單翼迷宮式滴灌帶的老化與防老化研究

買(mǎi)買(mǎi)提江·依米提，邸書(shū)新，艾買(mǎi)提江·薩伍提，魏艷嬌，塞娜瓦爾·阿布拉

（1.新疆大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)功能高分子材料校級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830046；3.新疆方興塑化有限公司，新疆 五家渠 831300）

0 前言

在國(guó)家大力推動(dòng)節(jié)水產(chǎn)業(yè)政策的影響下，到2011年新疆注冊(cè)400多家各類農(nóng)用滴灌帶生產(chǎn)企業(yè)（單翼迷宮式滴灌帶約占70%），高效節(jié)水灌溉面積已實(shí)現(xiàn)16.7×109m2。滴灌節(jié)水技術(shù)的農(nóng)作物增產(chǎn)、節(jié)肥、省勞力和高效節(jié)水特性已成為干旱缺水地區(qū)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個(gè)標(biāo)志。但也存在諸多的問(wèn)題，其中新疆獨(dú)特的高紫外線、高溫差、干旱、沙塵等地區(qū)氣候條件，導(dǎo)致滴灌帶制品使用時(shí)提前老化問(wèn)題一直影響高效節(jié)水灌溉技術(shù)大面積推廣應(yīng)用。

人工加速老化試驗(yàn)是用人工的方法模擬材料的自然使用狀況，是為了補(bǔ)充甚至取代自然大氣曝露試驗(yàn)而發(fā)展起來(lái)的評(píng)價(jià)材料性能與環(huán)境關(guān)系的試驗(yàn)方法［1-7］。這種試驗(yàn)周期短、不受區(qū)域性氣候的影響，但往往不能如實(shí)模擬變化多端的天然氣候條件。線形低密度聚乙烯（PE－LLD）在經(jīng)過(guò)紫外輻照后，可引起分子鏈的交聯(lián)、斷裂和氧化，從而促使材料老化［8］。楊浩邈等［9-10］研究了防老化劑與 PE－LLD 耐光老化性能的關(guān)系。盧琳等［11］研究了聚乙烯（PE）在西沙自然環(huán)境中的光老化行為。劉奎芳等［12］采用斷裂伸長(zhǎng)率變化率作為衡量PE－LLD老化程度的指標(biāo)，研究其在濕熱及亞濕熱氣候大氣暴露與人工加速試驗(yàn)的相關(guān)性。胡行俊等［13］研究了聚氯乙烯（PVC）人工加速老化與廣州地區(qū)（濕熱氣候）自然老化的相關(guān)性。但是針對(duì)新疆獨(dú)特的高紫外線、高溫差、干旱、沙塵及寒冷的地區(qū)氣候條件下，對(duì)農(nóng)用滴灌帶老化與防老化的相關(guān)性專項(xiàng)研究國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例。本文以新疆五家渠市方興塑化有限公司有代表性的沙土試驗(yàn)地為自然暴露老化試驗(yàn)田和UVA－340熒光紫外燈管作為紫外人工加速光老化光源，研究了人工加速光老化與自然氣候暴露老化試驗(yàn)的相關(guān)性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PE－LLD，0209AA，中國(guó)石油獨(dú)山子石化公司；高密度聚乙烯（PE－HD），5000S，中國(guó)石油蘭州石化公司；

抗氧劑，TA215，上海金海雅寶精細(xì)化工有限公司；

受阻胺光穩(wěn)定劑，622，上海金海雅寶精細(xì)化工有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

同向雙螺桿擠出機(jī)，TE－20，科倍隆科亞（南京）機(jī)械有限公司 ；

單翼迷宮式滴灌帶生產(chǎn)設(shè)備，MGD－40×30，信益塑料機(jī)械有限公司；

塑料注射成型機(jī)，XL－400VI，寧波高新協(xié)力機(jī)電液有限公司；

電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，CMT6104－50N，深圳市新三思計(jì)量技術(shù)有限公司；

熔體流動(dòng)速率儀，XNR－400B，承德市金建檢測(cè)儀器有限公司；

標(biāo)準(zhǔn)型紫外光老化試驗(yàn)機(jī)，BR－UV，上海博睿光學(xué)有限公司；

紅外光譜儀（FTIR），EQUINOX－55，德國(guó)布魯克公司。

1.3 樣品制備

配方設(shè)計(jì)中回收造粒料用量在85%～100%之間，PE－HD（5000S）和PE－LLD（0209）樹(shù)脂用量在0～15%之間，防老化母料用量在0～3%之間，分別設(shè)計(jì)A、B、C 3種滴灌帶生產(chǎn)配方，在生產(chǎn)車(chē)間嚴(yán)格按單翼迷宮式滴灌帶生產(chǎn)工藝進(jìn)行中試生產(chǎn)，主要工藝參數(shù)：生產(chǎn)速度為30m／min，擠出機(jī)溫度為153～176℃，模具溫度為173℃，牽引速度為800r／min，工藝流程如圖1所示。

圖1 滴灌帶生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Production process of drip irrigation tapes

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

自然暴露老化試驗(yàn)方法：滴灌帶自然氣候暴露試驗(yàn)田設(shè)在新疆五家渠市方興塑化有限公司有代表性的沙土試驗(yàn)地，設(shè)計(jì)3種不同單翼迷宮式滴灌帶配方在新疆方興塑化有限公司生產(chǎn)，完全模仿大田棉花種植要求膜下鋪膜和給水，并嚴(yán)格檢測(cè)記錄自然氣候暴露試驗(yàn)田的棉花種植期（5—9月）每天的膜上、膜下溫度，室外環(huán)境溫度及濕度，5—9月5個(gè)月膜下平均溫度為40.9℃，膜上平均溫度為35.4℃，室外平均氣溫為28.5℃，平均濕度為65.1%；

紫外光室內(nèi)人工加速老化試驗(yàn)：參照現(xiàn)行的國(guó)際及國(guó)內(nèi)紫外線老化試驗(yàn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ASTM D4329、ISO 4892－3、GB／T 16422.3—1997進(jìn)行光、熱人工加速老化試驗(yàn)，試驗(yàn)方案為10、12d，人工加速老化試驗(yàn)工藝如圖2所示；熒光紫外燈：選用美國(guó)原裝進(jìn)口UVA－340熒光紫外燈管（UVA－340熒光紫外燈輻照度控制在0.68W／m2時(shí)，大致相當(dāng)于赤道夏日正午12：00時(shí)平均陽(yáng)光強(qiáng)度）；黑板溫度即被測(cè)試樣的表面溫度的設(shè)定值為60℃；冷凝溫度：利用冷凝濕氣模擬結(jié)露效果，水槽溫度控制為50℃；試樣夾：共有6個(gè)試樣夾，每個(gè)試樣夾可輻照2m滴灌帶（含6個(gè)滴頭）；

圖2 紫外光人工加速老化試驗(yàn)工藝Fig.2 Process of UV artificial accelerated aging test

按GB／T 3682—2000測(cè)試樣品的熔體流動(dòng)速率，溫度為190℃，載荷為1.92kg；

老化前后的滴灌帶樣品沿滴灌帶橫向方向制成標(biāo)距為20mm、寬度為10mm、厚度為0.2mm左右（實(shí)測(cè)為準(zhǔn)）試驗(yàn)樣條，按GB／T 1040—1992進(jìn)行拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定，取平均值，拉伸速率為150mm／min；

FTIR分析：用FTIR測(cè)試?yán)匣昂蟮喂鄮г嚇拥幕瘜W(xué)基團(tuán)改變情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料的篩選

目前在新疆地區(qū)生產(chǎn)銷售的單翼迷宮式滴灌帶為了降低成本，配方中回收造粒料一般用量在80%～100%之間，這取決于回收料的各項(xiàng)力學(xué)性能（多次使用后的老化程度）、炭黑含量及礦物質(zhì)含量。所以在設(shè)計(jì)單翼迷宮式滴灌帶配方時(shí)掌握回收造粒料的各項(xiàng)性能尤為重要。從表1可以看出，PE－HD（6070）的熔體流動(dòng)速率值較高，與其他PE共混時(shí)流動(dòng)性不好，影響滴灌帶的成型，PE－LD（15803）的斷裂伸長(zhǎng)率較低，影響滴灌帶的韌性。PE－LLD（0209）為薄膜級(jí)，應(yīng)用于滴灌帶具有韌性好、剛性大、耐熱、耐寒性好等優(yōu)點(diǎn)。PE－HD（5000S）為拉絲級(jí)，力學(xué)性能高，配方中能增加產(chǎn)品的強(qiáng)度，提高抗沖擊性能。內(nèi)鑲造粒料為新疆方興塑化有限公司用全新料生產(chǎn)的內(nèi)鑲式滴灌帶，在新疆五家渠市使用一個(gè)種植期后回收造粒料，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看力學(xué)性能良好。防老化母料為自制母料，PE為基料，添加一定量的抗紫外劑和抗氧劑，通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)塑化混合造粒干燥制成。添加量主要取決于回收料的老化程度和滴灌帶使用地區(qū)的氣候環(huán)境。

表1 滴灌帶原料力學(xué)性能比較Tab.1 Comparison of mechanical properties of materials of drip irrigation tapes

2.2 滴灌帶的配方優(yōu)化與生產(chǎn)

為了降低單翼迷宮式滴灌帶成本和研究自制防老化母料的應(yīng)用性能，配方設(shè)計(jì)中回收造粒料用量在85%～100%之間，PE－HD（5000S）和PE－LLD（0209）樹(shù)脂用量在0～15%之間，防老化母料用量在0～3%之間，分別設(shè)計(jì)A、B、C 3種滴灌帶生產(chǎn)配方，如表2所示。按上述配方分別配制60kg滴灌帶生產(chǎn)原料，在新疆方興塑化有限公司生產(chǎn)車(chē)間，嚴(yán)格按正常生產(chǎn)工藝進(jìn)行單翼迷宮式滴灌帶配方的中試生產(chǎn)，并制品進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，制品各項(xiàng)性能指標(biāo)如表3所示。

表2 滴灌帶配方Tab.2 Formula of drip irrigation tapes

表3 滴灌帶各項(xiàng)性能指標(biāo)Tab.3 Performance of drip irrigation tapes

2.3 單翼迷宮式滴灌帶老化程度判定

拉伸強(qiáng)度保持率為老化后試樣的拉伸強(qiáng)度與老化前試樣的拉伸強(qiáng)度之比，斷裂伸長(zhǎng)率保持率為老化后試樣的斷裂伸長(zhǎng)率與老化前試樣的斷裂伸長(zhǎng)率之比。如試樣的斷裂伸長(zhǎng)率保持率＜50%，可判斷試樣已完全老化失效。

從表4可以看出，與未老化的試樣相比，樣品A人工老化10、12d和自然暴露老化120d的斷裂伸長(zhǎng)率保持率分別為89.3%、59.5%和38.8%，樣品B分別為62.8%、39.8%和26.3%，樣品C分別為94.3%、84.0%和61.9%。從試樣老化前后斷裂伸長(zhǎng)率保持率數(shù)據(jù)看，樣品C防老化性能最佳，其次是樣品A，最差的是樣品B。這說(shuō)明樣品C中添加的自制防老化母料起到了抗紫外和抗氧化的作用，從而延緩了滴灌帶的使用壽命，而樣品A中添加的PE－LLD（0209）樹(shù)脂為生產(chǎn)薄膜的專用料，具有良好的韌性、耐熱、耐寒性和抗環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂等優(yōu)點(diǎn)，所以樣品A的防老化性能略好于添加PE－HD（5000S）樹(shù)脂的樣品B。

表4 滴灌帶老化前后的力學(xué)性能Tab.4 Mechanical properties of drip irrigation tapes before and after aging

2.4 滴灌帶老化前后FTIR分析

圖3分別給出了單翼迷宮式滴灌帶樣品B的老化前后的FTIR譜圖。在3條曲線中出現(xiàn)的2919cm－1處為CH2的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，2854cm－1處為CH2的對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，1468cm－1處為CH2的彎曲振動(dòng)吸收峰，以上各峰是PE樹(shù)脂F(xiàn)TIR譜圖中共有的峰，而1377cm－1處為甲基（—CH3）的彎曲振動(dòng)吸收峰，為支鏈較多的低密度聚乙烯（PE－LD）所特有。當(dāng)以UVA－340熒光紫外燈管為紫外光源時(shí)，隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)，分子結(jié)構(gòu)的主要變化在2741cm－1處羰基峰的逐漸生成和不斷增強(qiáng)［14-15］。這表明，UVA－340熒光紫外燈管作為紫外光源，對(duì)PE的老化作用非常顯著。

圖3 紫外光照射樣品的FT－IR譜圖Fig.3 FTIR spectra for samples during UV irradiation

3 結(jié)論

（1）在新疆高紫外線、高溫差、干熱等氣候條件下，在滴灌帶配方中添加一定比例的防老化助劑可以提高農(nóng)用滴灌帶的使用壽命；

（2）以UVA－340熒光紫外燈管作為老化加速光源，隨著輻照時(shí)間的延長(zhǎng)，在FTIR譜圖中2741cm－1處羰基峰逐漸生成并不斷增強(qiáng)，滴灌帶逐漸老化降解；

（3）人工加速光老化試驗(yàn)以340nm熒光紫外燈輻照度控制在0.68W／m2、黑板溫度為60℃、冷凝溫度為50℃時(shí)，采用光照3h、冷凝3h、風(fēng)吹10min試驗(yàn)工藝，測(cè)得的斷裂伸長(zhǎng)率變化規(guī)律與自然氣候暴露試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較吻合。

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