基于蓄水滲膜材料的滲灌滴頭設(shè)計

毛潭　周幫平　張勇杰　張廣濤

【摘 要】提出了通過結(jié)合蓄水滲膜技術(shù)及3D打印快速成型技術(shù)設(shè)計制造滲灌滴頭的新思路?；谛钏疂B膜材料制備滲水纖維片實現(xiàn)可控緩釋水功能，滲水試驗結(jié)果表明設(shè)計制造的滲灌滴頭具有良好的滲水性能。通過試驗驗證，該設(shè)計思路可以加快滲灌滴頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計和修改，大大縮短滴頭的開發(fā)周期和成本，為滲灌滴頭規(guī)格多樣化、產(chǎn)品系列化提供強(qiáng)有力的解決方案。

【關(guān)鍵詞】蓄水滲膜；滲灌；3D打印

0 引言

土地荒漠化已成為當(dāng)今全球最為嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題之一[1]。治理荒漠化的根本措施是恢復(fù)植被，而恢復(fù)植被的關(guān)鍵是土壤的水分條件[2]。經(jīng)過多年的努力，國內(nèi)外積累了豐富的防治荒漠化的理論與技術(shù)，如蓄水集水技術(shù)[3]、固體水技術(shù)[4]、保水劑蓄水技術(shù)[5]、容器育苗技術(shù)[6]和節(jié)水灌溉技術(shù)[7]等，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。我國目前應(yīng)用的節(jié)水灌溉技術(shù)主要包括噴灌、滴滲灌、微灌、覆膜灌溉等[8]。

近年來，蓄水滲膜技術(shù)作為節(jié)水灌溉新技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。蓄水滲膜材料是功能導(dǎo)水纖維與可降解友好樹脂復(fù)合而成的實現(xiàn)科學(xué)釋水的薄膜材料[9]，通過科學(xué)釋水的材料學(xué)設(shè)計解決荒漠化地區(qū)節(jié)水造林的難題。分子滲水和自調(diào)節(jié)土壤濕度的蓄水滲膜新材料技術(shù)，建立了維系植物正常生長時根部需水規(guī)律與導(dǎo)水纖維功能化設(shè)計的關(guān)聯(lián)性聯(lián)系，在荒漠化地區(qū)節(jié)水造林中已取得了顯著的成效[10]。

滲灌是將壓力水或者無壓力水以水分子的形式通過安裝在管道上的滲灌滴頭濕潤土壤[11]。滲灌技術(shù)是一種地下微灌形式的灌溉技術(shù)，與其他治理荒漠化的技術(shù)相比，滲灌技術(shù)具有節(jié)水、節(jié)肥、省藥、生態(tài)效果明顯、系統(tǒng)運(yùn)行壓力低、耗能少、使用壽命長、工作量少，成本低等優(yōu)點(diǎn)。滲灌技術(shù)中水的利用率可達(dá)到94%，是目前干旱沙漠缺水地區(qū)最好的節(jié)水灌溉方式之一。

滲灌滴頭是滲灌系統(tǒng)的核心部件，設(shè)計一種具有良好工作性能的滲灌滴頭會極大的提高系統(tǒng)的工作性能。但是滲灌滴頭的設(shè)計制造過程復(fù)雜多樣，國內(nèi)目前的滲灌滴頭的常用制作流程為：二維圖紙→模具設(shè)計→模具加工→注塑→實驗→修改→定型。這樣的設(shè)計流程不僅周期長，而且成本高，使用傳統(tǒng)的設(shè)計制造方法無法快速實現(xiàn)產(chǎn)品的改進(jìn)或提高。因此，提出通過結(jié)合蓄水滲膜技術(shù)及3D打印快速成型技術(shù)[12]設(shè)計制造滲灌滴頭，既提高滲灌滴頭的使用性能，又實現(xiàn)滲灌滴頭的快速設(shè)計及試制，從而加快滲灌器材更新?lián)Q代的步伐。

1 滲灌滴頭的設(shè)計

滲灌滴頭的設(shè)計在性能上需滿足其滲水功能，即根據(jù)作物的生長需水量定時定量地向土壤中滲水供給作物。因此要以水分子的形式滲水，從滲水管流入的水以水分子的形式流入土壤中，工作水頭一般為7-10米，過水流道直徑一般在0.3-4.0mm之間，出水流量在2-20L/h之間變化；另外還需出水均勻、穩(wěn)定，滲水管的壓力大則出水的速率高，滲灌滴頭必須能夠自動調(diào)節(jié)水流的大小，滿足水分的流速。因此，采用蓄水滲膜材料制備導(dǎo)水纖維片并內(nèi)嵌置滲灌滴頭中以滿足上述性能要求。此外，滲灌滴頭還應(yīng)堅固耐用、價格低廉 ，整個滲灌系統(tǒng)也應(yīng)該嚴(yán)格控制制作成本，滿足滲灌滴頭的工程應(yīng)用，達(dá)到經(jīng)濟(jì)的目的。經(jīng)過多次計算，結(jié)構(gòu)修改，強(qiáng)度校核后設(shè)計滲灌滴頭的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

鑒于傳統(tǒng)的設(shè)計方法過于復(fù)雜，采用3D打印技術(shù)設(shè)計制造滲灌滴頭將大大縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計成本。3D打印技術(shù)能夠把三維設(shè)計模型在幾個小時到幾天時間內(nèi)轉(zhuǎn)換成實體模型，然后再對實體模型進(jìn)行測試、評估和修改，該設(shè)計模式可以加速設(shè)計研發(fā)效率，提高生產(chǎn)效率。

如圖2設(shè)計路線所示，結(jié)合蓄水滲膜技術(shù)及3D打印快速成型技術(shù)設(shè)計制造滲灌滴頭，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計后，利用3D打印技術(shù)加工出嵌入式滲灌滴頭原型，并安裝到模擬實際環(huán)境中進(jìn)行實驗，對滲水的整個過程進(jìn)行觀察記錄，根據(jù)導(dǎo)水效果進(jìn)行對比分析進(jìn)一步完善，最終完成現(xiàn)場實驗及應(yīng)用。

根據(jù)滲灌滴頭結(jié)構(gòu)簡圖，利用SolidWorks三維設(shè)計軟件進(jìn)行三維實體建模，如圖3所示。其工程圖如圖4所示。

2 滲灌滴頭的試制

2.1 滲水纖維片的制備

滲水纖維片的支撐材料采用堿液預(yù)處理后的尼龍纖維。復(fù)合調(diào)濕材料由高吸水性樹脂材料和無機(jī)材料復(fù)合而成。高吸水性樹脂材料選擇聚丙烯酰胺（PAM），無機(jī)材料選擇天然蒙脫土（MMT），分別制備成黏結(jié)劑PAM溶液與MMT懸浮液，采用溶液共混法以1∶250的比例配制成復(fù)合膠體溶液。將預(yù)處理后的支撐纖維放入導(dǎo)水膠體溶液中充分浸潤后懸垂烘干，制備出具有導(dǎo)水功能的涂層纖維，將纖維裁切成纖維片。通過滲水纖維片，水分以水分子的形式緩慢釋放并作用于植物根部，以滿足植物生長過程中所需的合理水分，能大大減少水分的地表蒸發(fā)及地下滲漏。

2.2 滲灌滴頭外殼的制備

用SolidWorks對滲灌滴頭外殼進(jìn)行三維實體造型后，進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到STL格式的數(shù)據(jù)文件。利用分層軟件依照所需精度要求對產(chǎn)品的STL文件進(jìn)行切片處理，得到切片數(shù)據(jù)載入加工設(shè)備的控制系統(tǒng)。外殼制備使用的設(shè)備為武漢賓湖機(jī)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司的HRPS-II型號3D打印機(jī)。該設(shè)備采用選擇性激光燒結(jié)法（SLS）的快速成形技術(shù)。激光束在計算機(jī)的控制下對光敏樹脂進(jìn)行掃描，激光軌跡為零件的各個分層的截面信息，光敏樹脂在激光經(jīng)過的地區(qū)發(fā)生了光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的薄層斷面。一層被固化后，工作臺下移一個層厚的距離，新的光敏樹脂由滾筒鋪覆到零件的表面，新的表面又會經(jīng)過激光的照射，產(chǎn)生新的一層零件表面粘合在前一層上，如此反復(fù)，直到整個零件成型。其特點(diǎn)為成型精度高，可達(dá)±0.1mm、表面質(zhì)量好，原材料的利用率高，能制造復(fù)雜度特別高，精細(xì)度特別好的零件。

3 試驗分析

為得到結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，系統(tǒng)投資少，低消耗的滲灌滴頭，需要進(jìn)行各種試驗驗證設(shè)計方法。影響滲灌滴頭設(shè)計因素有兩個：滲灌滴頭流道的直徑及滲水纖維片的厚度。試制不同流道直徑的滲灌滴頭，內(nèi)嵌不同厚度的滲水纖維片，在實驗室搭建試驗平臺測試這兩種影響因素對滲水效果的影響。試驗平臺采用沙箱模擬沙化地區(qū)，用帶刻度的導(dǎo)水管與不同參數(shù)的滲灌滴頭樣品相連，插入沙箱。室溫常壓條件下進(jìn)行滲水實驗，每隔一段時間通過導(dǎo)水管上標(biāo)注刻度讀取并記錄液面下降的高度，統(tǒng)計分析。

實驗結(jié)果表明，在開始滲水后，出現(xiàn)液面下降后，滲水的速度較為緩慢；經(jīng)過一段時間后，液面下降的高度較大，表明在這個過程中滲水的速度加大；隨著時間推移，液面下降的高度逐漸減小，滲水的速度降低。隨著滲灌滴頭流道直徑的增加，滲水的速率會逐漸增大；隨著滲水纖維片厚度的增加，滲水速率也是不斷增加?？梢姴煌牧鞯缹挾燃皾B水纖維片的厚度是影響滲水的速率的重要因素。由此我們可以根據(jù)不同的環(huán)境，不同的作物對水分的要求來設(shè)計滲灌滴頭，從而達(dá)到可控的導(dǎo)水速率和導(dǎo)水量。

4 結(jié)論與展望

傳統(tǒng)滲灌設(shè)備研制采用模具制作方式不僅耗材，而且周期長、成本高、系列化難，嚴(yán)重制約著國內(nèi)滲灌器件的研制更新和產(chǎn)品系列化、品種多樣化。本文結(jié)合快速成型技術(shù)對滲灌滴頭的設(shè)計改型提出新思路：基于蓄水滲膜材料制備滲水纖維片，將其嵌入滲灌滴頭內(nèi)實現(xiàn)滲灌材料的可控緩釋水功能；滲水試驗結(jié)果表明設(shè)計制造的滲灌滴頭具有良好的滲水性能，通過設(shè)計不同的滲灌滴頭流道和纖維片厚度，可得到不同的導(dǎo)水速率和導(dǎo)水量，以滿足不同植物生長所需的水分，從而應(yīng)用于滲灌技術(shù)達(dá)到節(jié)水的目的。該設(shè)計思路不僅加快了滲灌滴頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計和修改，而且可直接加工出滲灌滴頭樣品，用于滲灌試驗，驗證設(shè)計的合理性，從而大大縮短了滴頭的開發(fā)周期和成本，為規(guī)格多樣化、產(chǎn)品系列化提供了強(qiáng)有力的解決方案。

基于蓄水滲膜材料及快速成型技術(shù)來制備地下滲灌管材，其實際利用效果還不夠成熟，實際的種植環(huán)境也更為復(fù)雜，許多問題還需要深入研究，如滲灌滴頭導(dǎo)水速率的控制、如何有效防止滴頭堵塞等問題，需要進(jìn)一步優(yōu)化制備方案，進(jìn)行更多實際環(huán)境的試驗驗證，從而使?jié)B灌技術(shù)及蓄水滲膜技術(shù)在沙漠治理方面發(fā)揮更好的作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]魏海燕，胡方彩.我國荒漠化的現(xiàn)狀及防治對策[J].貴州科學(xué)，2014，06：83-87.

[2]孫保平.荒漠化防治工程學(xué)[M].北京：中國林業(yè)出版社，2000.

[3]張耀，張治來，柳忠勇.陜北地區(qū)節(jié)水抗旱造林實用技術(shù)的探討[J].陜西林業(yè)科技，2006，03：83-85.

[4]李升，王美蘭，張團(tuán)員.庫布齊沙漠防沙治沙固體水抗旱造林新技術(shù)[J].內(nèi)蒙古林業(yè)科技，2008，01：55-57.

[5]高占英.陜北干旱區(qū)采用抗旱造林技術(shù)措施及其成效分析[J].現(xiàn)代園藝，2014，02：169-170.

[6]趙健，于衛(wèi)平，白永強(qiáng)，等.沙旱生植物容器育苗技術(shù)[J].林業(yè)科學(xué)研究，2004，S1：100-104.

[7]逄煥成.我國節(jié)水灌溉技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析[J].中國土壤與肥料，2006，05：1-6.

[8]周春生，史海濱.節(jié)水灌溉技術(shù)研究綜述[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，04：314-320.

[9]李根柱，張增志，韓海榮，張利梅.蓄水滲膜材料的研究及其應(yīng)用[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，03：390-396.

[10]譚敬，齊凱，張增志，李根柱.蓄水滲膜材料在造林中的應(yīng)用研究[J].干旱區(qū)地理，2005，03：357-361.

[11]房振偉.滲灌技術(shù)的應(yīng)用[J].黑龍江水利科技，2008，06：184.

[12]郭振華，王清君，郭應(yīng)煥.3D打印技術(shù)與社會制造[J].寶雞文理學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，04：64-70.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]