專利名稱：一種緩釋尿素及其制作方法
技術領域：
本發明屬于肥料技術領域，尤其涉及一種緩釋尿素及其制作方法。
背景技術：
我國農田土壤普遍缺氮，施用氮肥是保障高產、穩定、優質、高效農業的關鍵性措施之一。目前，世界和我國氮肥的主要品種是尿素。尿素以其有效養分濃度高，性能良好，容易貯運，使用方便等優點已被廣大消費者所認同。但是，尿素在施用后在土壤脲酶的作用下最終水解為CO2和NH3，在一定的環境條件下，如降雨、灌溉，則易造成淋失和揮發損失，因此氮的利用率比較低，全國平均只有36％。吉林省作為世界玉米主產區，1999年全省玉米播種面積237.5萬公頃，氮肥施用量為193.6萬噸(實物噸)，在施用方法上以底肥和追肥的傳統方式施用普通尿素為主，每年造成了大量的氮肥損失，加之勞動力的投入，導致投入產山比增大，使農民的經濟收入降低，種糧的積極性減弱。
氮的低效利用，不僅造成了能源和資源的巨大浪費，而且對生存環境產生了不良后果，如對地下水、農產品造成污染，產生水體富營養化及溫室效應等問題。因此，提高氮肥的利用率，減輕或免除肥料污染，發展可持續高效農業已成為各國共同關注和急待解決的課題。
緩釋尿素具有氮素釋放緩慢，肥效持續時間長，氮肥利用率高，可以全部做底肥施用等特點，所以施用緩釋尿素是解決氮肥利用率低，減少氮素損失以及追肥難等問題的良好措施。目前，世界各國均在大力發展氮肥的緩釋技術，包膜尿素就是其中的一種，其制法是在尿素顆粒表面包涂一層難溶性的膜，通過膜的滲透性來控制氮素的釋放，達到一次施用滿足作物整個生育期的需氮要求，并可大大減輕由于分解、揮發、淋溶等造成的氮損失，提高氮的利用率。
目前國外包膜型尿素主要為涂硫尿素和聚合物包膜尿素，如Puresell工業公司的生產的商品名為POLYON的多種聚合物包膜肥料，還有商品名為Trirote聚合物合物包硫尿素；Vigoro工業IMC全球公司生產的聚氯乙二烯包膜肥料，商品名為V-COTE、Woodace等；LWSCO公司生產的商品名為Polyplus的聚合物包硫尿素。但國外包膜尿素有兩個最大的弱點一是昂貴的價格，由于其生產工藝相當復雜，要求精細，其每噸商品肥料價格均超過上千美元，高達普通肥料的3～9倍，即使在經濟發達國家也難以接受；二是受環境脅迫，其選用的高分子材料要30年才能降解，而且包膜材料組分占包膜肥料總量的10～20％，耗用的比例偏高，若長期使用，包膜殘留物必然會給土壤帶來嚴重的環境后果。現僅能用于公園、草地、高爾夫球場和經濟價值較高的果樹、蔬菜和花卉等園藝作物。
國內目前形成的幾種主要包膜尿素有涂層尿素、磷石膏包膜尿素和鈣鎂磷肥包膜尿素，這些產品均具有緩效控制作用，可提高氮肥利用率，與國外相比盡管包膜量少，成本較低，但其緩釋性多數過快，不能和農作物的吸氮高峰期相吻合，生產技術上與歐、美、日等國仍存在較大差距，至今尚未較大規模地用于農業生產。
發明內容
本發明的目的在于提供一種能通過選擇適當的包膜厚度來調節氮素的釋放速率和釋放量，控制其釋放時間，以便同農作物的吸氮高峰期相吻合，且具有包膜用料省，造價成本低，易于普及用于大田農作物，降低氮肥對環境及農產品污染，制作工藝簡單，適合批量化生產的緩釋尿素及其制作方法，以克服已有緩釋尿素存在的缺陷。
為達到上述目的，本發明的技術方案是用包膜材料高分子聚合物聚醋酸乙烯酯及顆粒尿素為原料，兩者按重量的配比為1～3.1∶100，最佳配比為2.041∶1 00。其制作方法是將顆粒尿素篩分成φ2.00～3.00mm的粒度，將包膜材料聚醋酸乙烯酯用溶劑溶解獲得包膜溶液，將以上原料按重量計量配比后，用包膜溶液對顆粒尿素包膜，經烘干、篩分和包裝后制成。
制作工藝流程見圖1。
所用溶劑使用甲醇，聚醋酸乙烯酯與甲醇按重量的配比為1∶4，溶解的溫度為120～150℃，對揮發的甲醇補足至揮發前的數量。
包膜采用的設備為包衣鍋，包膜的工藝條件為包膜溫度60～70℃，包衣鍋轉速200轉/分鐘，包膜溶液用噴槍噴霧，所用氣體壓力2～3個大氣壓，用1.5～2.5小時噴完。
制得緩釋尿素的技術指標見表1。
表1 緩釋尿素技術指標
緩釋尿素技術指標的試驗方法總氮含量的測定按照GB/T2441的規定進行。
縮二脲含量的測定按照GB/T2443的規定進行。
水分的測定按照GB/T2444的規定進行。
粒度的測定按照GB/T2448的規定進行。
包膜脫落率的測定操作步驟取250ml燒杯，加水150ml左右，然后隨機取20～30粒(T)緩釋尿素，放入盛水的燒杯中，緩釋尿素全部溶解后，在水面直接查得空殼數量(t)。試驗重復三次，取其算術平均值。
計算方法包膜脫落率(％)＝(T-t)×100/T水不溶物含量的測定按照GB/T2447的規定進行。
其它按顆粒尿素國家標準(GB2440-2001)執行。
本發明的作用機理是
顆粒尿素CO(NH2)2經高分子聚合物聚醋酸乙烯酯包膜后施入土壤中，高分子聚合物包膜起到了養分擴散的屏障作用，水分通過包膜的微孔隙進入而使尿素緩慢溶解，從而達到養分緩慢釋放的目的。作為緩釋尿素的包膜材料聚醋酸乙烯酯(H2C＝CHOOCCH2)n，為疏水性物質，有非常好的成膜性，溶于甲醇CH3OH；而尿素與聚醋酸乙烯酯不起化學反應，且二者互不相溶，在甲醇中的溶解度很小。針對不同的農作物，通過選擇適當的包膜厚度來調節氮素的釋放速率和釋放量，控制其釋放時間，以便同農作物的吸氮高峰期相吻合。這樣達到不追肥又起到追肥作用的目的。
吉林農業大學“免追施化肥新品種的研制”課題組進行了緩釋尿素的研制與田間試驗工作，其研究與試驗情況如下一、室內試驗部分的研究結果與分析不同包膜量對緩釋尿素中氮的釋放動態的影響選用B(聚醋酸乙烯酯)為包膜材料的緩釋尿素做培養試驗。
(1)試驗方案培養試驗共設(1)空白試驗(空白)；(2)對照試驗(對照)；(3)B1；(4)B2；(5)B3共五個處理，三次重復。
空白試驗(空白)為不施用任何肥料，相同條件培養、取樣。對照試驗(對照)是在土壤中施用普通尿素，相同條件培養取樣。B1，B2和B3分別代表施用聚醋酸乙烯酯和顆粒尿素兩者按重量的配比(包膜量)為1∶100，2.041∶100和3.1∶100的緩釋尿素。
(2)試驗方法稱取約含150mg氮的樣品，施于高25cm、半徑7.5cm的玻璃容器內，土重500克，濕度約為30％，緩釋肥料均勻施于土壤深10cm的土層中，密封，土柱部分遮光。每個處理各設7、14、21、28、35、42、49、56、63、70、77、84天(d)的不同培養時間，三次重復，置于自然溫度下。定期測定相同培養天數后，各處理的土壤中NH4+和NO3-的含量，同時設空白和對照試驗。
(3)試驗結果不同包膜量對緩釋尿素中氮的釋放動態的影響其結果見表2。
表2 不同包膜量對緩釋尿素氮在土壤中釋放動態的影響
注表中7d為第7天，余依此類推。釋放量為累積釋放量，所有數據是減去空白試驗后的數據。
從上表中可以看出，B1～B3的釋放速度明顯緩于對照。根據以上數據，對各處理中氮的釋放量Q(mg/kg)對時間T(d)做散點圖，如圖2所示。
從圖2我們可以清楚地看出各處理中氮的釋放情況基本是“前期少，中期多，后期趨緩”的狀態，散點圖中點的分布狀態基本呈S型，可用Logistic曲線去擬合這一變化規律。
對于各處理相對應的釋放量及釋放速度曲線見圖3至圖5。
從圖6的釋放速率曲線我們可以看出B1的氮釋放高峰大約在41～47天；B2的氮釋放高峰大約在53～59天；B3的氮釋放高峰大約在63～77天；對照處理的氮釋放高峰大約在15～27天。而玉米的吸氮高峰長春地區大約出現在57～62天。從以上情況我們可以看出，氮的釋放高峰期B1比對照延后20天左右，B2延后35天左右，B3延后45天左右。B2與B3都與玉米吸氮高峰期接近，B2稍稍提前，B3稍稍延后，二者都可用，考慮到包膜量成本，我們選擇了B2。
為比較緩釋尿素在土壤中的釋放動態與玉米的吸氮情況，將相應時期緩釋尿素中氮的釋放量和玉米吸氮量相比較，結果列于表3。
表3 緩釋尿素中氮的釋放量與對應時期玉米的吸氮量
從表3的數據來看，玉米各生育期的吸氮量和對應時期緩釋尿素中氮的釋放量與對照處理相比，二者的接近程度要高于后者，尤其是B2和B3各時期氮的釋放量與玉米的吸氮量規律基本接近，二者都可用，考慮到包膜量成本，我們選擇B2作為緩釋尿素品種。
二、田間試驗部分的研究結果與分析1、供試土壤田間試驗在吉林農業大學農業科學試驗站、吉林省農安縣新農鄉四平街村、白城市東風鄉友誼村、梅河口市紅梅鎮進行。土壤理化性狀見表4。
表4 供試土壤理化性狀
土壤有機質為電砂浴加熱-K2Cr2O7容量法，堿解氮為堿解擴散法，速效P2O5為Olsen法，速效K2O為1mol/l中性NH4OAc浸提-火焰光度法測定。
2、緩釋尿素用量試驗本試驗在吉林農業大學農業科學試驗站進行，試驗共設九個處理，三次重復，按隨機區組排列，小區面積31.2m2，試驗處理及用量如表5所示。
表5 緩釋尿素試驗處理及用量
上表中處理2～處理7用重鈣和氯化鉀做底肥，常規用量，同緩釋尿素一次性施入，不追肥。處理8為無氮區。處理9為習慣施肥，磷、鉀肥全部底施，氮肥一半底施，一半追施。預計氮肥利用率提高7％左右，另外考慮處理間的間距，所以采用純N用量8.8kg/667m2等處理方式。以下同。
1999年5月4日人工播種，品種為吉單159，所有底肥深施10cm左右，覆土后播種，株距33cm，行距65cm，小區之間縱向1米，橫向空1壟過道。玉米收獲后每小區取5m2(共24株)測生物產量，然后在24株中隨機抽取6株按不同組織取樣稱鮮重，風干后測全N含量，計算氮肥利用率，其結果見圖7。全部24株玉米穗去皮后裝袋風干后考種、測產，其結果見表6。
(1)緩釋尿素對玉米產量構成、產量及增產率的影響玉米收獲后考種、測產，每小區取5m2，風干后測百粒重和籽粒重，計算折合產量和增產率(與處理9相比)，其結果見表6。
表6 緩釋尿素對玉米產量及增產率的影響
從表6可知，緩釋尿素在一定用量下對玉米的產量為正增長，超過一定限度產量降低，緩釋尿素各處理與習慣施肥相比增產率，處理4比習慣施肥增產11.5％。
(2)緩釋尿素對氮肥利用率的影響玉米成熟期分不同部位取樣，測定其全N含量，計算氮肥利用率。其結果見圖7。
通過對氮肥的利用率計算可知，緩釋尿素在較低用量下，氮肥利用率高，處理2為54.2％，隨著用量的增加氮肥利用率降低。處理4氮肥利用率為44.2％，而處理9(習慣施肥為32.5％)，說明施用緩釋尿素可以提高氮肥利用率，每畝施用8.8公斤N比習慣施肥氮肥利用率提高11.7個百分點。
3、緩釋尿素在不同土壤肥力上的使用效果本試驗在農安、白城、梅河口三地進行，共設九個處理，三次重復，隨機區組排列，小區面積50m2，試驗處理及用量見表7。
表7 試驗處理及用量
上表中處理3至處理5中的緩釋尿素隨PK肥一次性做底肥施入，免追肥。處理6為無氮區，磷、鉀肥常規用量底施。
本試驗2001年在農安縣新農鄉、白城市友誼村，2002年在梅河口紅梅鎮分三地進行，農安試驗點2001年4月28日人工隨水播種，品種為四密21。白城試驗點2001年5月1日人工隨水播種，品種為四單19。梅河口試驗點2002年5月4日人T播種，品種為本育9。所有底肥深施10cm左右，覆土后播種，株距33cm，行距65cm，小區之間縱向1米，橫向空1壟過道。玉米收獲后每小區取5m2(共24株)測生物產量，然后在24株中隨機抽取6株按不同組織取樣稱鮮重，風干后測全N含量，其結果見表9。全部24株玉米穗去皮后裝袋風干后考種、測產，其結果見表8。
(1)緩釋尿素在不同土壤肥力上的產量及增產率玉米收獲后按每小區5m2采樣，風干后測定籽粒產量，計算折合產量和增產率，其結果見表8。
表8 不同試驗點產量及增產率結果
(2)緩釋尿素在不同土壤肥力上的氮肥利用率收獲時分部位采樣，風干后測定不同部位的全N量，計算氮肥利用率，其結果見表9。
根據產量及氮肥利用率結果，在農安氮肥施用量以10kgN/667m2為最優，比當地習慣施肥產量提高4.1％～4.3％，氮肥利用率提高4.1％～5.0％。白城地區氮肥施用量以12kgN/667m2，比當地習慣施肥產量提高4.2％～5.6％，氮肥利用率提高8.0％～9.2％。梅河口市效氮肥施用量以10kgN/667m2為最優，比當地習慣施肥產量提高4.1％～4.4％，氮肥利用率提高3.9～4.9個百分點。
表9 緩釋肥料對氮肥利用率的影響
4、緩釋尿素的大面積示范試驗本試驗2003年在吉林農業大學農業科學試驗站進行，共設三個處理，1次重復，示范面積每個處理200m2。2003年5月10日播種，人工條播，正常田間管理，其處理及用量見表10。
表10 試驗處理及用量
5月23日開始出苗，由于春季干旱少雨，致使出苗率稍低，但對照處理缺苗較多，主要是因為底施氮肥過多引起燒種所致，總的出苗率在80％以上。在各生長期間沒有進行其它項目調查，在成熟期測產。9月24目吉林省科技廳組織專家進行了現場驗收，10月6日收獲后課題組又進行了采樣測產。兩次測產結果見表11。
表11 玉米成熟期測產結果
綜上所述，本發明的積極效果在于1、因采用了成膜性好的高分子聚合物聚醋酸乙烯酯作包膜材料，以及合理的制作工藝，能通過選擇包膜厚度來調節氮素的釋放速率和釋放量，控制其釋放時間，以便同農作物的生物吸氮高峰期相吻合。對玉米施用2％的包膜量的包膜尿素后，可比習慣施肥提高氮肥利用率3.9～11.7個百分點。
對于包膜尿素中氮素釋放規律的評價，可以采用Logistic曲線建立釋放量與時間、釋放速率與時間的關系函數，其曲線與作物的吸氮規律相吻合，可在玉米上應用，亦可據此在不同農作物上研究其它種類的包膜尿素。
2、包膜用量僅為1～3％，大大低于國外同類產品10～20％的用量水平。國產尿素價格為1600元/噸，尿素包膜后噸成本增加200元左右，僅增加生產成本12.5％左右，而國外同類產品最低價格也得是其3倍以上，故相比之下，其價格優勢很明顯而使用效果卻基本相同。
3、試驗表明，包膜尿素的施用量，長春為130kgN/ha左右，農安為150kgN/ha左右，白城為180kgN/ha左右，梅河口為150kgN/ha左右。一般施用范圍為130～180kgN/ha，比常規氮肥用量降低30kgN/ha，降低成本20％左右，并可以比習慣施肥增產玉米2.3～11.5％。
在施用量上，因提高氮肥利用率，而且不需追肥，降低了氮肥用量，減少農民氮肥經濟投入，足以將包膜增加的噸生產成本200元相抵消，故增產增收為農民新增的純收入。
4、田間示范試驗表明，包膜尿素可應用于大田農作物，便于大面積推廣，具有用量低產量高的特點，增產增收明顯，非常符合農民的利益要求，特別適合我國的現有國情。
5、尿素包膜后，延緩了尿素的釋放時間和速率，增加了作物的吸收，減少了淋失和揮發損失，而且包膜殘留物質比例很小，僅為1.0～3.0％，故減緩了對土壤、地下水和農產品造成的污染，以及所帶來的水體營養化和溫室效應等問題。
6、包膜制作工藝簡單、易于操作，生產原料、設備易得，制作造價成本低，產品質量穩定可靠，其相關指標均符合國家標準，故特別適合農村、農民批量化生產，使用也十分方便。
圖1為緩釋尿素制作工藝流程圖；圖2為不同包膜用量緩釋尿素中氮在土壤中的釋放量散點圖；圖3為B1中氮在土壤中的釋放量曲線；圖4為B2中氮在土壤中的釋放量曲線；圖5為B3中氮在土壤中的釋放量曲線；圖6為不同包膜用量緩釋尿素中氮在土壤中的釋放速率曲線；圖7為緩釋尿素不同用量對氮肥利用率的影響柱形圖。
具體實施例方式
本發明將結合附圖和實施例作進一步詳述實施例1
將大慶石化總廠生產的合格品顆粒尿素篩分成φ2.00～3.00mm的粒度，用臺秤計量后留取10kg；取上海三維制藥公司張江精細化工廠生產的分析純聚醋酸乙烯酯0.1kg，北京化工廠生產的分析純甲醇0.4kg，將聚醋酸乙烯酯在甲醇中邊加入邊攪拌加熱溶解，溶解溫度為120℃，全部溶解后用臺秤計量，對揮發的甲醇補足至揮發前的數量獲得包膜溶液。
將上述顆粒尿素置于包衣鍋中，包衣鍋轉速設為200轉/分鐘，包膜溫度設為60℃；同時將上述包膜溶液用噴槍對包衣鍋中顆粒尿素間歇噴霧，噴槍中所用氣體壓力為2個大氣壓，用1.5小時噴完包膜溶液后即完成包膜及烘干，將包膜顆粒尿素篩分成φ2.00～3.00mm的粒度，每積累25kg后用編織袋包裝備用。
實施例2將大慶石化總廠生產的合格品顆粒尿素篩分成φ2.00～3.00mm的粒度，用臺秤計量后留取10kg；取上海三維制藥公司張江精細化工廠生產的分析純聚醋酸乙烯酯0.31kg，北京化工廠生產的分析純甲醇1.24kg，將聚醋酸乙烯酯在甲醇中邊加入邊攪拌加熱溶解，溶解溫度為150℃，全部溶解后用臺秤計量，對揮發的甲醇補足至揮發前的數量獲得包膜溶液。
將上述顆粒尿素置于包衣鍋中，包衣鍋轉速設為200轉/分鐘，包膜溫度設為70℃；同時將上述包膜溶液用噴槍對包衣鍋中顆粒尿素間歇噴霧，噴槍中所用氣體壓力為3個大氣壓，用2.5小時噴完包膜溶液后即完成包膜及烘干，將包膜顆粒尿素篩分成φ2.00～3.00mm的粒度，每積累25kg后用編織袋包裝備用。
實施例3將大慶石化總廠生產的合格品顆粒尿素篩分成φ2.00～3.00mm的粒度，用臺秤計量后留取10kg；取上海三維制藥公司張江精細化工廠生產的分析純聚醋酸乙烯酯0.2041kg，北京化工廠生產的分析純甲醇0.8164kg，將聚醋酸乙烯酯在甲醇中邊加入邊攪拌加熱溶解，溶解溫度為135℃，全部溶解后用臺秤計量，對揮發的甲醇補足至揮發前的數量獲得包膜溶液。
將上述顆粒尿素置于包衣鍋中，包衣鍋轉速設為200轉/分鐘，包膜溫度設為65℃；同時將上述包膜溶液用噴槍對包衣鍋中顆粒尿素間歇噴霧，噴槍中所用氣體壓力為2.5個大氣壓，用2小時噴完包膜溶液后即完成包膜及烘干，將包膜顆粒尿素篩分成φ2.00～3.00mm的粒度，每積累25kg后用編織袋包裝備用。
權利要求
1.一種緩釋尿素，含有顆粒尿素及包膜用料高分子聚合物，其特征在于所述的高分子聚合物為聚醋酸乙烯酯，聚醋酸乙烯酯與顆粒尿素按重量的配比為1～3.1∶100。
2.如權利要求1所述的緩釋尿素，其特征在于聚醋酸乙烯酯與顆粒尿素按重量的配比為2.041∶100。
3.如權利要求1或2所述的緩釋尿素的制作方法，其特征在于將顆粒尿素篩分成φ2.00～3.00mm的粒度，將包膜材料聚醋酸乙烯酯用溶劑溶解獲得包膜溶液，將以上原料按重量計量配比后，用包膜溶液對顆粒尿素包膜，經烘干、篩分和包裝后制成。
4.如權利要求3所述的緩釋尿素的制作方法，其特征在于所用的溶劑為甲醇，聚醋酸乙烯酯與甲醇按重量的配比為1∶4，溶解的溫度為120～150℃，對揮發的甲醇補足至揮發前的數量。
5.如權利要求3所述的緩釋尿素的制作方法，其特征在于包膜采用的設備為包衣鍋，包膜的工藝條件為包膜溫度60～70℃，包衣鍋轉速200轉/分鐘，包膜溶液用噴槍噴霧，所用氣體壓力2～3個大氣壓，用1.5～2.5小時噴完。
全文摘要
一種緩釋尿素及其制作方法，用包膜材料高分子聚合物聚醋酸乙烯酯及顆粒尿素為原料，兩者按重量的配比為1～3.1∶100，最佳配比為2.041∶100。其制作方法是將顆粒尿素篩分成φ2.00～3.00mm的粒度，將包膜材料聚醋酸乙烯酯用溶劑溶解獲得包膜溶液，將以上原料按重量計量配比后，用包膜溶液對顆粒尿素包膜，經烘干、篩分和包裝后制成。本發明具有可通過選擇適當的包膜厚度來調節氮素的釋放速率和釋放量，控制其釋放時間，以便同農作物的吸氮高峰期相吻合，且包膜用料省，造價成本低，易于普及用于大田農作物，降低氮肥對環境及農產品污染，制作工藝簡單，適合批量化生產的特點。
文檔編號C05G3/08GK1715253SQ20041001097
公開日2006年1月4日 申請日期2004年7月1日 優先權日2004年7月1日
發明者周米平, 王巖, 楊靖民, 劉世杰, 張大克, 于曉斌, 溫思民, 馬振江 申請人:吉林農業大學