核膜结构的光敏性保水缓释肥料及其制备方法
阅读说明：本技术 核膜结构的光敏性保水缓释肥料及其制备方法 (Photosensitive water-retention slow-release fertilizer with nuclear membrane structure and preparation method thereof ) 是由 李燕 戴佳锟 于 2021-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种核膜结构的光敏性保水缓释肥料及其制备方法。传统化肥普遍存在利用率不高的问题,而缓释化肥具有不利于土壤保水保温的缺陷。本发明将氧化淀粉水凝胶和海藻酸钠溶液混合,加入化肥后形成保水缓释内核材料；之后加入作为光敏外膜材料的聚多巴胺溶液,获得光敏性保水缓释肥料。本发明通过交联作用合成兼具保水和缓释性能的肥料内核,并通过离子相互作用合成含光敏材料的肥料外膜,获得的缓释肥料具有明显的核膜结构,缓释性能优异,明显提升了利用率,并能有效提高土壤持水率、提升土壤温度,进一步促进作物生长；同时,本发明采用无毒害、易降解的材料,可降低肥料流失造成的面源污染,减少环境污染,保护土壤结构。(The invention relates to a photosensitive water-retention slow-release fertilizer with a nuclear membrane structure and a preparation method thereof. The traditional fertilizer generally has the problem of low utilization rate, and the slow release fertilizer has the defect of being not beneficial to soil water retention and heat preservation. Mixing oxidized starch hydrogel and sodium alginate solution, and adding a chemical fertilizer to form a water-retaining slow-release core material; and then adding polydopamine solution serving as a photosensitive outer membrane material to obtain the photosensitive water-retention slow-release fertilizer. According to the invention, the fertilizer inner core with water retention and slow release performances is synthesized through a crosslinking effect, and the fertilizer outer membrane containing a photosensitive material is synthesized through an ionic interaction, so that the obtained slow release fertilizer has an obvious nuclear membrane structure, is excellent in slow release performance, obviously improves the utilization rate, can effectively improve the soil water retention rate and the soil temperature, and further promotes the growth of crops; meanwhile, the invention adopts non-toxic and easily degradable materials, thus reducing non-point source pollution caused by fertilizer loss, reducing environmental pollution and protecting soil structure.)
技术领域
本发明涉及一种新型肥料，具体涉及一种核膜结构的光敏性保水缓释肥料及其制备方法。
背景技术
我国化肥的利用率不高(30-40％)，其大量施用会破坏耕地的土壤结构，造成土壤板结，保水性差。此外，由于营养物质渗透过快，植物无法吸收全部营养素，使得大部分元素积聚或浸出到地下水中，造成水体富营养化，引发严重的农业面源污染问题。
缓释肥料是解决上述技术问题的重要手段，成为提高化肥利用率的重要方法。由于缓释肥料的早期包膜材料多难于降解或会产生其他有害物质，对生态环境造成污染。因此，其研发逐渐转向可降解、无毒害的环境友好型材料。
目前多种缓释肥料的研究，多聚焦于如何缓慢释放营养元素，很少关注土壤的持水量和温度，而土壤湿度和温度恰恰是影响作物生长的重要因素，但目前鲜有考虑这些因素的缓释肥料的相关研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种核膜结构的光敏性保水缓释肥料及其制备方法，采用无毒害、易降解的材料，通过交联作用合成具保水、缓释作用的肥料内核，并通过离子相互作用合成含光敏材料的外膜，最终获得兼具保水性和光敏性的核膜结构缓释肥料，在保持缓释作用的同时，提高土壤最大持水率，提升土壤温度。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
核膜结构的光敏性保水缓释肥料制备方法，其特征在于：
所述方法为：
将氧化淀粉水凝胶和海藻酸钠溶液混合，加入化肥后形成保水缓释内核材料；
之后加入作为光敏外膜材料的聚多巴胺溶液，获得光敏性保水缓释肥料。
所述方法具体包括以下步骤：
步骤一：将淀粉糊化后加入氧化反应液，获得的产物经沉淀纯化得到氧化淀粉水凝胶；
步骤二：将步骤一得到的氧化淀粉水凝胶与海藻酸钠溶液混合，将化肥添加到该混合物中并完全溶解，得到保水缓释内核材料；
步骤三：将保水缓释内核材料通过常温喷雾的方式喷洒到含乳化剂及钙离子的溶液中；
步骤四：对步骤三获得的反应液进行减压抽滤及干燥，之后加入作为光敏外膜材料的聚多巴胺溶液，室温搅拌、减压抽滤、干燥过筛，得到光敏性保水缓释肥料。
步骤一中，所述氧化反应液为KMnO4与NaHSO4的混合溶液；淀粉与混合溶液中KMnO4与NaHSO4的质量比为(10-40)：1:(1-3)。
步骤二中，海藻酸钠溶液中的海藻酸钠与步骤一中的淀粉的质量比为(1-9):1。
步骤二中，化肥与海藻酸钠溶液中海藻酸钠的质量比为(1-5):1。
步骤三中，含乳化剂及钙离子的溶液中的乳化剂为聚乙烯醇，聚乙烯醇、钙离子与化肥的质量比为1：5：(20-50)。
步骤四中，聚多巴胺溶液中的聚多巴胺与化肥的质量比为1：(20-40)。
如所述的方法制得的核膜结构的光敏性保水缓释肥料。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明制备的肥料具有缓释、保水和光敏的多重功效和特点：
本发明通过交联作用合成兼具保水和缓释性能的肥料内核，并通过离子相互作用合成含光敏材料的肥料外膜，获得的缓释肥料具有明显的核膜结构，缓释性能优异，明显提升了利用率，并能有效提高土壤持水率、提升土壤温度，进一步促进作物生长。
2、本发明制备的肥料能有效减少环境污染：
本发明采用无毒害、易降解的材料，可降低肥料流失造成的面源污染，减少环境污染，保护土壤结构。
2、本发明采用的原料之间具有明显的协同效应：
本发明以海藻酸钠为载体制备的肥料具有良好的缓释作用，为提高海藻酸钠保水性能，本发明引入了氧化淀粉水凝胶，使氧化淀粉水凝胶与海藻酸钠交联形成具有强吸水性的缓释肥料内核，同时在外部吸附以具光敏性的聚多巴胺外膜，从而形成具有良好保水、光敏作用的缓释肥料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1是肥料吸水效果示意图。
图2是通过红外相机检测肥料在日光照射下的温度变化示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
本发明为克服传统化肥利用率不高以及缓释化肥不利于土壤保水保温的缺陷，将氧化淀粉水凝胶和海藻酸钠溶液混合，加入化肥后形成保水缓释内核材料，然后加入作为光敏外膜材料的聚多巴胺溶液，制备出了一种具有核膜结构的缓释肥料，获得的缓释肥料兼具光敏、保水和缓释的多重特性。制备方法具体包括以下步骤：
步骤一：将淀粉糊化后加入氧化反应液，获得的产物经沉淀纯化得到氧化淀粉水凝胶。
氧化反应液能对淀粉进行氧化改性，是KMnO4与NaHSO4的混合溶液；淀粉与混合溶液中KMnO4与NaHSO4的质量比为(10-40)：1:(1-3)。本发明也可采用其它能对淀粉进行氧化改性的类似氧化反应液。
步骤二：将步骤一得到的氧化淀粉水凝胶与海藻酸钠溶液混合，将化肥添加到该混合物中并完全溶解，得到保水缓释内核材料。
海藻酸钠溶液中的海藻酸钠与步骤一中的淀粉的质量比为(1-9):1，化肥与海藻酸钠溶液中海藻酸钠的质量比为(1-5):1。本发明可采用的化肥可为尿素，还可以采用其他水溶性的化肥，如碳酸氢铵、硝酸铵、氯化钾、磷酸二氢钾、过磷酸钙等氮、磷、钾肥，这类化肥过度使用会造成环境污染，通过缓释手段使用能有效控制用量。
以海藻酸钠为载体制备的肥料具有良好的缓释性能，但保水性能较差。为提高海藻酸钠保水性能，本发明引入了氧化淀粉水凝胶，使氧化淀粉水凝胶与海藻酸钠交联形成具有强吸水性的缓释肥料内核。
步骤三：将保水缓释内核材料通过常温喷雾的方式喷洒到含乳化剂及钙离子的溶液中，将含乳化剂及钙离子溶液置于喷嘴下方，使喷雾形成的混合液滴直接接触该溶液。
含乳化剂及钙离子的溶液中的乳化剂为聚乙烯醇，聚乙烯醇、钙离子与化肥的质量比为1：5：(20-50)。海藻酸钠通过与钙离子结合形成海藻酸钙，从而固化成球，并使肥料包裹于颗粒中。乳化剂能使形成的颗粒能更好的分散在溶液中。
步骤四：对步骤三获得的反应液进行减压抽滤及干燥，之后加入作为光敏外膜材料的聚多巴胺溶液，室温搅拌、减压抽滤、干燥过筛，得到光敏性保水缓释肥料。
聚多巴胺溶液中的聚多巴胺与化肥的质量比为1：(20-40)。本发明引入了氧化淀粉水凝胶，与海藻酸钠交联形成具有强吸水性的缓释肥料内核，同时在外部吸附以具光敏性的聚多巴胺外膜，从而形成具有良好保水、光敏作用的缓释肥料。
实施例1：
核膜结构光敏性保水缓释肥料的制备方法具体包括以下步骤：
步骤一：将淀粉糊化后加入氧化反应液，获得的产物经沉淀纯化得到氧化淀粉水凝胶。氧化反应液是KMnO4与NaHSO4的混合溶液；淀粉与混合溶液中KMnO4与NaHSO4的质量比为10：1:3。
步骤二：将步骤一得到的氧化淀粉水凝胶与海藻酸钠溶液混合，将化肥添加到该混合物中并完全溶解，得到保水缓释内核材料。海藻酸钠溶液中的海藻酸钠与步骤一中的淀粉的质量比为1:1，化肥与海藻酸钠溶液中海藻酸钠的质量比为5:1。
步骤三：将保水缓释内核材料通过常温喷雾的方式喷洒到含乳化剂及钙离子的溶液中，将含乳化剂及钙离子溶液置于喷嘴下方，使喷雾形成的混合液滴直接接触该溶液。含乳化剂及钙离子的溶液中的乳化剂为聚乙烯醇，聚乙烯醇、钙离子与化肥的质量比为1：5：20。
步骤四：对步骤三获得的反应液进行减压抽滤及干燥，之后加入作为光敏外膜材料的聚多巴胺溶液，室温搅拌、减压抽滤、干燥过筛，得到光敏性保水缓释肥料。聚多巴胺溶液中的聚多巴胺与化肥的质量比为1：40。
实施例2：
核膜结构光敏性保水缓释肥料的制备方法具体包括以下步骤：
步骤一：将淀粉糊化后加入氧化反应液，获得的产物经沉淀纯化得到氧化淀粉水凝胶。氧化反应液是KMnO4与NaHSO4的混合溶液；淀粉与混合溶液中KMnO4与NaHSO4的质量比为25：1:2。
步骤二：将步骤一得到的氧化淀粉水凝胶与海藻酸钠溶液混合，将化肥添加到该混合物中并完全溶解，得到保水缓释内核材料。海藻酸钠溶液中的海藻酸钠与步骤一中的淀粉的质量比为5:1，化肥与海藻酸钠溶液中海藻酸钠的质量比为2.5:1。
步骤三：将保水缓释内核材料通过常温喷雾的方式喷洒到含乳化剂及钙离子的溶液中，将含乳化剂及钙离子溶液置于喷嘴下方，使喷雾形成的混合液滴直接接触该溶液。含乳化剂及钙离子的溶液中的乳化剂为聚乙烯醇，聚乙烯醇、钙离子与化肥的质量比为1：5：35。
步骤四：对步骤三获得的反应液进行减压抽滤及干燥，之后加入作为光敏外膜材料的聚多巴胺溶液，室温搅拌、减压抽滤、干燥过筛，得到光敏性保水缓释肥料。聚多巴胺溶液中的聚多巴胺与化肥的质量比为1：30。
实施例3：
核膜结构光敏性保水缓释肥料的制备方法具体包括以下步骤：
步骤一：将淀粉糊化后加入氧化反应液，获得的产物经沉淀纯化得到氧化淀粉水凝胶。氧化反应液是KMnO4与NaHSO4的混合溶液；淀粉与混合溶液中KMnO4与NaHSO4的质量比为40：1:1。
步骤二：将步骤一得到的氧化淀粉水凝胶与海藻酸钠溶液混合，将化肥添加到该混合物中并完全溶解，得到保水缓释内核材料。海藻酸钠溶液中的海藻酸钠与步骤一中的淀粉的质量比为9:1，化肥与海藻酸钠溶液中海藻酸钠的质量比为1:1。
步骤三：将保水缓释内核材料通过常温喷雾的方式喷洒到含乳化剂及钙离子的溶液中，将含乳化剂及钙离子溶液置于喷嘴下方，使喷雾形成的混合液滴直接接触该溶液。含乳化剂及钙离子的溶液中的乳化剂为聚乙烯醇，聚乙烯醇、钙离子与化肥的质量比为1：5：50。
步骤四：对步骤三获得的反应液进行减压抽滤及干燥，之后加入作为光敏外膜材料的聚多巴胺溶液，室温搅拌、减压抽滤、干燥过筛，得到光敏性保水缓释肥料。聚多巴胺溶液中的聚多巴胺与化肥的质量比为1：20。
以下通过具体实验对以上实施例进行效果测试：
将5g光敏性保水缓释肥料加入100g干燥沙土中，每3天加水50mL，于固定天数测定肥料释放率(％)，结果如下表所示。
将2g光敏性保水缓释肥料(实施例2)与100g干燥沙土混合并加水50mL，以添加普通缓释肥的土样为对照，于固定时间检测土壤持水量及温度，结果如下表所示。
将光敏性保水缓释肥料浸入水中1小时后的吸水效果如图1。
通过红外相机检测肥料在日光照射下的温度变化，结果如图2所示。表明光敏性保水缓释肥和普通缓释肥相比，可在光照下快速升温。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
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