作者:李晨 郭翠华 来源:中国科学报 发布时间:2020/7/6 11:42:30
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改性生物基膜攻克控释性能难题


超疏水纳米月桂酸铜改性生物基包膜控释肥空气膜作用机制       山东农大供图

超疏水纳米月桂酸铜改性生物基包膜控释肥合成原理       山东农大供图

纳米粒子负载修复剂的自修复机理       山东农大供图

纳米月桂酸铜的油水分离效果图       山东农大供图

近日,山东农业大学教授杨越超团队利用超疏水和自修复堵孔新技术,对现有控释肥料的生物基包膜进行改性,在攻克其控释性能差这一瓶颈上取得新突破。该成果发表于《美国化学学会应用材料与界面》。

生产中使用的控释肥料膜材主要来源于石油化工产品,但这类产品生产成本高,影响了其大规模推广应用。

论文通讯作者杨越超介绍,近年来,研究人员对农业废弃物资源,如植物秸秆、淀粉、植物油等天然生物基原料进行二次利用,制备了新型生物基控释膜材。该材料的控释肥包膜来源广泛、资源可再生、价格低廉,广受行业人员青睐。

然而,生物基膜材中含有大量亲水基团,易吸水;在水分进入和养分溶出膜壳的过程中,膜材上有些物质会随溶液一起溶出膜外,导致膜壳孔隙增大或破裂。这些因素导致生物基包膜控释肥料在生产中出现了养分控释期短、控释质量差的难题。

为解决这一影响生产的瓶颈问题,杨越超团队长期探究不同改性技术提高生物基包膜控释特性的机制,合成纳米材质的超疏水材料、膜材修复剂,用在控释肥料的生物基包膜中对其进行改性。

针对生物基包膜易吸水的问题,杨越超团队用一步合成法研制了一种新型、易制备、经济环保的纳米月桂酸铜,用在控释肥的生物基包膜中。研究结果表明,该纳米材料具有超疏水性和超亲油性。利用X射线成像技术直接观测到超疏水表面与水接触面有一层空气层存在。该空气层使水不能直接润湿膜材,只能以水分子的形式扩散进入膜内,从而能减缓水分进入和养分溶出膜外的速率,使包膜内的养分释放周期增加了近10 倍。

该团队在研究中还发现,将纳米月桂酸铜材料在纸、金属、玻璃、无纺布等不同基材上进行喷涂包衣,均可使这些材质表面具有超疏水性。采用该纳米材料包覆的无纺布和100目尼龙网可以对油水混合物进行有效地分离,具有极高的分离效率和可重复使用性。该纳米材料还表现出良好的抗菌能力和长期稳定性,因此该材料不仅可以应用于包膜控释肥料,还可以应用于各种防水涂层,油水分离和抑制土传病害等。

针对生物基膜材中有些物质随着水分和养分流出问题,杨越超团队把修复剂海藻酸钠和生物刺激素海藻素负载到中空纳米粒子中,然后将该类材料添加到生物基膜材中。

研究表明,在控释肥养分释放过程中,纳米粒子负载的修复剂逐渐释放到膜材中,与膜材中的固化剂迅速反应固化形成凝胶,实现堵孔,从而实现生物基膜壳的自修复功能,大幅升了包膜控释肥料的控释性能。

相关论文信息:https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c06530

 
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