包覆粒状基质的方法和系统

摘要

本发明涉及包覆基质的方法和系统。具体地，本发明涉及其中包覆和固化步骤在分开的容器中进行的方法和系统。这些方法和系统提供更高效受控和有效的包覆过程。

权利要求

1.包覆基质的方法，其包括下述步骤：

(a)在混合设备中混合所述基质和包膜材料，以形成包覆的混合物；和(b)将所述包覆的混合物转移至分开的反应器中，并且在所述反应器中固化所述包覆的混合物，以形成包覆的基质。

2.包覆基质的方法，其包括下述步骤：

(a)在第一混合设备中混合所述基质和包膜材料，以形成第一包覆的混合物；

(b)将所述第一包覆的混合物转移至第一和分开的反应器中，并且在所述反应器中固化所述第一包覆的混合物，以形成具有第一层的包覆的基质。

(c)在第二混合设备中将(b)的所述包覆的基质与第二包膜材料混合，以形成第二包覆的混合物；和(d)将所述第二包覆的混合物转移至第二和分开的反应器中，并且在所述反应器中固化所述第二包覆的混合物，以形成具有第二层的包覆的基质。

3.根据权利要求1-2任一项所述的方法，其中所述基质是粒状颗粒。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述基质是水溶性的或部分水溶性的。

5.根据权利要求1-2任一项所述的方法，其中所述基质是肥料、杀螨剂、杀鸟剂、杀细菌剂、生物杀伤剂、杀菌剂、杀鼠剂、杀狐狸剂、营养素、脱叶剂、pH调节剂、土壤调节剂、作物保护剂、干燥剂、抗菌素、农药、除草剂、杀真菌剂、生长调节素、杀虫剂、动物和昆虫趋避剂、杀软体动物剂、杀线虫剂和其混合物或组合。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述基质是肥料。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述肥料是氮、磷、钾或其组合。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述基质是粒状尿素。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述粒状尿素的尺寸在约100SGN至约400SGN范围内。

10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其中所述包膜材料是热固性树脂。

11.根据权利要求1-10任一项所述的方法，其中所述包膜材料包含多元醇成分和异氰酸酯成分。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述多元醇成分包括天然产物，所述天然产物为可再生原料。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述原料源自腰果油。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述多元醇为强心酚、腰果酚、其衍生物或低聚物。

15.根据权利要求1-14任一项所述的方法，进一步包括将催化剂添加至所述反应器。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述催化剂为气态形式，具有空气、惰性气体的气态混合物，或液体形式。

17.根据权利要求1-16任一项所述的方法，进一步包括将胺和/或金属催化剂添加至所述反应器或树脂配方。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述胺类催化剂是下述叔胺：三甲胺、三乙胺、二甲基乙胺、二甲基异丙胺、二甲基乙醇胺、乙烯基咪唑、二甲基丁胺或1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷，或其组合。

19.根据权利要求17所述的方法，其中所述金属催化剂是二月桂酸二丁锡、辛酸锡、乙酰丙酮铁或辛酸钾。

20.根据权利要求1-19任一项所述的方法，进一步包括将二甲基异丙胺添加至所述反应器。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述二甲基异丙胺以气态形式注入至所述反应器。

22.根据权利要求1-21任一项所述的方法，其中所述混合设备为捏合碾磨机、浆式混合机、螺带搅拌器、销式混合器、压出机、测量混合器或诺塔混合器。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述混合设备(一种或多种)是捏合碾磨机。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述捏合碾磨机在受控环境下操作。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述捏合碾磨机在惰性氮气环境下操作。

26.根据权利要求1-25任一项所述的方法，其中所述反应器加热至50-100℃的温度范围。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述反应器加热到至少65℃。

28.根据权利要求26所述的方法，其中所述反应器加热到至少70℃。

29.根据权利要求1-28任一项所述的方法，其中所述反应器为转筒。

30.根据权利要求2-29任一项所述的方法，进一步包括重复步骤(c)-(d)。

31.根据权利要求1所述的方法，其中任选地重复(a)和(b)。

32.根据权利要求1-31任一项所述的方法，其中所述方法是连续的过程。

33.根据权利要求1-31任一项所述的方法，其中所述方法是分批过程。

34.根据权利要求5-33任一项所述的方法，其中所述肥料包括次级营养素和/或微量营养素。

35.用可固化包膜材料包覆基质的系统，所述系统包括：(a)至少一个混合设备；和

(b)与所述混合设备不同的至少一个分开的反应器，其中所述混合设备能够混合包膜材料和基质，并且所述反应器能够固化所述包膜材料。

36.用可固化包膜材料包覆基质的系统，所述系统包括：(a)能够混合基质和包膜材料的至少一个混合设备；和(b)用于固化包膜材料的至少一个分开的设备。

37.根据权利要求35-36任一项所述的系统，其中所述混合设备是浆式混合机、诺塔混合机或捏合碾磨机。

38.根据权利要求35所述的系统，其中所述反应器是转筒。

39.根据权利要求35-36任一项所述的系统，其中所述基质是粒状颗粒。

40.根据权利要求35-36任一项所述的系统，其中所述基质是水溶性的。

41.根据权利要求35-36任一项所述的系统，其中所述基质是肥料、杀螨剂、杀鸟剂、杀细菌剂、生物杀伤剂、杀菌剂、杀鼠剂、杀狐狸剂、营养素、脱叶剂、pH调节剂、土壤调节剂、作物保护剂、干燥剂、抗菌素、农药、除草剂、杀真菌剂、生长调节素、杀虫剂、动物和昆虫趋避剂、杀软体动物剂、杀线虫剂和其混合物或组合。

42.根据权利要求35-36任一项所述的系统，其中所述基质是肥料。

43.根据权利要求42所述的系统，其中所述肥料是氮、磷、钾或其组合。

44.根据权利要求43所述的系统，其中所述肥料是粒状尿素。

45.根据权利要求44所述的系统，其中所述粒状尿素的尺寸在约100SGN至约400SGN的范围内。

46.根据权利要求35-45任一项所述的系统，其中所述包膜材料是热固性树脂。

47.根据权利要求35-46任一项所述的系统，其中所述包膜材料包含多元醇成分和异氰酸酯成分。

48.根据权利要求47所述的系统，其中所述多元醇成分包括天然产物，所述天然产物为可再生原料。

49.根据权利要求48所述的系统，其中所述原料源自腰果油。

50.根据权利要求48所述的系统，其中所述多元醇为强心酚、腰果酚、其衍生物或低聚物。

51.根据权利要求35所述的系统，其中所述反应器包括用于添加催化剂的系统。

52.根据权利要求51所述的系统，其中所述催化剂为气态形式、具有空气、惰性气体的气态混合物，或液体形式。

53.根据权利要求35所述的系统，其中所述反应器包括用于添加胺或金属催化剂的系统。

54.根据权利要求53所述的系统，其中所述胺类催化剂是下述叔胺：三甲胺、三乙胺、二甲基乙胺、二甲基异丙胺、二甲基乙醇胺、乙烯基咪唑、二甲基丁胺或1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷，或其组合。

55.根据权利要求53所述的系统，其中所述金属催化剂是二月桂酸二丁锡、辛酸锡、乙酰丙酮铁或辛酸钾。

56.根据权利要求53所述的系统，其中所述反应器包括二甲基异丙胺。

57.根据权利要求56所述的系统，其中所述二甲基异丙胺是气态形式。

58.根据权利要求35-36任一项所述的系统，其中所述混合设备中的所述环境是受控制的。

59.根据权利要求35-36任一项所述的系统，其中所述混合设备中的所述环境是惰性氮气环境。

60.根据权利要求35-36任一项所述的系统，其中所述混合设备包括旋转元件。

61.根据权利要求35-60任一项所述的系统，其中所述混合设备是捏合碾磨机。

62.根据权利要求42-61任一项所述的系统，其中所述肥料包括次级营养素和/或微量营养素。

说明书

包覆粒状基质的方法和系统

技术领域

[0001] 本发明涉及包覆粒状基质的方法和系统。

背景技术

[0002] 本领域熟知控释肥的概念。这些肥料通常如下制造：在诸如转筒或转盘的单一反应容器中，将包膜涂敷至肥料以形成包覆的混合物，并且固化包覆的混合物，即形成具有一层包膜的包覆的肥料。可以通过相同的方法，即在单一反应容器中包覆和固化将涂敷另外的包膜层。

[0003] 例如，通过引用以其整体并入本文的美国专利号3,223,518公开了通过水不溶性、不吸湿有机树脂包封包膜包封的颗粒、微粒或丸状肥料。为了获得控释特性，该专利公开了通过多个包膜包封的肥料，其通过在单一转筒中包覆和固化肥料的方法获得。

[0004] 通过引用以其整体并入本文的美国专利号3,285,223公开了在单一容器中，用专门设计的提供加热、吹扫和旋转方式的装置用多个包膜包覆和包封粒状材料。该专利将该装置描述为“用于液体包膜材料的氧化或聚合的固化室”。

[0005] 通过引用以其整体并入本文的美国专利号4,772,490和7,722,696开发了可在室温下固化的树脂。具体地，该树脂是多元醇、强心酚(cardol)、腰果酚(cardanol)、其衍生物或低聚物以及聚异氰酸酯或异氰酸酯的组合。通过胺类催化剂活化作用，将树脂固化或包封在肥料上。然而，该方法在单一反应室或容器中完成。

[0006] 尽管使用单转筒或反应器生产控释肥料的方法(即分批处理)是实用的并且是常用的，但是这些方法存在若干问题。例如，在单转筒处理中，存在产生包膜材料块或球的更高的趋势。结果，产品质量变差并且更加不定，并且在操作期间转筒或机械的操作变得不稳定。另外，单转筒操作无法处理高粘性的包膜材料。这限制了单转筒处理液体基包覆系统，并且缩小了使用无溶剂、高固体含量或固体包覆系统的机会。

[0007] 单转筒操作涉及(1)混合基质和包膜材料；和(2)在相同容器中固化包膜。混合和固化是需要不同条件的两种不同的单一操作。这样，为两种操作使用单转筒需要折衷。

[0008] 当与快速固化系统、高粘度混合物、和/或高生产量系统一起工作时，这有特定的相关性。例如，如果转筒快速固化系统的包覆在单转筒中执行，那么在固化之前不可能获得满意的混合。这样降低了包覆的平整性。此外，为了实现满意的混合，对高粘度混合物具有更严格的要求。这些要求在单转筒中通常无法实现。最后，高生产量系统涉及超尺寸(over-sizing)的设备，从而允许有足够的停留时间确保适当的混合和固化。因此，单转筒的使用对于该方法是无助的。

[0009] 在使用气态催化剂的固化系统中，常规操作通常需要与产生循环或脉冲的催化剂的不连续添加一起工作。参看CA2,115,998。这涉及复杂的过程控制和催化剂本身可能的非最佳使用。

[0010] 因此，本领域需要开发包覆诸如肥料的基质高效和有效的方法和系统。

发明内容

[0011] 本发明通过提供包覆基质的各种方法和系统解决了这些需求。

[0012] 在一个实施方式中，本发明提供了包覆基质的方法，其涉及将混合过程与固化过程分开。在具体的实施方式中，该方法包括(a)在混合设备中混合基质和包膜材料，从而形成包覆的混合物；和(b)将包覆的混合物转移至分开的反应器中，并且在反应器中固化包覆的混合物，以形成包覆的基质。

[0013] 在另一实施方式中，重复该过程，以例如将另外的包覆层提供至基质。在具体的实施方式中，该方法包括(a)在第一混合设备中混合基质和包膜材料，以形成第一包覆的混合物；(b)将第一包覆的混合物转移至第一反应器，并且在第一反应器中固化第一包覆的混合物，以形成具有第一层的包覆的基质；(c)在第二混合设备中将(b)的包覆的基质与包膜材料混合，以形成第二包覆的混合物；和(d)将第二包覆的混合物转移至第二反应器，和在第二反应器中固化第二包覆的混合物，以形成具有第二层的包覆的基质，其中第一反应器与第一混合设备分开并且不同，并且任选地，第二反应器与第二混合设备分开并且不同。

[0014] 在另一实施方式中，本发明提供用可固化的包膜材料包覆基质的系统。在具体的实施方式中，该系统包括(a)至少一个混合设备；和(b)至少一个与混合设备分开并且不同的反应器，其中混合设备能够混合包膜材料和基质，并且反应器能够固化包膜材料。在可选的实施方式中，该系统包括(a)至少一个能够混合基质和包膜基质的混合设备；和(b)固化包覆的材料的至少一个分开的工具。

[0015] 在其他实施方式中，本发明提供(a)混合设备是捏合碾磨机；(b)反应器是转筒或转盘；或(c)混合设备是捏合碾磨机并且反应器是转筒或转盘。

附图说明

[0016] 图1提供了本发明示例性基质包覆方法的示意图。

[0017] 图2显示以230千克每小时加工的包覆的220SGN尿素快速释放测试的结果(65℃)。

[0018] 图3显示以450千克每小时加工的包覆的220SGN尿素快速释放测试的结果(65℃)。

[0019] 图4显示以230千克每小时加工的包覆的150SGN尿素快速释放测试的结果(65℃)。

[0020] 图5显示随时间推移，石英砂中包覆的肥料的释放。包膜重量(从图表顶部至底部)为3.0%、4.0%、5.0%和6.0%。

[0021] 图6显示随时间推移，土壤中包覆的肥料的释放。包膜重量(从图表顶部至底部)为3.0%、4.0%、5.0%和6.0%。

[0022] 图7显示随时间推移，树皮混合物中包覆的肥料的释放。包覆重量(从图表顶部至底部)为3.0%、4.0%、5.0%和6.0%。

具体实施方式

[0023] 本发明提供包覆基质的改良方法。例如，通过将混合基质和包膜材料的步骤与固化的步骤分开，本发明提供了制备包覆的基质的方法。这些方法涉及在混合设备中混合基质和包膜材料，并且然后将混合物转移至分开的反应器，并且固化包覆的混合物。任选地，固化的产物转移至第二混合设备，其中另外的包膜材料被添加，并且与该固化的产物混合。第二混合物可然后被转移至分开的第二反应器用于固化。该过程可重复数次，以实现期望的包覆水平或设计。

[0024] 本发明还提供了包覆基质的改良系统。这些系统包含至少一个混合设备和与该混合设备分开和不同的至少一个反应器。混合设备能够混合包膜材料和基质，并且反应器能够固化包膜材料。

[0025] 本发明还提供了混合基质和包膜材料的改良的混合设备。具体地，本发明提供了混合设备，例如捏合碾磨机。

[0026] 本发明人已经确定了本文所述的包覆基质的方法和系统提供了超过目前使用的包覆基质的单个反应器方法的优势。通过分开包覆和固化过程，本发明人出乎意料地发现可更容易控制包覆过程。令人吃惊地，分开包覆步骤和固化步骤出乎意料地产生增加的包覆效率，以及降低包膜材料过早固化的可能性。而且，不管环境如何(例如，盆栽混合土、砂、土壤)，所产生的包覆的基质显示一致的释放特性，并且因此可用于各种控释应用中。

[0027] 通过使用本文所述的方法获得其他优势。例如，本发明人已经发现基质可用高粘性包膜材料包覆。这允许使用高固体或甚至无溶剂的包覆系统。另外，连续处理的使用开启了快速固化系统的高生产量的潜能，这样导致为其他类型的包覆应用腾出设备。本发明人还发现，通过分开包覆和固化过程，减少了设备结垢。

[0028] 因此，使用本发明方法，可通过分开的步骤控制层的数量、类型和厚度。另外，可以采用基质的类型、包膜材料和反应条件的更大灵活性。而且，本文所述方法和系统可以连续处理模式或分批处理模式使用。

[0029] 如本文所述，这些方法和系统中可使用各种基质、包膜材料、固化方法、催化剂、混合设备和反应器。

[0030] (a)基质

[0031] 本发明提供了包覆基质的各种方法和系统。适合用于这些方法和系统的基质包括期望在其上涂敷包膜的任何基质。

[0032] 通常，基质是水溶性的或部分水溶性的基质。水溶性基质可以是粒状形式，与非粒状形式相对。术语“粒状”或“小颗粒(一个或多个)”指通过物理或化学方式将较小的颗粒物压缩和/或聚集成单个颗粒物。另外，小颗粒也可指通过压缩方法或非粒状或粉状基质的成粒作用制造的材料。非粒状或粉状基质可以是均匀混合物或不均匀混合物。这样，基质可以由单一掺混物组成的均匀小颗粒，或可选地，由基质的混合物组成的不均匀小颗粒或复合材料。颗粒基质可以是丸粒、饼、小球粒(prill)、片剂、球状小颗粒或多角小颗粒(poly angular granule)的形式。所得粒状基质的尺寸范围可在约20粒度指数(“SGN”)至约1000SGN，更优选地约50SGN至约500SGN，甚至更优选地约100或150SGN至约300或400SGN，甚至更优选地约100SGN至400SGN。

[0033] 粒状基质可包括农业、医药、化学、农用化学品或糖果产品。农业产品可包括肥料、杀螨剂、杀鸟剂、杀细菌剂、生物杀伤剂、杀菌剂、杀鼠剂、杀狐狸剂(vulpicides)、营养素、脱叶剂、pH调节剂、土壤调节剂、作物保护剂、干燥剂、抗菌素、农药，比如除草剂、杀真菌剂、生长调节素、杀虫剂、动物和昆虫趋避剂、杀软体动物剂、杀线虫剂和其混合物或组合。

[0034] 在一个具体的方面中，粒状基质是肥料。肥料可以是单个营养素或各种营养素的复合材料。可用于本发明的营养素包括，但不限于硝酸铵、硫酸铵、氨化过磷酸钙、氯化铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、氰氨化钙、硝酸钙、尿素胍、硝酸胍和硝基胍、过磷酸钙和三过磷酸钙、硝酸钾、碳酸钾、氯化钾、硫酸钾、偏磷酸钾、尿素、磷酸脲和其混合物或组合。本领域技术人员将明白其他肥料可用于本文所述方法和系统中。

[0035] 在另一个具体的方面中，肥料包括氮(“N”)、磷(“P”)、钾(“K”)、NPK、NP、NK和PK。这些元素可以不同的比例组合。

[0036] 例如，在一个方面中，NPK比例可以是13-13-13、27-0-0、12-50-0、0-0-50、21-7-14、15-15-15或10-11-18。NPK的其他比例对于本技术人员将是显而易见的。

[0037] 在另一个具体的方面中，肥料可包含次级营养素，例如硫、镁、和钙和/或微量营养素，例如铁、锰、锌、铜、钼、硼和钴。

[0038] 在另一个具体的方面中，肥料是尿素。尿素可包含各种尺寸。例如，尿素尺寸是约20至约1000SGN，更优选地约50SGN至约500SGN，甚至更优选地约100或150SGN至约300或400SGN，甚至更优选地约100SGN至400SGN范围的SGN。

[0039] 本领域技术人员将明白各种基质可用于本文所述方法和系统中。例如，本发明人已经确定本文所述方法和系统能够可用于制备控释肥。然而，本领域技术人员将明白这些方法和系统适于可用各种包膜材料包覆的各种基质。基质和包膜材料的组合的变化对本领域技术人员显而易见，并且可以被优化以实现所需的最终产品。

[0040] 通过引用以其整体并入本文的于2011年2月9日提交的题目为“Self-Cleaning Mixing Devices and Methods of Using the Same”的美国专利号4,602,440和临时申请号61/441,168描述了适合在本文所述方法和系统中使用的各种基质。

[0041] (b)包膜材料

[0042] 本发明的方法和系统涉及使用各种包膜材料包覆基质。适于这些方法和系统使用的包膜材料包括，但不限于水基乳胶包膜、熔融树脂、溶剂基聚合包膜、水基聚合物、可食用包膜，例如淀粉、明胶，或水胶体、高固体树脂或涂料，和无溶剂树脂或涂料。

[0043] 包膜材料可以是水基乳胶包膜。例如，乳胶包膜可以是聚合不溶性乳胶材料，其包括聚偏二氯乙烯或烯属不饱和共聚单体，比如甲基丙烯酸烷基酯、丙烯腈和丙烯酸烷基酯的共聚物共混物，和其混合物。其他水基乳胶包膜是现有技术中已知的，比如通过参考以其整体并入本文的美国专利号3,223,518、3,259,482、3,264,088、3,264,089中所描述的。乳胶层能够基于聚合物包膜的包膜重量和厚度控制营养物释放速率。

[0044] 包膜材料也可以是熔融亚甲基脲树脂、熔融硫、熔融蜡、聚氨酯树脂、醇酸树脂，和其他的聚合物系统。

[0045] 包膜材料可以是溶剂基聚合物。本领域已知可用于本发明方法和系统的溶剂基聚合物。见，例如通过参考以其整体并入本文的美国专利号3,223,518和4,019,890。

[0046] 包膜材料可以是水基聚合物。本领域已知可用于本发明方法和系统的水基聚合物。例如，通过参考以其整体并入本文的美国专利号4,549,897和5,186,732提供了在没有溶剂的情况下包覆的水基聚合物的例子。

[0047] 在具体的方面中，包膜材料是合成的渗水或蒸汽可渗透聚氨酯基树脂，或由其制造的反应产物。在具体的方面中，树脂是包括多元醇成分和异氰酸酯成分的两种成分系统的反应产物。在一个实施方式中，多元醇是强心酚、腰果酚、或这些成分的衍生物或低聚物。在另一个实施方式中，异氰酸酯成分是聚异氰酸酯成分。强心酚、腰果酚、或其衍生物或低聚物可从天然产物中获得，并且因此认为是可再生原料。例如，原料可以是腰果油。通过参考以其整体并入本文的美国专利号4,772,490和7,722,696描述了包括，诸如强心酚、腰果酚或其衍生物或低聚物的多元醇与诸如异氰酸酯的聚异氰酸酯的反应产物。

[0048] 由本发明具体化的包膜材料也可包括热固性树脂或热塑性树脂。基于期望的包膜的具体应用，选择何种类型对于本领域技术人员将是显而易见的。在本发明的一个实施方式中，热固性树脂可以选自，但不限于环氧聚酯、乙烯基酯、聚氨酯、酚醛环氧树脂或其混合物。在本发明的另一实施方式中，热塑性树脂可以选自，但不限于聚酰胺(PA或尼龙)、聚酯，例如聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)或其组合。

[0049] (c)固化方法和催化剂

[0050] 本发明的方法和系统涉及固化包覆的混合物。本领域技术人员将理解可使用各种方式进行固化步骤。

[0051] 就本发明的目的而言，术语“固化(cure)”、“固化(curing)”或其语法变型意为包括密封、凝固或硬化液态、半液态或粘性层的聚合作用、化学聚结、分散体聚结、化学交联、小颗粒物熔融、溶剂的蒸发作用、通过温度变化(一种或多种)的物理干燥、胶体分散体的聚结、胶体分散体的熔融、胶体微粒的熔融、凝结、物理硬化、干燥或任何完工步骤。

[0052] 例如，固化可涉及将包覆混合物加热(或冷却)至期望的温度，从而形成硬的包膜。在一个方面中，通过传导、对流、或辐射热提升温度进行固化。因此，在一个实施方式中，温度可在0℃至约110℃的范围内。在一个优选实施方式中，温度范围是50℃至约110℃、50℃至约100℃、50℃至约90℃、50℃至约80℃、50℃至约70℃或50℃至约60℃。在另一实施方式中，固化发生在约65℃或75℃下。也可在室温下进行固化。

[0053] 可选地，可通过添加催化剂加速固化。本文描述了可在固化步骤中使用的催化剂。在另一方面中，在存在催化剂的情况下，固化也可在环境室温下或在热存在下进行。对本领域技术人员将显而易见的是，可以改变反应器的温度，以实现最佳固化时间。

[0054] 根据本发明的各种实施方式，一旦包覆在基质上，包膜材料在分离的反应器中固化。混合过程和固化过程的分离允许制造更均匀的包覆的基质。任选地，可添加催化剂，以减少固化所需的时间。

[0055] 通过将催化剂添加至包含包覆的混合物的反应器，可加速固化过程。在一个方面中，催化剂可以以气态形式、作为与空气一起的气态混合物、或作为液体添加至包覆的混合物。催化剂可以是液体形式或固体形式的胺和/或金属催化剂，其可与包膜材料混合或混合在包膜材料中。

[0056] 可用于本发明方法和系统的合适的胺催化剂包括，但不限于叔胺催化剂。例如，可使用的胺催化剂包括三甲胺、三乙胺、二甲基乙胺、二甲基异丙胺、二甲基乙醇胺、乙烯基咪唑、二甲基丁胺或1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷或其组合。本领域技术人员明白其他胺催化剂也可用于本发明的方法和系统中。

[0057] 可被使用的适合的金属催化剂包括，但不限于二月桂酸二丁锡、二乙酸二丁锡、乙酰丙酮铁、乙酰丙酮锰、比如辛酸锡的含锡羧酸盐、辛酸钾或其组合。本领域技术人员将明白其他金属催化剂也可用于本发明的方法和系统中。

[0058] (d)混合设备

[0059] 本发明的方法和系统涉及混合设备的使用。本领域技术人员将明白混合设备是能够将基质和包膜材料掺混、搅动、搅拌或混合成均匀掺混物的任何设备。

[0060] 可使用的合适的混合设备包括，但不限于诸如捏合碾磨机、转筒、浆式混合机、诺塔混合器、测量混合器(measuring mixer)、压出机、螺带搅拌器或销式混合器的混合设备。无论使用的混合设备类型，合适的混合设备包括其中发生混合的混合区或混合床。这些可包括容纳基质和包膜材料的盘状物、料仓、槽、床或任何其他容器。在具体的实施方式中，混合设备应具有旋转部分和固定部分。

[0061] 混合设备可包括能够混合基质和包膜材料的旋转元件。旋转元件可双向或单向移动。旋转元件可包括浆片、搅拌器、带、螺旋螺杆、销或其组合。在一个方面中，旋转元件是可在单个方向或可选地，在相反方向上定位(orientation)或者或角度(angling)的浆片。基于需要的具体混合或搅拌程度和操作类型(例如，分批的或连续的)，浆片的定位和/或角度对本领域技术人员将是显而易见的。

[0062] 在具体的方面中，混合设备是捏合碾磨机。本发明人已经确定在制备包覆基质中，捏合碾磨机的使用是有利的。的确，捏合碾磨机允许操作和控制各种混合条件。例如，可修饰捏合碾磨机以控制温度、混合的气氛条件、包膜材料的入口点/注入点、和混合方向和定位。这样，通过控制捏合碾磨机的气氛条件，例如在惰性氮气存在的情况下进行捏合碾磨机中的混合步骤，可以防止包覆混合物过早固化。使用本发明的方法和系统中的混合设备可以实现这些和其他优势。

[0063] 在另一方面中，混合设备包含允许基质和包膜材料双向移动的特定旋转元件。基质和包膜材料的延长混合可造成混合设备中结垢。本发明人也出乎意料地发现旋转元件在相反方向上间歇运动指定的时间段，提高了包覆过程的效率。因此，在一个方面中，混合设备经设计为使旋转元件，例如捏合碾磨机的浆片在正向旋转方向上旋转，然后使旋转元件在相反的旋转方向上旋转小于正向方向的时间。通过参考以其整体并入本文，于2011年2月9日提交的题为“Self-CleaningMixing Devices and Methods of Using the Same”的临时申请号61/441,168中描述了这一方面以及适用于本文所述方法和系统的混合设备。

[0064] 在另一个方面中，混合设备包含可被附着至移动轴的旋转浆片。

[0065] 在另一个方面中，混合设备可包括引导包膜材料的机制。例如，混合设备，比如捏合碾磨机，可包括能够将包膜材料引入混合设备的注入管和/或混合器。引入点被定义为注入点。这些注入点可沿着捏合碾磨机长度自由横向移动，以确保整个混合区域上均等混合。取决于基质或树脂配方的选择，可调整和最优化注入点。可选地，包膜材料可被喷洒在混合设备上或喷洒至混合设备中。

[0066] 在另一个方面中，混合设备是与一系列其他混合设备和反应器串联配置的系统的一部分。这些串联系统允许基质连续的或分批的处理，用于包覆多层在期望的基质上。

[0067] (e)反应器

[0068] 本发明的方法和系统涉及在反应器中固化包覆的混合物。为了本发明的目的，“反应器”、“反应室”或“反应容器”发生现固化的场所。本领域技术人员将明白，反应器可以是能够固化包覆的混合物的任何设备。可使用的反应器包括，但不限于转筒、旋转锅、转盘或旋转管、流化床、喷动床(spouted bed)、Wurster装置或允许固化的任何器皿、室或容器。可配置反应器用于上述各种类型的固化。例如，反应器可配置为加热至某一温度范围或温度，或将各种固化助剂，例如催化剂排放入反应器。

[0069] 在一个方面中，反应器与混合设备分开并且不同。具体设计本发明具体化的反应器，以便如上面固化章节描述的进行包覆的混合物的固化。因此，在下列设备中完成如本发明所述的混合或掺混，所述设备与进行固化的反应器分开，并且不包括进行固化的反应器。因此，在一个实施方式中，通过在混合设备中掺混或混合基质和包膜材料，和将包覆的混合物转移至分开的进行固化的反应器实现基质的包覆方法。因此，在一个实施方式中，混合设备可以是捏合碾磨机，其然后将包覆的混合物转移至反应器，比如转筒。本发明技术人员将明白可以选择任何混合设备和反应器，只要混合或掺混与固化分开进行。

[0070] 在本发明的另一实施方式中，已经在捏合碾磨机中掺混的包覆的混合物直接进料并且接收进入至固化混合物产生包覆的基质的第一反应器。任选地，第一反应器可随后将包覆的基质转移至第二捏合碾磨机，用于与包膜材料另外的混合，并且然后转移至第二反应器用于第二固化事件。

[0071] (f)包覆基质的方法和系统

[0072] 就本发明的目的而言，根据本发明“包覆的基质”指的是已经被已固化的包膜材料包封的基质。包覆基质可包含单个固化的层，本文称为“第一包覆的基质”，或可包括两个固化层，本文称为“双包覆的基质”、二次包覆的基质、“双层的基质”或其对于本领域技术人员显而易见的一些等价物。包括大于至少两层的那些包覆的基质将称为“多层包覆的基质”或对于本领域技术人员显而易见的一些等价物。多层包覆的基质可包括三至约十之间另外层的固化的包膜材料。例如，如果基质是肥料，术语“包覆的肥料”将指已经包封在固化的包膜材料中的粒状肥料。

[0073] 就该发明的目的而言，“包覆的混合物(一种或多种)”定义为作为混合设备中混合或掺混的结果的用包膜材料包封的基质。

[0074] 如本文所讨论，根据本发明实施方式的包覆基质的方法涉及至少两个必不可少的步骤。第一步骤涉及基质和包膜材料的组合。本文已描述了基质和包膜材料类型二者。前述组合是在混合设备中混合一段时间以将它们充分地掺混至包覆的混合物。一般而言，适合掺混基质和包膜材料的混合设备类型是转筒、浆式混合机、诺塔混合器、捏合碾磨机、销式混合器、螺带搅拌器、压出机或测量混合器。在一个实施方式中，混合设备是捏合碾磨机。捏合碾磨机装配有掺混包覆的混合器的浆片或销。

[0075] 一旦适当掺混包覆的混合物，其被转移至分开的反应器，所述反应器提供固化包覆的混合物的环境。可由温度或由存在的催化剂规定适于固化的环境。在一个实施方式中，固化包覆的混合物的温度在约50℃至约100℃的范围内。优选地，反应器设置在约65℃或70℃的温度。在仍另一实施方式中，反应器处在环境温度下，但是通过催化剂的存在加速固化。本文提到了适于固化包覆的混合物的催化剂类型，本领域技术人员将明白可用于加速固化过程的催化剂类型。混合设备和反应器可被放在通风罩中，以收集从本过程释放的气体。例如，从本方法中释放的高浓度的气态胺催化剂用硫酸溶液中和。然后中和的气体被释放至大气。

[0076] 将对本领域技术人员显而易见的是本文所述的方法和过程可重复数次。本领域技术人员将明白诸如厚度、包覆重量或不同层和包覆目的的变量将规定重复的次数和在本过程随后的每次重复中添加的包膜材料的类型。因此，在一个实施方式中，可以准确地重复本方法(即，使用相同的包膜材料和固化时间、热、和/或催化剂的存在)以获得多层包覆的基质。在另一个实施方式中，可以重复本方法，但是在本方法的每个连续重复中所添加的包膜材料的类型可以不同。另外，在每个连续步骤中所添加的包膜材料的重量可以相同或不同。例如，如果期望最终4%的包覆重量，那么连续步骤可用于以相等的量或不同的量(例如首先3%，随后1%包覆)涂敷包膜材料。

[0077] 包覆领域技术人员理解可以分批或连续处理进行包覆基质的方法。分批或连续处理的选择取决于各种因素。例如，制作包覆的基质所使用的基质和包膜材料的变体、产生混合物和需要的固化时间之间的循环时间，以及建立连续生产线的经济因素。本领域技术人员将明白本发明方法可适于任一生产方案。

[0078] 在本发明的仍另一实施方式中，可通过系统完成包覆基质的过程。适于包覆基质的系统包括混合设备和反应器。在可选实施方式中，本系统可包含至少两个混合设备和至少两个反应器。适用于该系统的混合设备和反应器可包括本文所述那些中的任何一种。

[0079] 本发明的方法和系统可用于产生诸如肥料的包覆的基质。本发明的包覆的基质用于各种控释应用。例如，包覆的基质在不同的环境中，比如盆栽混合土、土壤、或砂中，可以释放超过1、2、3、4、5、6个或更多个月。

[0080] 实施例

[0081] 下列实施例描述本发明所考虑的各种方法和系统。这些实施例不打算限制本发明所考虑的方法、系统、混合设备、反应器、基质、包膜材料或固化方法。在一定程度上，这些实施例打算更详细描述该发明的具体实施方式。

[0082] 一般方法

[0083] (a)用控释聚合物包覆肥料

[0084] 一系列捏合碾磨机和转筒配置为建立如图1所示的连续处理方案。

[0085] 在该具体的方案中，以大约250kg每小时的速率包覆小颗粒优化该过程。通过液态多元醇(Askocoat EP7717)和液态二异氰酸酯(Askocoat EP05547Comp B)反应制造在该实施例中使用的聚氨酯基树脂。见，例如通过参考以其整体并入本文的美国专利号7,722,696。该实施例中包覆的目标基质包括下述可溶性肥料：SGN220或150的尿素或NPK。
应理解，如本文所述可以使用其他树脂/包膜和基质。

[0086] 肥料小颗粒放至在料斗中，其将小颗粒进料至流化床。通过空气流将流化床预加热至大约45℃。然后预加热的小颗粒转移至第一捏合碾磨机，以与多元醇树脂混合。两种树脂成分(即，多元醇和二异氰酸酯)分别泵送至静态混合器，然后经两个不锈钢管被注入捏合碾磨机。通过质量流控制器控制进入静态混合器的两种树脂成分的流。在注入前立即混合树脂成分避免了钢管中任何不期望的固化。

[0087] 添加肥料和树脂至捏合碾磨机，其配置为将成分混合和掺混成包覆的混合物。每个捏合碾磨机包括具有十五个浆片的两个轴，其每个具有大约25升的容量。捏合碾磨机配备3.7kW和60Hz的马达。为了温度控制，捏合碾磨机也是绝缘的，并且配备可移动的上盖，以控制进行掺混的大气条件。惰性氮气泵入捏合碾磨机，以防止树脂不期望的和过早的固化。

[0088] 一旦小颗粒被树脂包封形成包覆的混合物，其被排放至第一反应器——旋转固化转筒。该转筒在约8.5rpm的旋转下加热至约65℃。用氮冲洗液态催化剂(例如，N,N-二甲基异丙胺；Sigma Aldrich)，以产生气态催化剂。催化剂气体通过多孔管引入转筒。包覆的和固化的肥料离开第一转筒进入第二捏合碾磨机。如上所述，在第二捏合碾磨机中，添加另外的包膜材料，随后第二包覆的混合物转移至第二转筒用于固化。通常产品以大约55℃离开第二捏合碾磨机，以大约70℃离开第二转筒。

[0089] 生产的由两个固化层的包膜材料组成的包覆的和固化的肥料在流化床中冷却至大约30℃。进行筛选过程以去除任何结块或细粒。

[0090] (b)测试产生的包覆的肥料

[0091] 通过与水接触时营养素从小颗粒释放的速率测量包覆的肥料的性能。较慢的释放速率指示产品就随着时间的推移释放其营养素方面的更长的寿命。

[0092] 1.水沥滤测试和快速释放特性测试

[0093] 确定产品释放特征的工业标准包括水沥滤测试和快速释放特性测试(仅用于测试尿素)。

[0094] 在水沥滤测试中，包覆的NPK肥料在放入21℃的水中，并且在两个时间间隔24小时和7日测试。具体地，20克包覆的肥料放入具有400ml软化水的烧瓶中。翻转含有样品的烧瓶3次，允许混合并且保持在21℃。在24小时时间后，翻转烧瓶3次，取样以确定水中氮、磷、钾的量。使用400ml的新鲜软化水替代和更新水。7天后再次重复测量。测试后，碾磨残留的颗粒，溶解至已知体积并且分析，以检查每种成分的质量平衡的闭合(closure)。结果显示为在一天中以及七天中释放至溶剂中的N、P2O5和K2O的重量%。

[0095] 使用由尿素制成的包覆的肥料进行快速释放测试。具体地，将25克包覆的肥料放入900ml的软化水中并且保持恒温65℃。24小时中每小时取样一次。通过折射指数测量释放至水中的尿素浓度。结果显示为释放在溶剂中的氮的wt%对时间。

[0096] 2.在不同条件下，使用各种包覆重量的百分比释放

[0097] 在三个月内，在三种不同环境：盆栽混合土(也称为树皮混合物)、石英砂和土壤中测试包覆各种重量(3%、4%、5%、6%)的肥料的释放。在每种环境中所使用的袋含有相同质量的肥料。在第2、4、8和12周评估百分比释放。

[0098] 具体实施例

[0099] 作为比较基线，如本文所描述的，在水沥滤测试中测试未包覆的材料的行为，并且总结在表1中。在该对照测试中所使用的材料为220SGN粒状尿素、150SGN粒状尿素和粒状NPK13-13-13。

[0100] 表1.21℃水沥滤未包覆的材料

[0101]材料 80%释放的时间(h)
尿素SGN220 <0.5
尿素SGN150 <0.5
NPK13-13-13 ～4

[0102] 实施例1-以230千克每小时加工的包覆的220SGN尿素的水沥滤测试。

[0103] 在描述的系统中以230kg/h的速率加工筛选的220SGN尿素，以实现4.3%的包覆重量。相等的两层聚氨酯(即每层为2.15%)添加至小颗粒，每个捏合碾磨机/转筒阶段一层。操作条件和结果可见表2和图2中。

[0104] 表2.操作条件水沥滤结果

[0105]

[0106] 对于报告的包覆重量，产品性能非常令人满意地提供控释和非常低的初始释放。

[0107] 实施例2-以450千克每小时加工的包覆的220SGN尿素的水沥滤测试。

[0108] 在该实施例中，生产速率提高至450kg/h。筒和捏合碾磨机速度适于操作增加的速率。与之前的实施例相比包覆重量不变，因此在每个捏合碾磨机中涂敷相等的两层聚氨酯(即，每层为2.15%)中的4.3%包覆重量。操作条件和结果可见表3和图3。

[0109] 表3.水沥滤结果的操作条件

[0110]

[0111]

[0112] 与250kg/h包覆的尿素相比，产品释放速率增加。该实施例表明捏合碾磨机-转筒过程/系统适于更快包覆速率(几乎是设计能力的2倍)而不有害牺牲质量的弹性。

[0113] 实施例3-以230千克每小时加工的包覆的150SGN尿素的水沥滤测试。

[0114] 以230kg/h的速率加工筛选的150SGN。在每个捏合碾磨机中涂敷的相等的两层聚氨酯中包覆重量增加至5.5%(即，每层2.75%)。捏合碾磨机的速度适于处理更小颗粒尺寸基质。操作条件和结果可见表4和图4。

[0115] 表4.水沥滤结果的操作条件

[0116]

[0117] 通常已知包覆较小尺寸的小颗粒是有挑战性的并且由于其增加的表面积需要增加的包覆重量。该实施例表明该系统可成功包覆更小的小颗粒。

[0118] 实施例4-以270千克每小时加工的包覆的13-13-13NPK的水沥滤测试。

[0119] 以270kg/h的速率加工粒状13-13-13NKP基质(13%N、13%P2O5和13%K2O)。三种不同的包覆重量用于该基质：4.3%、5%和6%，分别涂敷在相等的聚氨酯层中。为不同的基质密度调整速度。操作条件和结果可见表5、表6和表7。

[0120] 表5.水沥滤结果的操作条件(包覆重量4.3%)

[0121]

[0122] 表6.水沥滤结果的操作条件(包覆重量5%)

[0123]

[0124] 表7.水沥滤结果的操作条件(包覆重量6%)

[0125]

[0126] 这些实施例表明可成功包覆NPK基质，并且可调整包覆重量以实现需要的释放特性。

[0127] 实施例5-在不同环境中，使用各种包覆重量的百分比释放

[0128] 在树皮混合物、石英砂和土壤中测试包覆的肥料的释放(包覆重量

[0129] 为3%、4%、5%和6%)。每种肥料的操作条件如下：

[0130]

[0131]

[0132] 图5-7显示该实验的结果。结果表明三个月内包覆肥料的一致的释放特性，不论环境(盆栽混合土、砂、土壤)如何。这样，本发明的方法能够产生在不同环境中长时间持续的包覆的基质。

[0133] 总之，本发明方法和系统提供产生诸如肥料的包覆的基质的高效和有效方法。实验结果表明在不牺牲基质上的包覆质量的情况下，可提高包覆过程的生产速率等等。而且，包覆基质显示了一致的释放特性，因此可用于各种控释应用中。