高分子緩釋硼肥及其製備方法

2023-07-06 11:36:16

專利名稱：高分子緩釋硼肥及其製備方法
技術領域：
本發明涉及緩釋肥，具體為一種高分子緩釋硼肥及其製備方法。

背景技術：
水稻是我國重要的糧食作物之一，目前的單位面積產量最高已達到800Kg/畝以上。但水稻與其他的農作物不同，它的生長發育除了需要通常的氮、磷、鉀三要素外，還需要適量的硼元素。為獲得氮、磷、鉀、硼四元素全部都具有的化肥，現有技術均採用復混的方法，如將尿素、磷酸二氫鉀與硼酸或硼酸鹽進行復混。在復混肥中，尿素、磷酸二氫鉀和硼酸鹽都是小分子的水溶性物質，容易發生淋溶流失，造成水體富營養化的環境汙染。為此緩(控)釋化肥成為目前研究應用的熱點。
現有的緩釋或控釋化肥普遍採用的是物理型的包膜方法，如在尿素表面包覆上一層脲醛樹脂膜，施入土壤後，隨著脲醛樹脂的逐步降解，包覆的膜被逐步破壞，不斷釋放出包覆在其中的化肥，從而達到緩釋的目的。
WO2003/082005研究了製備高分散度脲-甲醛聚合物肥料緩釋劑的方法。該聚合物實現了氮肥的緩釋化，並在粒化過程中添加由碳酸鈣、石膏、矽酸金屬鹽、滑石粉、硫磺、活性炭以及螯合鐵、鋅、錳的混合物。但是該物質在土壤中分解後得不到水稻作物生長需要的磷、鉀和硼元素。


發明內容
本發明為了解決目前沒有高分子緩釋硼肥的問題，提供一種高分子緩釋硼肥及其製備方法。
本發明是採用如下技術方案實現的高分子緩釋硼肥，是具有以下通式的化合物
式中m＝1～10，n＝0～5，x＝5～10。
該高分子緩釋硼肥中硼、氮、磷、鉀各元素的含量以質量百分含量計為硼1wt％～8wt％，氮22wt％～29wt％，以P2O5計的磷0wt％～33wt％，以K2O計的鉀22wt％～35wt％。分子量1000——21160。
高分子緩釋硼肥的製備方法，按如下步驟進行 (1)在反應器中加入理論計算量的反應物和硼酸，加熱到80℃～100℃，得到硼酸二氫鉀，所述反應物為氫氧化鉀或碳酸鉀，該反應如下
(2)在上述反應器中再加入理論計算量的尿素和選擇性的(可加可不加)磷酸二氫鉀，控制反應溫度在110℃～140℃，使反應物保持在熔融狀態，該過程所進行的反應如下
上述反應產物的結構可由紅外光譜圖得到證明，見圖1。根據有關文獻報導及紅外光譜書，圖中1470cm-1和1420cm-1吸收峰對應著B-N鍵的振動吸收，而1312cm-1吸收峰對應著B-O鍵的振動吸收，這些結果表明B-N與B-O鍵的形成，證明尿素與硼酸二氫鹽發生反應，生成具有上述結構的縮聚物。

上述反應產物的結構可由紅外光譜圖得到證明，見圖2。根據有關文獻報導及紅外光譜書，1093cm-1吸收峰對應著P-N鍵的振動吸收，919cm-1吸收峰對應著P-O-K鍵的振動吸收，1282cm-1吸收峰對應著P＝O鍵的振動吸收，這些結果表明P-N、P-O-K與P＝O鍵的形成，證明尿素與磷酸二氫鉀發生反應，生成上述結構的化合物。
(3)然後加入理論計算量的甲醛，繼續在110℃～140℃條件下進行縮聚反應，至體系粘度達到造粒要求的粘度時停止反應，該過程所進行的反應如下
生成的高分子緩釋硼肥的結構可由紅外光譜圖得到證明，見圖3。高分子緩釋硼肥的紅外光譜與上述兩紅外光譜(圖1、圖2)相比，峰的位置與形狀發生了明顯的變化，表明該兩種物質之間發生了化學反應，形成了新的化合物，而不是簡單的混合。同時根據有關文獻報導及紅外光譜書，1670cm-1吸收峰對應著C＝O鍵振動吸收，1450cm-1吸收峰對應著C-N鍵振動吸收，3457cm-1和3357cm-1吸收峰對應著N-H鍵振動吸收，1159cm-1鍵吸收帶對應著P＝O、P-N鍵的振動吸收；1340cm-1吸收峰對應著B-N的鍵振動吸收，這些結果進一步說明兩種縮聚物之間發生了反應，生成了如上所示的高分子緩釋硼肥。
(4)將熔融狀的縮聚反應產物造粒。
與現有技術不同，本發明是將氮、磷、鉀、硼四種營養元素通過化學組合的方法，應用縮聚反應，合成具有可降解結構單元的高分子化合物，四種元素的比例可以在一定範圍內進行調節，以滿足不同土壤、不同品種水稻作物的不同需求，因此，化肥的有效利用率大大提高。此外，本發明突破了包膜緩釋的範疇，不是靠膜的逐步降解和水解，而是通過聚合物自身在土壤中水和微生物作用下的逐步降解和水解而釋放出可被植物吸收的營養元素。
相對於現有技術，本發明具有的顯著優點有 (1)本發明的高分子緩釋硼肥是一種可降解高分子物質，施入土壤後，在土壤中水和微生物的作用下，逐步降解和水解，轉變為能被植物吸收的營養元素。由於其降解和水解是一個逐步加速的過程，所以早期肥料中的營養元素釋放的慢，中期釋放的快，後期釋放的也慢，這與植物生長所需養份的周期正好相適應，因此，可大幅度提高肥料的利用率。
圖4顯示了高分子緩釋硼肥硼、氮、磷、鉀四種元素在水中的養分緩釋特性。由圖可知，高分子緩釋硼肥在水中硼、銨態氮、速效磷和速效鉀的釋放均呈現早期比較平緩、中期釋放的快的規律。同時顯示硼、速效磷的釋放最快，其次是速效鉀，銨態氮釋放最慢。該高分子緩釋硼肥在水中具有約60天的養分緩釋周期。
(2)本發明的高分子緩釋硼肥的分子組成，除氮、磷、鉀、硼四要素外，其餘成份為碳、氫、氧三種元素，不含對土壤有害的其它元素，是一種無毒、無味、無腐蝕的物質，其水溶液呈中性(pH值為6.5～7.5)，不會導致土壤酸鹼化，不會造成環境汙染，；降解和水解後釋放出的營養元素全部可以為植物吸收，無任何殘留成分，不會導致土壤板結或沙化，也不會造成環境汙染，是一種對環境友好的化肥。
(3)本發明的高分子緩釋硼肥的總養分含量(B％+N％+P2O5％+K2O％)高達53.3wt％～87.5wt％，在相同的增產效果下，該化肥的施肥量可大幅度減少。
本發明的高分子緩釋硼肥在農業中的使用方法有三種一種是作為水稻專用肥單獨使用，一種是與農家肥混合使用，還有一種是作為特別需要補充硼元素的農作物的緩釋肥施用。



圖1為尿素與硼酸二氫鉀的反應產物的紅外光譜圖。
圖2為尿素與磷酸二氫鉀的反應產物的紅外光譜圖。
圖3為生成的高分子緩釋硼肥的紅外光譜圖。
圖4為高分子緩釋硼肥水中養分緩釋性能測試結果。

具體實施例方式 實施例1 高分子緩釋硼肥，是具有以下通式的化合物
式中m＝1～10，n＝0～5，x＝5～10。
本實施例中，m＝1、n＝0、x＝5，分子中硼的質量百分含量為5.3wt％，氮的質量百分含量為27.2wt％，鉀含量以K2O的質量百分含量表示，K2O的質量百分含量為22.8wt％。分子量為1000，總養分含量55.3％。
具體製備時，在40升不鏽鋼反應釜中，加入硼酸6.2kg、氫氧化鉀5.6kg，加熱到80～100℃(80℃或85℃或90℃或95℃或100℃)，生成硼酸二氫鉀，然後加入尿素12kg，控制反應溫度至110℃～140℃(110℃或120℃或130℃或140℃)，使反應物保持在熔融狀態，然後加入甲醛2.4kg，繼續在此條件下進行縮聚反應，至體系粘度達到造粒要求的粘度時停止反應，然後將熔融狀的縮聚反應產物造粒。得高分子緩釋硼肥20kg。
實施例2 高分子緩釋硼肥，是具有以下通式的化合物
式中m＝1～10，n＝0～5，x＝5～10。
本實施例中，m＝1、n＝5、x＝10時，分子中硼的質量百分含量為1.1wt％，氮的質量百分含量為22.7wt％，鉀含量以K2O的質量百分含量表示，K2O的質量百分含量為28.2wt％，磷含量以P2O5的質量百分含量表示，P2O5的質量百分含量為35.5wt％。分子量為10000，總養分含量87.5％。
具體製備時，在40升不鏽鋼反應釜中，加入硼酸0.93kg、碳酸鉀1.04kg，加熱到80～100℃(80℃或85℃或90℃或95℃或100℃)，生成硼酸二氫鉀，然後加入磷酸二氫鉀10.2kg、尿素10.8kg，控制反應溫度至110℃～140℃(110℃或120℃或130℃或140℃)，使反應物保持熔融狀態，然後加入甲醛0.8kg，繼續在此條件下進行縮聚反應，至體系粘度達到造粒要求的粘度時停止反應，然後將熔融狀的縮聚反應產物造粒。得高分子緩釋硼肥20.5kg。
實施例3 高分子緩釋硼肥，是具有以下通式的化合物
式中m＝1～10，n＝0～5，x＝5～10。
本實施例，m＝10、n＝0、x＝10，分子中硼的質量百分含量為8.3wt％，氮的質量百分含量為23.6wt％，鉀含量以K2O的質量百分含量表示，K2O的質量百分含量為35.7wt％，分子量為13160，總養分含量67.6％。
具體製備時，在40升不鏽鋼反應釜中，加入硼酸7.5kg、氫氧化鉀6.7kg，加熱到80～100℃(80℃或85℃或90℃或95℃或100℃)，生成硼酸二氫鉀，然後加入尿素8kg，控制反應溫度至110℃～140℃(110℃或120℃或130℃或140℃)，使反應物保持熔融狀態，然後加入甲醛0.32kg，繼續在此條件下進行縮聚反應，至體系粘度達到造粒要求的粘度時停止反應，然後將熔融狀的縮聚反應產物造粒。得高分子緩釋硼肥20kg。
實施例4 高分子緩釋硼肥，是具有以下通式的化合物
式中m＝1～10，n＝0～5，x＝5～10。
本實施例，m＝10、n＝5、x＝10，分子中硼的質量百分含量為5.2wt％，氮的質量百分含量為22.6wt％，鉀含量以K2O的質量百分含量表示，K2O的質量百分含量為33.3wt％，磷含量以P2O5的質量百分含量表示，P2O5的質量百分含量為16.7wt％。分子量為21160，總養分含量77.8％。
具體製備時，在40升不鏽鋼反應釜中，加入硼酸5kg、碳酸鉀5.5kg，加熱到80～100℃(80℃或85℃或90℃或95℃或100℃)，生成硼酸二氫鉀，然後加入磷酸二氫鉀5.4kg、尿素8.2kg，控制反應溫度至110℃～140℃(110℃或120℃或130℃或140℃)，使反應物保持熔融狀態，然後加入甲醛0.43kg，繼續在此條件下進行縮聚反應，至體系粘度達到造粒要求的粘度時停止反應，然後將熔融狀的縮聚反應產物造粒。得高分子緩釋硼肥19kg。
實施例5 高分子緩釋硼肥，是具有以下通式的化合物
式中m＝1～10，n＝0～5，x＝5～10。
本實施例，m＝5、n＝3、x＝8，分子中硼的質量百分含量為4.4wt％，氮的質量百分含量為22.4wt％，鉀含量以K2O的質量百分含量表示，K2O的質量百分含量為30.1wt％，磷含量以P2O5的質量百分含量表示，P2O5的質量百分含量為17.1wt％。分子量為9980，總養分含量74％。
具體製備時，在40升不鏽鋼反應釜中，加入硼酸5kg、氫氧化鉀4.5kg，加熱到80～100℃(80℃或85℃或90℃或95℃或100℃)，生成硼酸二氫鉀，然後加入磷酸二氫鉀6.6kg、尿素9.6kg，控制反應溫度至110℃～140℃(110℃或120℃或130℃或140℃)，使反應物保持熔融狀態，然後加入甲醛0.84kg，繼續在此條件下進行縮聚反應，至體系粘度達到造粒要求的粘度時停止反應，然後將熔融狀的縮聚反應產物造粒。得高分子緩釋硼肥22kg。
實施例6 高分子緩釋硼肥，是具有以下通式的化合物
式中m＝1～10，n＝0～5，x＝5～10。
本實施例，m＝3、n＝1、x＝6，分子中硼的質量百分含量為4.8wt％，氮的質量百分含量為24.6wt％，鉀含量以K2O的質量百分含量表示，K2O的質量百分含量為27.5wt％，磷含量以P2O5的質量百分含量表示，P2O5的質量百分含量為10.4wt％。分子量為4092，總養分含量67.3％。
具體製備時，在40升不鏽鋼反應釜中，加入硼酸5.58kg、碳酸鉀6.21kg，加熱到80～100℃(80℃或85℃或90℃或95℃或100℃)，生成硼酸二氫鉀，然後加入磷酸二氫鉀4kg、尿素10.8kg，控制反應溫度至110℃～140℃(110℃或120℃或130℃或140℃)，使反應物保持熔融狀態，然後加入甲醛1.5kg，繼續在此條件下進行縮聚反應，至體系粘度達到造粒要求的粘度時停止反應，然後將熔融狀的縮聚反應產物造粒。得高分子緩釋硼肥23kg。
權利要求
1.一種高分子緩釋硼肥，其特徵為是具有以下通式的化合物
式中m＝1～10，n＝0～5，x＝5～10。
2.根據權利要求1所述的高分子緩釋硼肥，其特徵為該高分子緩釋硼肥中硼、氮、磷、鉀各元素的含量以質量百分含量計為硼1wt％～8wt％，氮22wt％～29wt％，以P2O5計的磷0wt％～33wt％，以K2O計的鉀22wt％～35wt％。
3.根據權利要求1所述的高分子緩釋硼肥，其特徵為m＝1、n＝0、x＝5，分子中硼的質量百分含量為5.3wt％，氮的質量百分含量為27.2wt％，鉀含量以K2O的質量百分含量表示，K2O的質量百分含量為22.8wt％，分子量為1000。
4.根據權利要求1所述的高分子緩釋硼肥，其特徵為m＝1、n＝5、x＝10時，分子中硼的質量百分含量為1.1wt％，氮的質量百分含量為22.7wt％，鉀含量以K2O的質量百分含量表示，K2O的質量百分含量為28.2wt％，磷含量以P2O5的質量百分含量表示，P2O5的質量百分含量為35.5wt％，分子量為10000。
5.根據權利要求1所述的高分子緩釋硼肥，其特徵為m＝10、n＝0、x＝10，分子中硼的質量百分含量為8.3wt％，氮的質量百分含量為23.6wt％，鉀含量以K2O的質量百分含量表示，K2O的質量百分含量為35.7wt％，分子量為13160。
6.根據權利要求1所述的高分子緩釋硼肥，其特徵為，m＝10、n＝5、x＝10，分子中硼的質量百分含量為5.2wt％，氮的質量百分含量為22.6wt％，鉀含量以K2O的質量百分含量表示，K2O的質量百分含量為33.3wt％，磷含量以P2O5的質量百分含量表示，P2O5的質量百分含量為16.7wt％，分子量為21160。
7.如權利要求1所述的高分子緩釋硼肥的製備方法，其特徵為按如下步驟進行
(1)在反應器中加入理論計算量的反應物和硼酸，加熱到80℃～100℃，得到硼酸二氫鉀，所述反應物為氫氧化鉀或碳酸鉀，該反應如下
(2)在上述反應器中再加入理論計算量的尿素和選擇性的磷酸二氫鉀，控制反應溫度在110℃～140℃，使反應物保持在熔融狀態，該過程所進行的反應如下
①
②
(3)然後加入理論計算量的甲醛，繼續在110℃～140℃條件下進行縮聚反應，至體系粘度達到造粒要求的粘度時停止反應，該過程所進行的反應如下
(4)將熔融狀的縮聚反應產物造粒。
全文摘要
本發明涉及緩釋肥，具體為一種高分子緩釋硼肥及其製備方法。解決目前沒有高分子緩釋硼肥的問題。該高分子緩釋硼肥是具有以下通式的化合物式中m＝1～10，n＝0～5，x＝5～10。其製備方法是在硼酸、氫氧化鉀或碳酸鉀生成硼酸二氫鉀，然後加入尿素，控制反應溫度至110℃～140℃，使反應物保持熔融狀態，然後加入甲醛，繼續在此條件下進行縮聚反應，至體系粘度達到造粒要求的粘度時停止反應，然後將熔融狀的縮聚反應產物造粒。該高分子緩釋硼肥可作為水稻專用肥單獨使用，或者與農家肥混合使用，或者作為特別需要補充硼元素的農作物的緩釋肥施用。
文檔編號C05G3/00GK101734981SQ20091026391
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月23日 優先權日2009年12月23日
發明者劉亞青, 趙貴哲, 孫友誼, 王燕, 杜瑞奎, 曹楊, 朱福田 申請人:中北大學