华南理工大学余龙教授：生物基材料，不止应用在包装上

2023年2月，生物降解材料研究院、TK生物基材料主办的《生物基与降解材料2022年度大会暨颁奖典礼》将在苏州举办，现诚邀行业专家、企业代表出席，欢迎报名参展参会。

生物基可生物降解材料是指原材料全部或部分来自于生物质，且（制品和/或废弃物）可被微生物降解的材料。该类材料具有废弃后可在自然界微生物（细菌、真菌、放线菌等）作用下发生降解，并最终完全降解成CO2、水、CH4及其所含元素的矿化无机盐以及新的生物质。

淀粉是一种高分子碳水化合物，由葡萄糖分子聚合而成，来源丰富，在玉米、小麦、土豆等植物中的含量均较高。可再生，价格低廉，具有良好的生物降解性能，淀粉降解后会以二氧化碳和水的形式回到大自然，被认为是对环境不产生任何污染的天然可再生材料。目前在农业、包装材料、医疗等方面被广泛应用。

随着宏观经济的发展，以及人类对可持续替代能源的日益关注，在国家政策和市场需求的双重推动下，生物基材料因其独特的全生命周期减碳优势，受到了前所未有的关注。

生物基材料为克服塑料产业环境污染问题提供了一条希望之路，已成为塑料包装材料重要发展方向。但是你以为生物基材料仅仅只在包装材料上发光发热吗？据华南理工大学教授、河南省科学院化学研究所首席科学家余龙介绍，生物基材料还可以用在制作化肥上，化肥产值上万亿远大于包装行业的上百亿，前景广阔。

那么化肥又是怎么和生物基材料联系上的呢?

据了解，我国绝大多数化肥的使用方法基本都是“裸肥”，即没有包膜直接施入土壤，产生了一系列显著弊端。

• 伤害农作物，化肥快速溶解，浓度太高，烧伤种子幼苗和叶片；

• 化肥利用率低，由于自身挥发和雨水淋溶冲刷的原因，有50%~80%的化肥白白流失了；

• 造成土壤板结和土壤酸化；

• 污染生态环境，大量化肥渗入 地下挥发到空气中，污染地下水和大气；

• 污染农产品，过量化肥在植物体内积累过量的硝酸盐和亚硝酸盐，危害人民身体健康，降低农产品口感；

中国是世界最大化肥施用国，但化肥利用率远低于世界平均水平（55%）。2020年我国水稻、小麦、玉米三大粮食作物化肥利用率为40.2%，每亩均施肥用量是美国的2.6倍、欧盟的2.5倍。化肥的长年超量使用，既造成了耕地板结、土壤酸化、地力下降，又增加了农业生产成本、浪费资源、破坏生态环境。同时，中国也是一个极度缺水的国家，人均淡水资源2305立方米，仅为农业大国美国、俄罗斯、巴西和加拿大的1/4、1/12、1/14和1/40。提高化肥和水资源利用率是保证我国粮食安全、促进高质量发展急需解决的战略问题。

2015年农业部制定了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，明确提出到2020年化肥使用量零增长的目标。2021年中央一号文件《中共中央 国务院关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见》，再次提出要加大农业面源污染治理力度，持续推进化肥农药减量增效，实现化肥农药使用量持续减少。

缓控释肥料是提高化肥利用率和减少环境污染的重要手段，传统的缓控释肥包膜材料来源于化石资源，而且存在功能单一、难以降解、破坏土壤结构、污染环境等缺点，创制环境友好的缓控释材料成为亟待解决的核心问题。缓控释化肥与保水剂的复合一体化是同时提高化肥和水资源利用率的重要技术，己成为国际最新前沿研究方向。

传统的缓释化肥主要是使用不可降解的石油基塑料进行表明涂层，如聚乙烯，聚丙烯，比苯乙烯等，但这些塑料无法降解，对土壤产生二次污染，因此生物基可生物降解塑料在这一领域将大有作为。

2017年中共中央办公厅国务院办公厅发布文件，要求各地区各部门认真贯彻落实化肥使用零增长的目标，实现这一战略目标的基本办法，发展控释化肥，现有控释化肥存在着性能低、成本高、污染环境等显著弊端。华南理工大学龙隆科技团队研发了全球首创的淀粉基保水控释化肥，克服了上述市场痛点，为农业生产可持续发展做出了贡献。

可生物降解材料，尤其是淀粉等生物基高分子材料，具有低碳环保、资源丰富和价廉易得等特点，被认为是最有开发前途的绿色材料。本项目以可再生资源淀粉为主要原料，采用国际最先进的反应挤出技术（2019年国际纯粹与应用化学联合会成立100周年纪念会首次公布的化学领域十大新兴技术之一），研究兼具吸水保水和肥料养分调控释放功能的新型生物基全降解材料，开发绿色、高效的加工体系，实现绿色保水缓控释肥料创制与产业化。

产品优势：与同类产品相比，该团队产品具有高性能、低成本和绿色环保的显著优势。

1、肥料利用率高：本产品特有的结构能够有效包裹肥料核芯，减少化肥挥发和雨水淋溶流失，持久稳定的释放养分。农作物在幼苗时期不会烧苗，在生长和成熟时也不会出现饥饿，肥效利用率远远高于裸肥，也高于其他控释化肥。

2、吸水保水：本产品可以像海绵一样在下雨时吸水保水，在缺水时的放水。如此反复，起到微型水库的作用，把水分保持在植物根系周围，对干旱少水地区具有显著的功效。

3、改善土壤：其他化肥包膜的主要成分是多种有机物，塑料高分子和钠质物质，污染土壤，造成土壤板结和酸化。该团队控释化肥的包膜可自然降解，并成为有机肥料，疏松土壤促进农业可持续发展。在新疆大田的实验表明，哈密瓜可增产增收35%。

4、绿色环保：产品减少了化肥使用量，从而减少农产品中硝酸盐和亚硝酸盐含量，有利健康，口感更好。减少化肥施用量，减少了地下水和大气污染。生产过程无废气废水废渣排出，是绿色生产的典范。

5、原料成本低：其他控释化肥的包膜主要成分是多种有机剂和塑料高分子，价格不菲。龙隆控释化肥的包膜由淀粉基高 吸水树脂与植物纤维两种材料复合构成，其中淀粉基高吸水树脂的原材料均为玉米等廉价农产品，可再生来源广，植物纤维为秸秆甘蔗渣等变废为宝，同时还可以减少农村屡禁不止的秸秆焚烧现象。

 6、生产成本低：采用全球首创的双螺杆复合反应挤出体系技术，加工反应均在密闭螺杆中高温进行，效率高周期短，降低了能耗成本和人工成本。

7、施用成本低：裸肥流失严重，农民只好过量施肥或再次施肥，我国每公顷化肥用量是全球平均水平的4倍，提高了种植成本，降低了农民种粮积极性。

该团队通过长期科研实践实现了四大创新：

产品采用纯天然无污染的淀粉材料，但是淀粉在常温下不溶于水，不具备控释和吸水保水的功能，这也是迄今为止淀粉材料未能作为化肥包膜的难点所在。该团队从数百种改性材料中反复试验，筛选出控释效果最好的材料，设计了与之匹配的包被和纤维骨架体配置方案。

各种原材料和改性剂的配比以及浓度会显著影响产品性能。团队经过长期实验确定了适合的配比和浓度。精确掌握了工艺过程中的温度、剪切力、溶液浓度等一系列反应条件和工艺参数，攻克了传统工艺效率低、能耗大等一系列难题。

控释化肥的目标市场可以分为农村用户与城市用户两大类，城市市场包括城市园林和家庭盆栽。过去十年，中国的新型肥料产业得到快速发展。据不完全统计，目前中国从事各类新型肥料生产的企业达2000多家，占到全国肥料生产企业总数的30%，产业资产规模超过500亿元，年产值超过160亿元。我国目前化肥年用量高达5,500万吨，新型肥料正成为中国肥料市场的主力军。

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