[发明专利]制造聚合物包覆控释肥料

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年8月20日提交的序列号为61/691051的美国临时专利申请和于2013年2月18日提交的序列号为61/766041的美国临时专利申请的优先权。所有上述文件的内容通过引用整体合并于此。

技术领域

本发明的实施例整体涉及肥料，尤其涉及聚合物包覆肥料。更具体地，本发明的实施例涉及制造用于植物和作物的带有控释机制的聚合物包覆肥料的系统和方法。

背景技术

肥料是添加到土壤以为植物的生长供应一种或多种植物必需养分的天然或合成来源的有机或无机材料。肥料宽泛地分为有机肥料(由植物或动物物质组成)或无机/商用肥料。植物只吸收以易溶化合物形式存在的必要养分。有机和无机肥料都提供所需的相同化合物。有机肥料提供常量营养素和微量营养素。常量营养素和微量营养素随有机物质分解释放。分解延续数月或数年。另外有机肥料具有较低浓度的植物养分并且具有经济的收集、处理、运输以及分配的常见问题。无机肥料易于溶解和施加到土壤。溶解的无机肥料易于被植物根部获取。

当将大多数市场上可买到的肥料施加到草坪或农作物时，它们迅速地溶解在土壤的水分中。通常，这种肥料的溶解速率超过其被植物吸收的速率。这导致很多显著问题。首先，过量的肥料会渗到地下水中从而产生潜在的严重环境危害。除上述之外，植物附近肥料的过度集中会导致烧伤或损害植物根部。因为这些问题，在整个生长季节中通常必须以若干小剂量施加这些肥料而不是一次大量施加。但是，对于重复施加的需求增加劳动力成本。最差情况是，重复施加会导致对生长植物造成物理损害，因为施肥设备必须多次越过植物。

为了使肥料到环境的损失最小化并避免对于重复施加的需求，已经开发了各种缓释或控释肥料。编号4042366、5147443、5435821和6231633的美国专利公开了这种控释肥料。在生长季节的开始时施加这些肥料以促进肥料在初始生长时期较快地释放，在随后的整个生长季节较慢地释放或逐渐地释放。缓释或控释肥料广泛地用在农作物、家庭草坪、公共草坪、高尔夫球场、家庭花园、苗圃以及园艺作物上。

聚合物包覆肥料是技术最先进的控释肥料。很多制造方法被开发和用来生产聚合物包覆肥料，并且它们在编号4019890、4369055、5176734、5211985、5374292、5858094、6338746和8211201的美国专利中公开。通常通过将非水溶性半透聚合物层包覆到肥料颗粒上来生产聚合物包覆控释肥料。肥料通过扩散穿过该半透包覆层在一定时期内释放到土壤中。

一种制造聚合物包覆肥料的流行方法是通过在颗粒的表面上反应化学单体来形成聚合物膜。该方法被称为反应层包覆，其中形成聚氨酯聚合物。另一种制造聚合物包覆肥料的流行方法是通过将聚合物溶液喷射到肥料颗粒上并蒸发溶剂从而形成聚合物膜包覆层。该方法被称为流化床包覆并且它要求昂贵的溶剂和溶剂回收系统。

控释肥料最关键的方面是包覆层的透湿性，其受包覆聚合物的厚度影响。肥料的释放通过扩散穿过包覆层发生，并且释放速率的一致性取决于包覆层厚度的一致性。不均匀的包覆层厚度会具有不均匀的湿传递速率，并且因此控释产品的质量也会变化。

现有包覆技术的另一个关键缺点是这些包覆过程将聚合物溶液喷射到在旋转滚筒或流化床的竖直柱内以随机方式翻滚和滚动的多个肥料颗粒上。不均匀形状颗粒产生完全随机的滚动模式，从而不能引导包覆并导致不均匀的包覆层厚度。当所述形状非常不均匀或者是非球形时，例如肥料产品是通过压实工艺生产的具有高度不均匀形状时，该问题会更严重。因此所有现有包覆技术要求带有光滑表面的昂贵的优质级圆形肥料颗粒(US 6039781 A&US 6139597 A)能够使得包覆层的非均匀性最小化。

现有工艺的缺点是要么这些方法是诸如聚氨酯的特定聚合物工艺，要么在流化床包覆的情况下所述工艺要求昂贵的溶剂来生产包覆层。所有这些方法生产的产品是非常昂贵的，并且有时成本等于传统肥料成本的4-6倍。昂贵的主要原因是使用了昂贵聚合物或使用了昂贵溶剂或使用了二者。另一个缺点是多数这些制造工艺是昂贵的批量式工艺。

现有工艺的另一个缺点是它们要求多次施加聚合物以增加肥料周围聚合物包覆层的厚度，如美国专利7018441 B2中公开的。例如，它要求近16次施加聚氨酯聚合物以实现8％的包覆层厚度。每次施加仅实现0.5％的包覆层厚度，因此多次施加要求更多的时间和能量，从而增加生产成本。

现有包覆技术的另一个缺点是由于要在包覆系统中湍动，所以压缩强度或压碎强度较低的肥料颗粒不能被包覆。