，于45℃下反应4h后，造粒，干燥即可得保水型高分子缓释氮钾肥，该氮钾肥中氮含量为21.25％，钾含量为11.00％，在去离子水中吸水倍率为900.07g.g^-1，在雨水中吸水倍率为721.89g.g^-1。

实施例4

一种保水型高分子缓释氮钾肥的制备方法，其步骤为：

(1)在反应容器中加入氢氧化钾溶液和丙烯酸(氢氧化钾的质量分数为20％，氢氧化钾和丙烯酸的摩尔比为0.75:1)，冰浴中搅拌20min至混合均匀；随后加入与丙烯酸的摩尔比为0.4:1的尿素，搅拌30min至尿素完全溶解；再加入为丙烯酸质量的1.5％的引发剂过硫酸钾，搅拌20min至过硫酸钾完全溶解；后加入为丙烯酸质量的0.04％的交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌30min至交联剂完全溶解，继续搅拌30min，至溶液混合均匀；

(2)混合均匀的溶液密封，于45℃下反应4h后，造粒，干燥即可得保水型高分子缓释氮钾肥，该氮钾肥中氮含量为11.68％，钾含量为8.67％，在去离子水中吸水倍率为472.38g.g^-1，在雨水中吸水倍率为305.92g.g^-1。

实施例5

一种保水型高分子缓释氮钾肥的制备方法，其步骤为：

(1)在反应容器中加入氢氧化钾溶液和丙烯酸(氢氧化钾的质量分数为20％，氢氧化钾和丙烯酸的摩尔比为0.95:1)，冰浴中搅拌25min至混合均匀；随后加入与丙烯酸的摩尔比为1.1:1的尿素，搅拌20min至尿素完全溶解；再加入为丙烯酸质量的5％的引发剂过硫酸钾，搅拌20min至过硫酸钾完全溶解；后加入为丙烯酸质量的0.08％的交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌20min至交联剂完全溶解，继续搅拌30min，至溶液混合均匀；

(2)混合均匀的溶液密封，于25℃下反应6.5h后，造粒，干燥即可得保水型高分子缓释氮钾肥，该氮钾肥中氮含量为22.43％，钾含量为11.33％，在去离子水中吸水倍率为348.45g.g^-1，在雨水中吸水倍率为201.94g.g^-1。

实施例6

一种保水型高分子缓释氮钾肥的制备方法，其步骤为：

(1)在反应容器中加入氢氧化钾溶液和丙烯酸(氢氧化钾的质量分数为20％，氢氧化钾和丙烯酸的摩尔比为1.2:1)，冰浴中搅拌20min至混合均匀；随后加入与丙烯酸的摩尔比为1.5:1的尿素，搅拌25min至尿素完全溶解；再加入为丙烯酸质量的2％的引发剂过硫酸钾，搅拌20min至过硫酸钾完全溶解；后加入为丙烯酸质量的0.005％的交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌20min至交联剂完全溶解，继续搅拌30min，至溶液混合均匀；

(2)混合均匀的溶液密封，于45℃下反应4h后，造粒，干燥即可得保水型高分子缓释氮钾肥，该氮钾肥中氮含量为27.61％，钾含量为12.00％，在去离子水中吸水倍率为412.03g.g^-1，在雨水中吸水倍率为235.62g.g^-1。

实施例7至12

表1实施例7至12各物料的使用参数以及所得氮钾肥性能对比

上述实施例中的其他工艺参数均为相同的工艺参数：氢氧化钾溶液中氢氧化钾的质量分数为20％，所用物料的搅拌时间均20min，步骤(2)中反应温度为45℃，反应时间为4h。