聚醚多元醇羟基当量对尿素（46-0-0）控释聚氨酯涂层的影晌

《RSC Applied Polymers》：Effects of polyether polyol hydroxyl equivalent weight on controlled release polyurethane coatings of urea (46-0-0)

本研究采用聚丙烯醚三醇不同分子量材料制备聚脲涂层，探究其对尿素缓释肥料性能的影响。结果表明，随着三醇分子量降低，羟基当量重量（HEW）下降，交联密度增加，缓释效果提升，分子量260的涂层在84天仅释放63%。对比实验显示，甘油基涂层无法形成均匀薄膜，缓释性能差。该研究建立了涂层结构与性能的关系，为优化缓释肥料提供理论依据。

　　本研究探讨了在尿素颗粒表面逐层涂覆聚氨酯涂层并添加蜡添加剂，以分析不同分子量的聚丙烯氧化物三醇（poly(propylene oxide) triol）对控释肥料（Controlled Release Fertilizer, CRF）性能的影响。尿素（46-0-0）作为氮肥的主要来源，因其高水溶性而广泛应用于农业生产中。然而，这种高水溶性也带来了释放速率过快的问题，容易导致养分过量释放、根部烧伤以及环境中的氮素流失。因此，通过引入聚合物涂层，可以有效调控尿素的释放速率，从而提高养分利用效率（Nutrient Use Efficiency, NUE）并减少对环境的负面影响。

在实验中，研究者采用了不同分子量的聚丙烯氧化物三醇（P1000、P700、P450、P260）与蜡（C30+HA）结合，形成逐层的聚氨酯涂层。涂层的制备过程是在80 °C下进行，以确保反应的充分进行。同时，为了维持反应的化学计量比，所有聚醇均以10%的三乙醇胺（TEOA）作为活性催化剂。在涂层固化后，研究人员对尿素的释放行为进行了评估，主要通过测量溶液的折射率来追踪释放过程。研究结果显示，随着聚醇分子量的减小，其对应的羟基当量重量（Hydroxyl Equivalent Weight, HEW）也相应降低，从而需要增加聚异氰酸酯（如PAPI? 27）的用量，以保持化学平衡，最终形成更高交联密度的涂层。

交联密度是影响控释性能的关键因素之一。高交联密度的涂层通常具有更强的结构稳定性，从而减缓水分子的渗透速率，进而降低尿素的释放速率。然而，研究中发现，当聚醇的HEW过低时，即使交联密度显著提高，其释放性能仍然受到限制。例如，使用甘油（glycerol）作为聚醇的涂层（F）虽然理论上具有较高的交联密度和玻璃化转变温度（Tg），但由于涂层的物理厚度不足以完全覆盖尿素颗粒，导致释放速率过快，几乎在14天内释放完毕，而未能实现有效的控释效果。这表明，涂层的物理覆盖度和化学结构之间存在复杂的相互作用，单靠化学参数的调整并不能完全决定控释性能。

另一方面，聚丙烯氧化物三醇（P1000、P700、P450、P260）在不同HEW下的表现各不相同。其中，P260由于其较低的HEW，需要更多的聚异氰酸酯来维持反应的平衡，最终形成高交联密度的涂层，从而显著延缓尿素的释放。例如，P260涂层（E）在28天时仅释放了12%，而在84天时仍仅释放了63%。相比之下，P1000涂层（B）虽然HEW与P260相近，但由于其交联密度略低，释放速率较快，28天时释放了54%，并在28天内释放超过95%。而P700涂层（C）则表现出更为平衡的释放行为，28天释放了49%，84天释放了76%。P450涂层（D）则在所有测试时间点都表现出最慢的释放速率，28天时仅释放了24%，84天时释放了80%。这些数据表明，随着聚醇分子量的减小，HEW降低，交联密度增加，尿素的释放速率也随之减缓。

此外，玻璃化转变温度（Tg）也被用于评估涂层的物理性能。Tg是衡量材料在玻璃态和橡胶态之间转变的温度，对于控释涂层而言，较高的Tg通常意味着材料在低温下仍能保持一定的结构稳定性，从而延缓水分子的渗透。研究中发现，随着交联密度的增加，Tg也随之升高。例如，P260涂层的Tg为128.7 °C，远高于P1000涂层的28.4 °C。然而，Tg的升高并不总是与释放速率的减缓成正比。这说明，虽然交联密度和Tg是影响释放性能的重要参数，但它们与释放速率之间的关系并非线性，而是受到多种因素的综合影响。

值得注意的是，聚丙烯氧化物三醇的结构特性在释放行为中扮演了重要角色。这些聚醇的分子链中含有较多的亲水性基团，使得其在与聚异氰酸酯反应时，能够形成具有不同物理性质的涂层。例如，P260的结构可能使其在与聚异氰酸酯结合时，形成更致密的交联网络，从而有效阻止水分子的渗透。然而，这种致密结构的形成需要足够的聚异氰酸酯来维持反应的进行，而如果聚异氰酸酯的用量不足，则可能导致涂层结构不完整，进而影响释放控制效果。

在实际应用中，控释肥料的性能不仅取决于涂层的化学结构，还受到制备工艺的影响。例如，温度、旋转速率、涂层重量等参数都会影响涂层的均匀性和厚度。在本研究中，所有涂层的制备条件均保持一致，以确保结果的可比性。这使得研究能够更准确地评估不同聚丙烯氧化物三醇对释放性能的影响，而不受其他变量的干扰。

综上所述，本研究揭示了聚丙烯氧化物三醇分子量与控释肥料性能之间的结构-性能关系。通过调整聚醇的分子量，可以精确控制涂层的交联密度和Tg，从而实现不同释放速率的调控。然而，研究也指出，某些聚醇（如甘油）虽然理论上具有较高的交联密度，但由于其物理特性或涂层制备过程中的限制，未能有效实现控释效果。这提示在实际应用中，除了化学参数的优化，还需要关注涂层的物理覆盖度和制备工艺的稳定性。

控释肥料的应用对于现代农业具有重要意义。通过合理设计涂层材料和工艺，可以实现养分的持续、缓慢释放，满足作物在不同生长阶段对养分的需求，从而提高肥料的使用效率，减少浪费和环境污染。此外，这种技术还可以用于其他类型的肥料，如磷肥和钾肥，以实现更全面的养分管理。未来的研究可以进一步探索不同聚醇和聚异氰酸酯组合对释放性能的影响，以及如何通过调整工艺参数来优化涂层的均匀性和结构完整性。同时，还可以考虑将其他添加剂（如增塑剂、稳定剂）引入涂层体系，以改善其机械性能和环境适应性。

在实际应用中，控释肥料的性能评估需要结合多种测试方法，包括物理测试、化学测试和环境模拟实验。例如，可以通过测量涂层的厚度、机械强度、吸水率等物理性质来评估其结构稳定性，同时通过释放实验和热分析来了解其在不同环境条件下的表现。此外，还需要考虑实际土壤条件对释放速率的影响，如土壤pH、温度、湿度以及微生物活动等，这些因素都可能影响涂层的降解和尿素的释放。

本研究的成果为未来控释肥料的开发提供了重要的理论基础和实践指导。通过系统地分析不同聚丙烯氧化物三醇对涂层性能的影响，研究者能够更精确地设计和调控释放速率，从而满足不同作物和环境的需求。这不仅有助于提高农业生产的可持续性，还可能为其他领域（如药物缓释、缓释材料等）提供借鉴。未来的研究可以进一步优化涂层配方，探索更多类型的聚醇和聚异氰酸酯组合，以及开发更加环保和高效的涂层材料，以推动控释技术的广泛应用。