一种苯丙乳液包膜肥料及养分透过性能测试方法的研究

程　博，韩效钊，沈延彬，张　旭（合肥工业大学化学与化工学院，安徽合肥230009）

一种苯丙乳液包膜肥料及养分透过性能测试方法的研究

程博，韩效钊，沈延彬，张旭
（合肥工业大学化学与化工学院，安徽合肥230009）

摘要：使用一种苯丙乳液作为包膜材料，分别采用水浸泡法实验和膜透过性实验对膜和包膜肥料进行表征。实验结果表明：包膜肥料氮素养分释放曲线的“恒释期”符合线性关系，膜对于氮素的透过性能也有很好的线性关系；包膜量为7.2%～13.5%的包膜肥料的初期养分释放率和28天累积养分释放率均达到国家标准要求。

关键词：苯丙乳液；透过性能；氮素释放特性；包膜

包膜肥料（CCRFs）是以氮或氮磷钾复合肥等为核心，表面涂覆一层或多层低水溶性或微溶性的无机物质或有机聚合物的颗粒性肥料[1-2]。

目前，用于评价缓释/控释包膜肥料养分释放特性的方法主要有:水中溶出率法（也称水浸泡法）[3]、土壤溶出率法（也称土壤培养法）[4]、扩散或渗透率法[5]、电超滤法[6]和同位素法[7]。然而，以上方法在应用中都有一定的缺点和问题[8]。包膜肥料养分释放特性影响因素有很多种，包膜材料的不同组成和性质是释放控制机理不同的主要因素[9]。本文使用由苯乙烯和丙烯酸酯单体经乳液共聚而制得的苯丙乳液为包膜材料，通过膜透过实验和水浸泡法实验对膜材料透过性能进行评价，同时探讨渗透性能快速表征的方法。

1　材料与方法

1.1膜材料

包膜材料是由苯乙烯和丙烯酸酯单体经乳液共聚而得的苯丙乳液（液态，溶剂为水）。

1.2水浸泡法包膜肥料养分透过实验

试验选用1.1中的苯丙乳液作为包膜材料，制得5种不同包膜量的包膜肥料，包膜量分别为3.1%、4.9%、7.2%、10.1%、13.5%。养分溶出测试方法如下：准确称取样品10g（称准至0.01g），装入到自制的方形尼龙袋中，再放入250mL试剂瓶中，按照1∶20的肥水比向试剂瓶中加入蒸馏水，加盖密封，置于25℃下培养。分别于第1、3、5、7、10、14、28、42、56天取样。取样时将试剂瓶上下颠倒三次，使瓶内溶出的养分均匀分布在液体中，然后将浸提液倒出，再向原试剂瓶中加入200mL提前预热好的恒温蒸馏水，密封保存，放于25℃下继续培养[10]。

1.3膜透过性能实验

将制得的膜固定于特制的连通器（如图1）中，在左侧加入100mL含不同药品的溶液，右侧加入同等高度的蒸馏水，在室温条件下，测量氮素的累积透过量。

图1　膜透过实验测试装置

1.4分析测试及计算方法

采用PDAB比色法测量氮素的含量[11]。

2　结果与讨论

2.1水浸泡法包膜肥料养分透过性能

1.2.2.4 重视沟通。急诊患者病情复杂、进展快，急诊科护士应加强与患者、家属的沟通，时刻注意患者及家属的表情及行为，讲解护理及治疗期间注意事项及必要性，规范沟通语言，避免出现护患纠纷。

采用水浸泡法对包膜肥料膜性能进行表征，所得氮素的累积溶出率随时间变化如图2所示。

图2　25℃水浸泡法氮素累积溶出率曲线

从图2可以看出，包膜量为3.1%和4.9%的肥料养分初期释放率分别为37.84%、19.46%，均大于15%，产品不符合标准要求，这可能是因为膜材料用量不够，肥料表面包膜效果差，存在孔洞，导致养分透过速度过快[12]。而包膜量为7.2%、10.1%、13.5%的肥料养分初期释放率分别为4.69%、1.04%、0.82%，均小于15%；28d累积释放率分别达到32.1%、26.26%、14.91%，均小于80%，产品符合GB/T23348- 2009缓释肥料国家标准规定。

水浸泡法实验选用的包膜肥料的平均直径为4.525mm，单次肥料用量为10g，通过计算，可以得出水浸泡法实验氮素的单位面积累积透过量随时间变化结果，如图3所示。Zaidei和Shaviv[13-14]认为聚合物包膜肥料养分主要在“恒释期”释放出来，衰减期只释放很少部分养分，而滞后期则不释放或者释放很少的养分。从图2可以看出，包膜量为7.2%、10.1%、13.5%的三种肥料进入“恒释期”的时间为10天，养分释放进入“恒释期”后，因其养分释放量呈线性增长，可以用线性回归方程（Y=a+bx）来描述养分的单位面积累积释放量与浸提时间的关系。拟合结果分别如图4、图5、图6所示。

图3　不同包膜量氮素累积释放量曲线

图4　包膜量7.2%恒释期氮素累积释放量拟合曲线

图5　包膜量10.1%恒释期氮素累积释放量拟合曲线

图6　包膜量13.5%恒释期氮素累积释放量拟合曲线

从拟合结果可以看出，这三种包膜肥料“恒释期”养分释放曲线符合线性关系，其相关系数分别为0.99688、0.99799、0.99592，表明该包膜肥料氮素养分释放具有良好的规律性，因此，可以采用模型膜透过性能快速表征来预测包膜肥料养分释放效果。

2.2模型膜透过性能探究

由图2可知，包膜量为7.2%～13.5%的包膜肥料的初期养分释放率和28天累积养分释放率均达到要求，但是，包膜量越多，成本就越高，因此，在模型膜透过实验选取包膜量为7.2%的膜厚（150μm），实验按照1.3进行，结果如图7所示。

图7　150μm膜厚氮素累积透过量拟合曲线

图7直线方程和线性相关系数分别为：Y=2.95286x - 3.04857，r=0.98627。模型膜快速透过实验与包膜肥料水浸泡法实验结果都具有良好的线性关系，因此，可以建立两者的相关性方程，以加快测试速度。

水浸泡法实验：Y1=0.35292x1+4.50655（1）

膜透过实验：Y2=2.95286x2- 3.04857（2）

当两种实验达到相同的单位面积累积透过量时，两者的时间关系如下：

0.35292x1+4.50655=2.95286x2- 3.04857

整理得x2=0.11952x1+2.55858（3）

方程（3）是水浸泡法实验和膜透过实验氮素单位面积累积透过量达到相同时两者之间的时间关系，即：对于150μm厚的膜，当模型膜透4天的透过量为8.76μg/mm2，由（3）可以得出，相当于水浸泡法12天的透过量。

3　结论

（1）由苯乙烯和丙烯酸酯单体经乳液共聚而得的苯丙乳液材料能很好地用在包膜肥料上。其中，包膜量为7.2%～13.5%的包膜肥料的初期养分释放率和28天累积养分释放率均符合GB/T23348- 2009要求。

（2）可以用线性回归方程（Y=a+bx）描述养分的单位面积累积释放量与浸提时间的关系，特别是肥料进入“恒释期”后，即水分透过膜材料进入肥芯后，养分迅速溶解达到饱和并维持膜内养分浓度恒定而使膜内养分均匀向外释放阶段，这样就能更好地进行包膜肥料控释理论的研究。

（3）通过对水浸泡法实验和膜透过实验结果相关性方程进行比较，膜透过实验对膜材料的透过性能表征更加快捷方便。

参考文献

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doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2015.05.011

中图分类号：TQ440.2

文献标识码：A

文章编号：1008- 553X（2015）05- 0037- 03

收稿日期：2015- 04- 07

作者简介：程博（1990-），男，在读研究生，研究方向：化工工艺及自动化，15955159532，chengbo3153@126.com；通讯联系人：韩效钊，男，教授，0551- 62905769，hxzhgd@sina.com。

The Research of Testing Methodology of One kind of Styrene-Acrylic Emulsion Coated Fertilizer and Its Nutrient Properties

CHENG Bo，HAN Xiao-zhao，SHEN Yan-bin，ZHANG Xu
（School of Chemical Engineering，Hefei Universityof Technology，Hefei 230009，China）

Abstract:Using one kind of styrene- acrylate emulsion as enveloped material. Characterization of the membrane and its enveloped fertilizer was made respectively from its permeability and lixiviating method. The results showed that“Constant release period”of N of coated fertilizer was in accordance with a linear relationship. The facts was that membrane to N's permeability was also in accordance with a good linear relationship. When the envelope amount was 7.2% to 13.5%，the early nutrient release rate ofthe coated fertilizer and its 28 days' cumulative nutrient release rate all reached national standards.

Key words:styrene- acrylate emulsion；permeability；nitrogen release property；coate membrane