超疏水納米月桂酸銅改性生物基包膜控釋肥空氣膜作用機制 山東農大供圖
超疏水納米月桂酸銅改性生物基包膜控釋肥合成原理 山東農大供圖
納米粒子負載修復劑的自修復機理 山東農大供圖
納米月桂酸銅的油水分離效果圖 山東農大供圖
近日，山東農業大學教授楊越超團隊利用超疏水和自修復堵孔新技術，對現有控釋肥料的生物基包膜進行改性，在攻克其控釋性能差這一瓶頸上取得新突破。該成果發表於《美國化學學會應用材料與界面》。
生產中使用的控釋肥料膜材主要來源於石油化工產品，但這類產品生產成本高，影響了其大規模推廣應用。
論文通訊作者楊越超介紹，近年來，研究人員對農業廢棄物資源，如植物秸稈、澱粉、植物油等天然生物基原料進行二次利用，製備了新型生物基控釋膜材。該材料的控釋肥包膜來源廣泛、資源可再生、價格低廉，廣受行業人員青睞。
然而，生物基膜材中含有大量親水基團，易吸水；在水分進入和養分溶出膜殼的過程中，膜材上有些物質會隨溶液一起溶出膜外，導致膜殼孔隙增大或破裂。這些因素導致生物基包膜控釋肥料在生產中出現了養分控釋期短、控釋質量差的難題。
為解決這一影響生產的瓶頸問題，楊越超團隊長期探究不同改性技術提高生物基包膜控釋特性的機制，合成納米材質的超疏水材料、膜材修復劑，用在控釋肥料的生物基包膜中對其進行改性。
針對生物基包膜易吸水的問題，楊越超團隊用一步合成法研製了一種新型、易製備、經濟環保的納米月桂酸銅，用在控釋肥的生物基包膜中。研究結果表明，該納米材料具有超疏水性和超親油性。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。該空氣層使水不能直接潤溼膜材，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，使包膜內的養分釋放周期增加了近10 倍。
該團隊在研究中還發現，將納米月桂酸銅材料在紙、金屬、玻璃、無紡布等不同基材上進行噴塗包衣，均可使這些材質表面具有超疏水性。採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複使用性。該納米材料還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於包膜控釋肥料，還可以應用於各種防水塗層，油水分離和抑制土傳病害等。
針對生物基膜材中有些物質隨著水分和養分流出問題，楊越超團隊把修復劑海藻酸鈉和生物刺激素海藻素負載到中空納米粒子中，然後將該類材料添加到生物基膜材中。
研究表明，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，從而實現生物基膜殼的自修復功能，大幅升了包膜控釋肥料的控釋性能。
相關論文信息：https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c06530
版權聲明：凡本網註明「來源：中國科學報、科學網、科學新聞雜誌」的所有作品，網站轉載，請在正文上方註明來源和作者，且不得對內容作實質性改動；微信公眾號、頭條號等新媒體平臺，轉載請聯繫授權。郵箱：shouquan@stimes.cn。