研究人员开发了一种纳米SiO2改性超疏水聚氨酯包膜控释尿素

近日，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所肥料及施肥技术创新团队，针对聚氨酯包膜控释肥料膜层疏水性不佳导致养分控释期短等行业痛点，成功研发出一种纳米SiO₂改性超疏水聚氨酯包膜控释尿素。该新型肥料膜层水接触角（WCA）高达165.44°，控释期最长可达61天，相关研究成果已发表于《ACS Omega》期刊（JCR Q1, IF 4.3）。

包膜控释肥料作为现代农业高效施肥的重要载体，可调控养分释放，实现与作物养分需求的动态匹配。在一次性施肥模式下，其不仅能有效减少氮素流失，保障作物稳产高产，还能优化农田氮素管理，降低农户劳动投入，实现环境效益与经济效益的协同统一。然而，在实际生产应用中，聚氨酯包膜肥料普遍存在膜层疏水性能较差、控释期偏短的短板，难以精准匹配作物全生育期的养分需求，制约了其推广应用。因此，将纳米技术与包膜控释技术相结合，延长肥料控释期、实现养分精准控释，已成为当前控释肥料领域的核心技术突破方向。纳米SiO₂因来源广泛、成本低廉，且具备极高的化学稳定性、良好的生物相容性、低毒性，同时拥有巨大的比表面积和极强的表面吸附与反应活性，成为提升包膜膜层疏水性的最优改性材料。

本研究以不同粒径的SiO₂为核心原料，首先采用1H,1H,2H,2H-全氟癸基三甲氧基硅烷（FAS），通过“先醇解、再缩合”的两步法，将其接枝到SiO₂表面，有效提升了SiO₂的分散性，成功制备出FAS-SiO₂改性超疏水材料。其次，系统研究了表面涂布法、共混法、外层共混法三种工艺对超疏水纳米SiO₂包膜尿素膜层表面能、微观形貌、粗糙度、水接触角等性能以及肥料控释期的影响，指出表面涂布法能最大限度发挥FAS-SiO₂的超疏水特性，可显著降低膜层表面能、构建稳定的微/纳超疏水结构，膜层水接触角高达158.24°，且膜层稳定性表现优异，成功解决了纳米涂层易脱落的关键技术难题。最后，研究发现不同粒径的FAS-SiO₂对膜层性能及控释期具有显著影响，其中以20 nm FAS-SiO₂改性的聚氨酯包膜肥料综合性能最佳，与普通聚氨酯包膜尿素相比，控释期可延长21天。该研究成果不仅为纳米控释肥料的研发与应用提供了坚实的理论支撑，也为加快包膜肥料产业升级、推动产品迭代更新提供了重要的技术保障，对促进现代农业绿色高效发展具有重要意义。

中国农业科学院农业资源与农业区划研究所硕士研究生赵森为论文第一作者，李娟研究员和杨相东研究员为论文共同通讯作者。本研究得到北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室、“十四五”国家重点研发计划项目（2024YFD1700102）、国家自然科学基金项目（32372819）和中央级公益性科研院所基本科研业务费所级统筹项目（1610132023005）等项目共同资助。

图.纳米SiO2改性聚氨酯超疏水聚氨酯包膜控释肥料制备原理图