Page 71 - 《精细化工》2020年第2期

第 2 期 李丽霞，等: 聚氨酯应用于缓控释肥料无溶剂包膜的研究进展
50 d 延长到 80 d。目前，包膜肥料中 IPN 结构的相关
文献报道较少，技术还不成熟。但该技术改性后膜材
Fig. 6
3.3 有机硅改性
有机硅改性技术是包膜疏水性增加、孔隙率降
低、控释性提高的有效方法，如包膜液中引入 γ-氨
丙基三乙氧基硅烷（KH550） [84] 或端羟基二甲基硅
油（HTMS） [85] 。WANG 等 [86] 用双有机硅，即端羟
基聚二甲基硅氧烷（HTPMS）和 KH550，改性生物
基聚氨酯包膜。通过调整两者的质量比可以有效控
制硅氧烷基团的含量和分布，同时控制有机-无机杂
化结构，优化控释性能。当 m(KH550)∶m(HTPMS)=
0.3∶0.7 时，改性聚氨酯包膜尿素的控释性能最佳。
DAI 等 [87] 将聚氨酯与端羟丙基聚二甲基硅氧烷
（HP-PDMS）以不同比例共聚，设计了梯度疏水膜。
尿素通过该类膜层的过程具有定向性，通过内亲水
外疏水（InHL-OutHB）梯度疏水膜的尿素扩散速率
明显低于亲水或疏水均质膜，尿素扩散的驱动力源
于浓度梯度、尿素浓度引起的接触角变化和膜材的
接触角梯度。因此，可以通过精细设计膜层结构来
调控肥料控释期。
超疏水表面是生物、物理、材料等学科交叉的
新兴仿生研究领域，因表面独特的微纳米结构和低
水滴黏附特性被认为是一种高效、环境友好的表面。
ZHANG 等 [88] 采用有机硅和纳米二氧化硅对纤维基
膜材进行表面改性、以液化麦秸为原料研制了超疏
水生物基聚氨酯包膜肥料。表面改性后膜材粗糙度
提高，表面能降低，肥料养分释放性能明显增强。
XIE 等 [89] 通过超疏水微纳米级硅藻土和二氧化硅形
成凸起结构，以可生物降解的棉籽油为原料制备了
包覆“空气外衣”的仿生超疏水生物基控释肥料。
由于“空气外衣”的存在，液态水只能以水蒸气扩
散的方式缓慢进入肥料，极大提高了肥料的养分控
释性能。ZHANG 等 [90] 以乙醇和水为溶剂，采用一
步法制备了纳米月桂酸铜，用其改性蓖麻油后制备
的超疏水聚氨酯包膜尿素释放性能得到显著改善。
超疏水表面可以有效减少水对膜材的攻击，主流的
制备方法是将表面粗糙度增加和表面能降低相结
合，随着制备方法的多样化，膜材种类将更加丰富。
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结构的各项性能明显优于单一聚合物，非常有可能为
今后生物基膜材的功能化、高性能化带来更大发展。
图 6 互穿聚合物网络结构示意图 [83]
Schematic diagram of interpenetrating network structure [83]
4 结语与展望
石化原料成本高，资源不可再生。生物基包膜
由于低成本、可再生、环境友好、资源节约等特性
得到了迅速发展。植物油基尤其是蓖麻油基聚氨酯
一直是主导膜材，纤维基正在兴起，包膜的来源和
种类更加丰富。然而，因为生物基原料含有大量亲
水基团易吸水，制备的包膜具有许多微孔，养分控
释性能差，难以满足作物对养分的长效需求。所以
为了改善膜材的致密性、疏水性和降解速度的可控
性，已通过填充、互穿聚合物网络、有机硅等改性
方法对膜材微观结构进行了优化。虽然已经取得一
定的成果，但仍存在较大的改进和研究空间：
（1）生物基聚氨酯膜材改性
当前的改性过程复杂，有望通过更简单有效的
改性手段，在环保和降低成本的同时，提高膜材的
性能，以促进生物基聚氨酯包膜肥料的商品化。
（2）膜材控释机制及性能调控
随着包膜种类的丰富，对生物质原料与膜层结
构和性能间关系研究的不够系统、深入的问题逐步
凸显。另外，土壤环境下控释肥料性能调控仍然是
具有挑战性的难题，尤其是当包膜轻薄化后。因此，
有必要系统研究膜材的控释性能与降解性能间的关
系，探明生物基聚氨酯包膜的养分释放机制，实现
生物基膜材精准控释与可控降解的统一。
（3）功能型控释肥料
针对不同区域气候条件和不同作物养分需求，
单纯注重养分释放的控释肥料远不能满足实际的需
要。因此，探索具有外界环境刺激响应的保水、抗
逆、促生等功能的包膜肥料值得进行深入研究。
（4）科学研究与生产实际对接
目前的生物基聚氨酯包膜肥料的研究较多停留
在实验室研究阶段，未能实现批量化生产。通过简
化工艺、降低材料成本，最终达到产业化是研究的
重点。