芳香族二硫化物改性生物基聚氨酯包膜肥料的氮素控释性能提升与自修复机制研究

针对生物基包膜肥料制备过程中膜壳易损、控释性能不足的难题，研究人员通过引入芳香族二硫化物共价化合物对生物基聚氨酯(PU)进行自修复改性。研究合成了三种不同分子构型的改性材料(BSPU-1/2/3)，发现其拉伸强度提升700%，包膜孔隙率降低，养分释放周期延长至148天，为绿色高效控释肥料的开发提供新思路。

　　

随着全球农业可持续发展需求的增长，传统石油基包膜控释肥料(CRFs)面临成本高、难降解等问题。生物基材料虽具环保优势，但其聚氨酯(PU)包膜存在结构疏松、机械强度差等缺陷，导致养分释放过快、膜壳易破损。更棘手的是，生产过程中颗粒碰撞产生的微裂纹会加速养分流失，严重制约其实际应用。如何赋予包膜材料自修复能力，同时精准调控养分释放速率，成为农业材料领域的重要挑战。

中国热带农业科学院的研究团队创新性地将动态共价化学引入生物基PU设计。他们选用三种芳香族二硫化物（2,2'-二氨基二苯二硫醚、4,4'-二氨基二苯二硫醚和4,4'-二羟基二苯二硫醚）对蓖麻油基PU进行分子改性，通过二硫键的动态交换特性实现材料自修复功能。研究采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、热重分析(TGA)等技术表征材料结构，通过拉伸测试和养分释放实验评估性能，系统比较了不同分子构型二硫化物对材料性能的影响规律。

材料结构分析
FTIR光谱显示3340 cm^-1处氨基甲酸酯特征峰证实了PU的成功合成，1695 cm^-1处羰基峰位移表明二硫化物与PU链形成氢键相互作用。X射线光电子能谱(XPS)中163.5 eV的S 2p峰证实了二硫键的存在，而BSPU-2的硫原子含量最高，提示4,4'-二氨基构型更利于网络形成。

机械性能与热稳定性
改性后材料拉伸强度提升6-8倍，其中BSPU-2表现最优（7.25 MPa）。动态热机械分析(DMA)显示储能模量提高200%，80℃下二硫键重组使划痕在30分钟内完全修复。TGA证明改性材料热分解温度提高40-60℃，归因于二硫键交联网络对分子链运动的限制。

控释性能调控
在7%包膜率下，BSPU-2包膜尿素的氮素释放周期达148天，较未改性PU延长3倍。扫描电镜(SEM)显示改性包膜表面孔隙率降低60%，原子力显微镜(AFM)测得的表面粗糙度(Ra)从58.3 nm降至21.7 nm，有效抑制了养分暴释。

该研究通过分子设计实现了"强度-自修复-控释"性能的协同提升，首次阐明芳香族二硫化物分子构型对生物基PU性能的构效关系。4,4'-二氨基构型因其对称性更易形成致密网络，展现出最佳综合性能。这种动态共价交联策略不仅解决了生物基包膜易损的技术瓶颈，其环境响应特性更契合智慧农业需求。研究为开发新一代绿色控释肥料提供了理论支撑，对减少农业面源污染、推动碳中和目标实现具有重要意义。