聚氨酯在缓释尿素中的应用

李 强，李怡靖，孟庆羽

（1. 山东农业大学，山东 泰安 271018；2. 山东农大肥业科技有限公司，山东 泰安 271600）

缓释肥料能够有效提高肥料利用率，减轻施肥对环境的影响，同时某些精心设计的缓释肥料养分释放曲线贴合植物的营养需求曲线，完美满足植物生长的养分需求，从而达到保持甚至提高作物产量的目的。因为这个特点，施用缓释肥料可以减少化肥的施用量，不仅减少了养分的气态和淋溶损失，而且能够实现一次性施肥，节省劳动力，降低成本［1］。

聚氨酯（PU）因为其理想的机械性能和相对较低的成本，在缓释肥料中得到了广泛应用。笔者介绍缓释肥料分类、聚氨酯材料的发展及其在缓释尿素中的应用。

1 缓释肥料简介

一般来说，缓释肥料是指施用后，部分营养物质缓慢释放，缓慢被作物吸收与利用的肥料，比速效肥肥效更长［2］。

缓释肥料品种多样，在分类上也有所差异。通常，可以按照以下标准分类：根据缓释原理划分，根据溶解性释放方式划分，根据养分释放控制方式划分，根据生产工艺和肥料性质划分，根据化学组成划分［3-5］。其中，根据缓释原理划分更易于理解，包含物理型、化学型和混合型。物理型是指采用物理手段（如包膜）减缓养分释放；化学型是指添加化学物质减缓养分释放；混合型则是采用两种手段达到减缓养分释放的目的。

物理型包含有机包膜（热固性材料包膜、热塑性材料包膜、蜡包膜等）缓释肥料、无机包膜（硫包膜、金属氧化物和金属盐包膜等）缓释肥料、基质型缓释肥料（营养吸附型、扩散控制型）。化学型分化学结合型与化学抑制型两类。混合型较为综合，一般采取添加化学制剂并包膜［6-8］。

包膜有助于实现可控的、长时间的养分释放。因此，涂层材料的特性对于实现养分的延迟或控制释放非常重要［9］。其中，聚氨酯包膜就属于有机包膜中的热固性树脂包膜，聚氨酯材料优异的延展性和稳定性为其在缓释尿素上的应用提供了优势。缓释肥中添加质量分数1%～4%的聚氨酯，便可达到良好的缓释效果，且因添加量少，附加成本相对较低，可为生产者带来利润。同时，还能减轻肥料的结块问题，并且相对提高肥料颗粒的硬度，为肥料的储存、运输提供了一定的便利。

2 聚氨酯的发展及现状

聚氨酯是由多元异氰酸酯与聚酯（或聚醚）多元醇通过交联反应，生成的一种含有氨基甲酸酯基团的有机高分子材料，全称为聚氨基甲酸酯。

1937 年，德国化学家奥托·拜耳及其同事应用加成聚合原理首次研制出聚氨酯，拜耳也因此被称为聚氨酯工业奠基人。美国于20 世纪50 年代初率先利用环氧丙烷和环氧乙烷共聚醚与甲苯二异氰酸酯合成了聚氨酯软泡塑料，这是聚氨酯发展史上一个重要转折点，将从煤炭中提取原料，转变为从石油中提取原材料，降低了聚氨酯的生产成本，为其大规模工业化生产奠定了基础。此后，聚氨酯衍生产品更加多样化，可作为热塑性材料、弹性体、涂料、胶粘剂或泡沫塑料使用，广泛应用于建筑行业、汽车工业、航空工业、食品包装业、纺织行业、医疗行业等。聚氨酯已经成为一种不可或缺的合成树脂产品，全世界对包括热塑性聚氨酯在内的聚氨酯的需求不断增长。

我国聚氨酯行业也蓬勃发展，消费量和产量都有了巨大的提升。但聚氨酯生产依赖于石油原料，随着社会进步和环保要求的提高，出台的国家环保法规更加严格，对聚氨酯的发展同样提出了新的要求。对环境问题和石油供应的日益关注推动了从可再生原料中开发聚氨酯生产原料，聚氨酯也须符合“三个前提”（资源、能源和无污染）以及“4E 原则”（经济、效率、生态和能源）。目前生物基聚氨酯备受瞩目，可降解的生物基聚氨酯或将成为研究热点。

3 聚氨酯缓释尿素发展

尿素因其高氮含量（w（N）46%）和低成本而被广泛地作为氮肥使用，用量大，效果相对较好，其缓释作用一直是研究者关注的焦点。美国最早于1961年成功研制出硫包膜尿素（Sulfur coated urea）。日本后来居上，于20世纪60年代研制有机包膜肥料，成功制备出聚烯烃类包膜缓释尿素，开创了有机树脂包膜缓释肥料研究和生产的先河。此后聚氨酯才慢慢被应用于缓释尿素领域。聚氨酯类缓释肥料能长期维持营养供应，提高肥料利用率，减少施用频率，可一次性施用，降低劳动强度，便于实现农业机械化。但由于聚氨酯本身性能稳定，残留的聚氨酯壳在土壤中很难降解，可能是潜在的污染，对土壤环境有害。通过对聚氨酯进行改性达到降解目的是目前聚氨酯包膜缓释尿素研究的一个热点［10］。此外，目前聚氨酯原料来自于不可再生资源——石油。因此，越来越多的研究者考虑研发生物基聚氨酯包膜材料，尝试制作生物基可降解的聚氨酯包膜尿素，并且取得了一定进展［11］。目前已经有研究者用植物油、液化木质素、软木、咖啡渣、淀粉、大豆秸秆、甜菜浆等作为原料合成聚氨酯，并将它们用于包膜尿素［12］。

LIANG D S等利用蓖麻油制备释放周期超长的聚氨酯包膜尿素［13］；YANG Y C 等分别用木质素、刺槐木、玉米秸秆、鸡毛粉等制备了聚氨酯包膜尿素，并且大田试验效果显著［14-15］。目前成本和批量生产限制着生物基聚氨酯缓释尿素的发展，但随着科学技术进步和生产工艺流程改进，生物基聚氨酯缓释尿素工业化指日可待。

目前，研究者已经不满足于性质单一的生物降解聚氨酯缓释肥料，将目光转向功能化缓释肥料的研究，例如表面超疏水的聚氨酯包膜缓释肥料，温敏型缓释肥料等。

4 聚氨酯缓释尿素的应用

聚氨酯包膜缓释尿素（PCRU）的研究相对成熟，并且有着优异的缓释效果。近年来，一些涂有聚氨酯、可降解聚合物和水性聚合物的缓释肥料得到了广泛应用。

LI P F 等研究比较了不同PCRU 对我国南方双季水稻种植系统中N损失和N吸收的影响，结果表明，PCRU 可减少通过挥发和地表径流造成的氮损失，同时保持水稻产量和氮吸收量，与尿素相比，在我国南方水稻双季种植制度下，氮肥利用率也有所提高［16］。

YE H M等评价了PCRU对玉米幼苗生长的促进作用，结果表明，施用普通尿素的玉米5周龄幼苗的生长指标与施用PCRU玉米有明显差异；PCRU显著促进玉米生长，并且玉米株高、鲜质量显著增加，表明PCRU 中氮营养的利用优于纯尿素［17］。BORTOLETTO-SANTOS等探究了PCRU对壤土玉米田氧化亚氮排放的影响，证实PCRU有效减少了氧化亚氮的排放[18]。

山东省农业科学院农业资源与环境研究所张玉凤等研究了PCRU 对小麦的影响，实验结果表明，一次性施用PCRU，小麦总产量、氮肥表观利用率均高于习惯施肥处理；四季作物的总经济效益增加，并且土层保留的氮素量也有所增加［19］。

中化化肥有限公司朱志锋等探究了不同类型缓控释肥对小麦产量的影响，证实PCRU相对普通尿素对小麦产量提高有更大促进作用［20］。

众多研究者的研究结果证实，PCRU 不论是在减少氮的流失还是在提高作物产量上，都有优异的表现。

5 结语

采用聚氨酯制备的缓释尿素，在实际使用中取得良好的效果，能够有效减少氮流失，增加部分作物产量。但聚氨酯化学性质稳定，会出现残留的情况，造成环境问题，并且以石油为原料限制了聚氨酯的发展。可再生、可降解的生物基聚氨酯缓释尿素具有广泛应用空间和发展前景。