添加纳米TiO2改善淀粉基聚酯聚氨酯复合材料的膜层质量和养分控释特性

作者：董晶晶; 田虹雨^*; 石若琳; 杨云博; 武良; 房福力; 张民; 刘之广

来源：植物营养与肥料学报, 2023, 29(07): 1367-1378.

• 淀粉基聚氨酯
• 生物基聚氨酯
• 纳米TiO2
• 复合包衣
• 响应曲面法
• 养分初期释放率
• 养分释放期

【目的】淀粉基聚氨酯包膜缓控释肥施入土壤后，膜壳降解时间短，环境风险低，但因亲水性强、杂质多、致密性差等特点也降低了养分的控释性能，无法满足作物全生育期养分需求。我们优化了淀粉基聚氨酯膜材构成比例，并从膜材化学结构和膜壳物理性状角度，研究了该包膜工艺改善复合包膜尿素养分控释性能的机理。【方法】本研究设计了以聚烯烃蜡为底涂层，淀粉基聚氨酯(BPU)为内涂层，纳米TiO2改性聚酯聚氨酯(PPU)为外涂层制备复合包膜尿素的工艺流程。采用响应曲面法设计了BPU、PPU、TiO2添加量三因素组合的20个处理，建立了养分初期释放率、释放期对BPU、PPU、TiO2添加量的响应模型；利用电镜扫描、原子力显微镜、傅里叶红外光谱、气相色谱/质谱，探究复合膜材形态与结构特征；通过热失重、Zeta电位、静水浸提方法，评价了膜材稳定性与养分释放动力学特征；利用土壤埋袋试验，研究了膜壳降解性能。【结果】1)较BPU膜材，复合膜材(NBPU)在中性条件下Zeta电位绝对值提高34.8%，添加纳米TiO2后进一步提高了26.5%～64.6%，提升了其物理稳定性；膜壳在土壤中自然降解365天后，添加1.00%纳米TiO2的聚酯聚氨酯失重率为4.92%，与未添加TiO2的相比显著提高了3.3倍。2)复合膜材表面孔隙少、光滑平整，切面致密均匀；颗粒硬度为85.2 N，较BPU膜材提高了37.0%，膜表粗糙度降低了71.3%，肥料力学与耐磨性能均有所改善；BPU对前期养分释放具有显著调节作用，PPU添加量3%以内时添加量与养分释放期成正比，纳米TiO2则对3～28天的养分释放速度有显著影响。3)通过响应曲面法分别建立养分释放期、初期释放率与BPU、PPU、TiO2添加量的二次多项式数学模型(P<0.01)，可用该模型对相应的指标进行分析和预测；明确设计变量对养分释放期的贡献度为PPU>BPU>TiO2，对初期释放率的贡献度为TiO2>BPU>PPU。【结论】纳米TiO2可提高聚氨酯膜材中的微相均匀性，降低肥料养分初期释放率，且其光催化性可提高养分释放后残膜在土壤中的降解率；复合包衣可提升膜材结构稳定性，通过调控PPU、BPU和TiO2添加比例实现养分释放期调控；利用曲面中心设计法建立的肥料养分释放特征响应模型可为实际生产提供技术参考。

• 单位
  山东农业大学; 湖北新洋丰肥业股份有限公司