包膜控釋肥能調控養分釋放，提高肥料利用率和作物產量，并能有效減少養分損失對環境帶來的負面影響。但是目前市場上的包膜控釋肥采用的膜材大都來源于石油化工產品，價格昂貴、不易降解、不可再生。因此，來源廣泛、可再生的的生物基膜材的研發成為熱點。但是生物基膜材存在兩大缺點：一是含有親水基團易吸水；二是生物基原料在反應成膜過程中存在一些不參與反應成膜的物質，該不成膜物質在水分進入和養分溶出膜殼的過程中，會隨溶液一起溶出膜外，導致膜殼孔隙增大或破裂，加速了養分釋放，影響了其對養分的控釋性能，是制約生產的瓶頸問題。
針對上述問題，楊越超教授團隊從超疏水改性入手，以乙醇和水為溶劑，一步法合成了納米月桂酸銅，并將該納米材成功地用于對蓖麻油生物聚氨酯進行改性，然后對尿素肥料進行包膜，制得超疏水性改性的生物基包膜肥料（SBPCU）。相較于未改性的生物基包膜肥料（BPCU），SBPCU明顯提升了控釋特性，延長了釋放周期。同時，利用X射線成像技術直接觀測到超疏水表面與水接觸面有一層空氣層存在，該層空氣層使水不能直接潤濕膜材，只能以水分子的形式擴散進入膜內，從而能減緩水分進入和養分溶出膜外的速率，提升控釋性能。
圖1 超疏水納米月桂酸銅改性生物基包膜控釋肥制備示意圖、空氣膜圖及超疏水增效原理圖
另外，將該材料在紙、金屬、玻璃、無紡布等不同基材上進行噴涂包衣，均可使這些材質表面具有超疏水性和超親油性。采用該納米材料包覆的無紡布和100目尼龍網可以對油水混合物進行有效地分離，具有極高的分離效率和可重復使用性。此外，該納米材料表現出良好的抗菌能力和長期穩定性，因此該材料不僅可以應用于包膜控釋肥料，還可以應用于各種防水涂層，油水分離和抑制土傳病害等？偟膩碚f，這種新型的納米月桂酸銅是一種簡單易得、低成本、多功能的涂層材料，在未來有廣闊的應用前景。
圖2 納米月桂酸銅超疏水、油水分離及抑菌功能圖示
但是，隨著他們研究的深入，雖然可以通過上述的技術措施提高生物基膜殼的疏水性，克服其易親水的缺點，但是很難大幅度的提高該類膜材的養分控釋期。主要原因是生物基膜材中的不反應易溶物質的溶出，會導致膜殼孔隙增大或破裂，這就是即使采用超疏水改性，也很難大幅度提高控釋性能的關鍵問題所在。因此，通過一系列的技術和手段，修復因不成膜物質溶出而導致的膜殼微孔通道增加或膜殼破損的問題，就成為提高該類產品質量的關鍵問題。如果該技術和機理機制得以闡明，也就解決了制約該類肥料產業化的瓶頸問題。針對這一關鍵問題，他們將膜材修復劑負載到中空納米粒子中，然后將該類材料添加到生物基膜材中，在控釋肥養分釋放過程中，納米粒子負載的修復劑逐漸釋放到膜材中，與膜材中的固化劑迅速反應固化形成凝膠，實現堵孔，大幅升了包膜控釋肥料的控釋性能。從而實現生物基膜殼的自修復功能。
圖3不同包膜肥料（A 3%，B 5%包膜含量）在25℃水中的氮釋放曲線。自修復改性肥料自修復前（C1-C3）和自修復后（D1-D3）材料的掃描電鏡；自修復原理圖（E）。
以上相關成果分別發表在Journal of Materials Chemistry A (J. Mate. Chem. A 2019, 7, 9503–9509) 和ACS Applied Materials and Interfaces 上。論文的第一作者均為山東農業大學副教授張淑剛博士，通訊作者為楊越超教授。
原文鏈接：https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c06530
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