近日，中国热科院南亚所新材料研究室在生物质基包膜控释肥料研究方面取得新进展。采用无溶剂原位聚合法，研制了一种结构致密、表面疏水的生物质基包膜材料，并采用转鼓包膜工艺制备了长效控释包膜肥料。
化肥作为重要的生产材料，对提高农作物产量起着重要作用。然而，不合理的施肥模式，导致肥料的利用率低，造成严重的资源浪费和环境污染。包膜控释肥料可显著提高肥料的利用效率，节约劳动力。但是，石油化工类的包膜材料价格高昂，且不可降解，从而限制了其推广应用。因此，亟需寻找环境友好型的包膜材料替代石油基聚合物，推动农业的绿色可持续发展。生物质材料具有成本低、可再生、来源广的优势，在功能材料的应用领域引起了广泛的关注。然而，生物质材料作为包膜控释肥料的膜材仍存在一些缺点：一方面，膜材的分子结构中含有较多的亲水基团，使膜材具有较强的亲水性，容易吸水溶胀；另一方面，膜材中含有一些非成膜物质，这些物质容易随着肥料养分的释放而溶解析出，并在膜材表面形成数量和大小不一的孔隙，从而加速养分的释放，造成包膜肥料的控释性能较差。因此，对生物质基包膜材料进行改性，增强其表面的疏水性和致密性，提升生物质基包膜肥料的控释性能，并揭示其养分的控释机制是研究的关键所在。
基于以上所述问题，本研究采用两种方案对包膜材料进行改性。方案一是采用超疏水纳米材料改性生物质基包膜材料，通过硅氧烷的水解缩合法合成具有超疏水的埃洛石纳米管（shts），并与植物油基聚氨酯（pu）复合制备具有疏水性的生物质基纳米复合膜材（shpu）。shts表面的疏水性既可以通过增加粗糙度来提高，同时也可以通过纳米粒子表面接枝的疏水性硅烷降低膜材表面能，增大接触角来实现。利用shpu膜制备的包膜控释肥料（shpuc）的养分初期释放率明显降低，包膜肥料的控释周期也得到相应的延长。
图1 埃洛石纳米管改性生物质基包膜控释肥料
方案二是以淀粉为原料利用液化技术合成了淀粉液化多元醇（ls）并与植物油复合形成二元组合多元醇，合成了具有交联互穿网络结构的生物质基聚氨酯（spu）,在spu基础上通过基团的反应接枝了具有疏水性的硅氧烷，合成了具有疏水性的生物质基树脂材料（sspu）。该研究利用淀粉液化多元醇与植物油形成交联互穿网络结构，这种交联网络可以固锁住膜材内部的非成膜物质，从而降低膜材表面的孔隙率，提高其致密性。此外，采用端羟基硅氧烷进一步改性，硅氧烷作为扩链剂既可增加膜材交联密度，又可提高其表面疏水性，从而获得具有结构致密、表面疏水的生物质基包膜材料。通过控制ls和硅氧烷的用量制备得到的包膜肥料（sspcu）的控释性能也得到有效提高。研究进一步分析了改性剂用量、包膜率与养分释放性能的内在关系，以及通过释放动力学模型，揭示生物质基包膜肥料养分释放的控释机制。
图2 双重改性生物基质包膜材料的合成机理
图3 双改性生物基质包膜控释肥料释放性能变化
本研究工作分别以“hydrophobic modification of castor oil-based polyurethane coated fertilizer to improve the controlled release of nutrient with polysiloxane and halloysite” 为标题发表在《progress in organic coatings》(jcr分区q1，if=6.206)和以“nutrient controlled release performance of bio-based coated fertilizer enhanced by synergistic effects of liquefied starch and siloxane”为标题发表在《international journal of biological macromolecules》(jcr分区q1，if=8.025)，南亚所王超助理研究员为论文的第一作者，李普旺研究员为论文的通讯作者。本研究得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金、海南省自然科学基金、中央公益性科研机构基本科研业务费项目的资助。
文章一链接：
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近日，中国热科院南亚所新材料研究室在生物质基包膜控释肥料研究方面取得新进展。采用无溶剂原位聚合法，研制了一种结构致密、表面疏水的生物质基包膜材料，并采用转鼓包膜工艺制备了长效控释包膜肥料。
化肥作为重要的生产材料，对提高农作物产量起着重要作用。然而，不合理的施肥模式，导致肥料的利用率低，造成严重的资源浪费和环境污染。包膜控释肥料可显著提高肥料的利用效率，节约劳动力。但是，石油化工类的包膜材料价格高昂，且不可降解，从而限制了其推广应用。因此，亟需寻找环境友好型的包膜材料替代石油基聚合物，推动农业的绿色可持续发展。生物质材料具有成本低、可再生、来源广的优势，在功能材料的应用领域引起了广泛的关注。然而，生物质材料作为包膜控释肥料的膜材仍存在一些缺点：一方面，膜材的分子结构中含有较多的亲水基团，使膜材具有较强的亲水性，容易吸水溶胀；另一方面，膜材中含有一些非成膜物质，这些物质容易随着肥料养分的释放而溶解析出，并在膜材表面形成数量和大小不一的孔隙，从而加速养分的释放，造成包膜肥料的控释性能较差。因此，对生物质基包膜材料进行改性，增强其表面的疏水性和致密性，提升生物质基包膜肥料的控释性能，并揭示其养分的控释机制是研究的关键所在。
基于以上所述问题，本研究采用两种方案对包膜材料进行改性。方案一是采用超疏水纳米材料改性生物质基包膜材料，通过硅氧烷的水解缩合法合成具有超疏水的埃洛石纳米管（shts），并与植物油基聚氨酯（pu）复合制备具有疏水性的生物质基纳米复合膜材（shpu）。shts表面的疏水性既可以通过增加粗糙度来提高，同时也可以通过纳米粒子表面接枝的疏水性硅烷降低膜材表面能，增大接触角来实现。利用shpu膜制备的包膜控释肥料（shpuc）的养分初期释放率明显降低，包膜肥料的控释周期也得到相应的延长。
图1 埃洛石纳米管改性生物质基包膜控释肥料
方案二是以淀粉为原料利用液化技术合成了淀粉液化多元醇（ls）并与植物油复合形成二元组合多元醇，合成了具有交联互穿网络结构的生物质基聚氨酯（spu）,在spu基础上通过基团的反应接枝了具有疏水性的硅氧烷，合成了具有疏水性的生物质基树脂材料（sspu）。该研究利用淀粉液化多元醇与植物油形成交联互穿网络结构，这种交联网络可以固锁住膜材内部的非成膜物质，从而降低膜材表面的孔隙率，提高其致密性。此外，采用端羟基硅氧烷进一步改性，硅氧烷作为扩链剂既可增加膜材交联密度，又可提高其表面疏水性，从而获得具有结构致密、表面疏水的生物质基包膜材料。通过控制ls和硅氧烷的用量制备得到的包膜肥料（sspcu）的控释性能也得到有效提高。研究进一步分析了改性剂用量、包膜率与养分释放性能的内在关系，以及通过释放动力学模型，揭示生物质基包膜肥料养分释放的控释机制。
图2 双重改性生物基质包膜材料的合成机理
图3 双改性生物基质包膜控释肥料释放性能变化
本研究工作分别以“hydrophobic modification of castor oil-based polyurethane coated fertilizer to improve the controlled release of nutrient with polysiloxane and halloysite” 为标题发表在《progress in organic coatings》(jcr分区q1，if=6.206)和以“nutrient controlled release performance of bio-based coated fertilizer enhanced by synergistic effects of liquefied starch and siloxane”为标题发表在《international journal of biological macromolecules》(jcr分区q1，if=8.025)，南亚所王超助理研究员为论文的第一作者，李普旺研究员为论文的通讯作者。本研究得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金、海南省自然科学基金、中央公益性科研机构基本科研业务费项目的资助。
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