滴灌帶灰分分析及其對(duì)拉伸性能的影響

黃河 張薇 雷振凱* 王陲 朱興成

(1. 新疆維吾爾自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊，830011；2. 國(guó)家節(jié)水器材產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，新疆 烏魯木齊，830011；3. 新疆維吾爾自治區(qū)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督審核評(píng)價(jià)中心，新疆 烏魯木齊， 830001)

滴灌帶灰分分析及其對(duì)拉伸性能的影響

黃河1,2張薇3雷振凱1,2*王陲1,2朱興成1,2

(1. 新疆維吾爾自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊，830011；2. 國(guó)家節(jié)水器材產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，新疆 烏魯木齊，830011；3. 新疆維吾爾自治區(qū)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督審核評(píng)價(jià)中心，新疆 烏魯木齊， 830001)

用熱失重法對(duì)單翼迷宮式滴灌帶中灰分及碳黑含量進(jìn)行測(cè)定，統(tǒng)計(jì)了2012—2014年新疆部分滴灌帶產(chǎn)品中灰分和碳黑含量變化情況；通過掃描電鏡(SEM)-能譜(EDS)對(duì)用回用料生產(chǎn)的滴灌帶的微觀形貌和元素進(jìn)行了分析；測(cè)試了部分滴灌帶試樣拉伸性能。研究表明：2012—2014年新疆部分滴灌帶產(chǎn)品中灰分含量逐年增加；使用回用料的滴灌帶中灰分粒子團(tuán)形狀、尺寸各不相同，呈無規(guī)則分布,灰分由Ca，C，O 3種元素組成，灰分中碳酸鈣含量較高；滴灌帶中灰分含量增多，拉伸間距變化率上升。

灰分 形貌 滴灌帶 回用料 含量

滴灌技術(shù)是當(dāng)今世界上公認(rèn)的最為節(jié)水高效的灌溉技術(shù)之一[1-2]。滴灌帶作為滴灌技術(shù)產(chǎn)品中的一類，主要有單翼迷宮式滴灌帶和內(nèi)鑲式滴灌帶兩種。其中，內(nèi)鑲貼片式滴灌帶加工技術(shù)復(fù)雜，產(chǎn)品精度和原材料要求都比較高，成本偏大，應(yīng)用范圍??；而單翼迷宮式滴灌帶的生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低廉，產(chǎn)品在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用已有十年有余，且范圍較廣。

由于GB/T 19812.1—2005中允許國(guó)內(nèi)單翼迷宮式滴灌帶生產(chǎn)時(shí)添加一定比例的潔凈回用料，因此，為了節(jié)約成本，絕大部分生產(chǎn)廠家都會(huì)添加不同比例的聚乙烯回用料。這造成了灰分不斷累積。灰分含量過大會(huì)直接造成滴灌帶產(chǎn)品質(zhì)量下降，農(nóng)業(yè)灌溉受到不同程度的影響。

本課題對(duì)2012—2014年新疆部分滴灌帶產(chǎn)品中灰分和碳黑含量情況進(jìn)行總結(jié)。通過掃描電鏡及能譜(SEM-EDS)技術(shù)對(duì)滴灌帶形貌及成分等進(jìn)行了分析。分析了灌帶灰分含量和拉伸性能之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要材料

單翼迷宮式滴灌帶，新疆維吾爾自治區(qū)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)。

1.2 主要設(shè)備及儀器

電子萬能試驗(yàn)機(jī)，XWW-10A型，承德市金建檢測(cè)儀器有限公司；管式電阻爐，SRJX-2-13型，北京市永光明醫(yī)療儀器廠；箱式電阻爐(馬弗爐)，SRJX-8-13型，北京市永光明醫(yī)療儀器廠；電子天平，BS224S型，賽多利斯儀器(北京)有限公司；掃描電子顯微鏡，LEO1430VP型，配備X-射線能譜儀，INCA 200型，德國(guó)LEO公司。

掃描電鏡(SEM)及能譜(EDS)測(cè)試：在銅片上貼一層黑色導(dǎo)電膠，撕去表面，將待測(cè)滴灌帶剪成約2 mm×2 mm大小的試樣粘放在導(dǎo)電膠上備用；將裝好樣品的銅片放在電鏡試樣槽中，蓋好蓋子，抽真空3～5 min，真空度達(dá)到后，在掃描電子顯微鏡下觀察其形貌，并在表面形貌圖上進(jìn)行能譜分析。

1．3 性能測(cè)試與表征

采用熱失重法分析碳黑、灰分含量，按GB/T 13021—2000進(jìn)行測(cè)試。

拉伸間距變化率按照GB/T 19812.1—2005測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 灰分含量和碳黑含量情況

2012—2014年，分別隨機(jī)選取新疆內(nèi)62家滴灌帶產(chǎn)品，對(duì)產(chǎn)品中碳黑和灰分含量進(jìn)行測(cè)定和匯總，結(jié)果見表1。

表1 滴灌帶產(chǎn)品中碳黑和灰分含量

2012年，新疆部分企業(yè)的碳黑平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.08%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為1.46%；2013年碳黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為1.98%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為1.66%；2014年碳黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為2.02%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為1.73%。表明灰分含量整體上呈逐年增大的趨勢(shì)，2014年灰分含量結(jié)果普遍偏高。另外，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于1%的企業(yè)個(gè)數(shù)也逐年增多。標(biāo)準(zhǔn)差反映出2012年的碳黑含量的離散程度最大，說明該年度有的企業(yè)加入的碳黑量很大，相反部分企業(yè)則偏小，碳黑含量大小偏離較嚴(yán)重，在0.73%～3.64%；2013年灰分含量的離散程度最大，說明該年度有的企業(yè)混入的灰分較多，值偏大，相反部分企業(yè)的原料較為潔凈，雜質(zhì)控制的很好，灰分含量在0.87%～2.72%，企業(yè)之間原料潔凈程度相差較大。

2.2 滴灌帶試樣的SEM-EDS分析

隨機(jī)選取一個(gè)滴灌帶試樣(熱失重法測(cè)得其灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.01%、碳黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.49%)對(duì)其表面形貌進(jìn)行表征。從SEM照片(見圖1)中可以看出，試樣表面基本由黑色和白色部分組成，白色粒子團(tuán)或聚集體與黑色粒子團(tuán)或聚集體共混。白色粒子團(tuán)或聚集體分散不均勻，且白色粒子團(tuán)或聚集體尺寸大小及形狀各不相同，分布無規(guī)則。

圖1 滴灌帶試樣的SEM照片

在SEM照片中分別對(duì)白色粒子團(tuán)微區(qū)和黑色粒子團(tuán)微區(qū)進(jìn)行能譜(EDS)點(diǎn)分析，隨機(jī)選取其中某一點(diǎn)[圖1(a)和1(b)]處位置測(cè)試，得到了微區(qū)中該點(diǎn)處所含元素種類、元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及原子個(gè)數(shù)百分比例，結(jié)果見表2。

表2 滴灌帶試樣的EDS數(shù)據(jù)

a區(qū)元素元素質(zhì)量分?jǐn)?shù),%原子個(gè)數(shù)百分比,%C26.2339.77O39.0744.46Ca34.7015.77b區(qū)元素元素質(zhì)量分?jǐn)?shù),%原子個(gè)數(shù)百分比,%C84.2194.68Ca15.795.32

注：a區(qū)為圖1(a)中白色區(qū)域內(nèi)點(diǎn)處元素；b區(qū)為圖1(b)中黑色區(qū)域內(nèi)點(diǎn)處元素。

從表2中可以看出，圖1(a)白色區(qū)域點(diǎn)處試樣主要由C，O和Ca元素組成，圖1(b)黑色區(qū)域點(diǎn)處由C元素和Ca元素組成。其中，白色區(qū)域點(diǎn)處C原子個(gè)數(shù)占39.77%、O原子個(gè)數(shù)占44.46%、Ca原子個(gè)數(shù)占15.77%，Ca，C，O原子個(gè)數(shù)比為1.0∶2.5∶2.8；黑色區(qū)域點(diǎn)處C原子個(gè)數(shù)占94.68%、Ca原子個(gè)數(shù)占5.32%。由此，白色區(qū)域中元素可形成碳酸鈣等物質(zhì)，黑色區(qū)域中元素存在少量碳化鈣。圖1(a)中白色區(qū)域部分C主要為灰分里碳酸鈣中碳和聚乙烯中碳，圖1(b)中黑色微區(qū)部分C元素主要為碳黑、聚乙烯中碳及很少量的碳化鈣中碳。黑色區(qū)域點(diǎn)處碳化鈣粒子很少，Ca原子個(gè)數(shù)占5.32%，則碳化鈣中C原子個(gè)數(shù)也為10.64%，剩余84.04%為聚乙烯和碳黑中C原子個(gè)數(shù)總和。假定白色區(qū)域點(diǎn)處不含碳黑，由于碳酸鈣中Ca，C原子個(gè)數(shù)比為1∶1，則15.77%的C為碳酸鈣中C原子，剩余24.00%為聚乙烯中C原子，則黑色區(qū)域點(diǎn)處所含60.04%為碳黑C原子，根據(jù)表2中黑色區(qū)域點(diǎn)處C元素質(zhì)量和原子個(gè)數(shù)百分比計(jì)算得到碳黑質(zhì)量比例為53.40%，由白色區(qū)域點(diǎn)處Ca,C,O的原子個(gè)數(shù)和元素質(zhì)量百分比得到所含碳酸鈣質(zhì)量比例為89.59%。

2.3 灰分含量對(duì)滴灌帶拉伸性能的影響

選取一部分2014年生產(chǎn)的滴灌帶試樣，對(duì)其拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表3。

從表3可以看出，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.03%～3.41%，滴灌帶試樣的拉伸間距變化率為6%～20%，其中有一個(gè)產(chǎn)品在試驗(yàn)時(shí)斷裂。結(jié)果表明：以上拉伸間距變化率均超過5%，均不符合國(guó)標(biāo)GB/T 19812.1—2005要求。當(dāng)灰分含量較小時(shí)，滴灌帶標(biāo)線間間距變化率相對(duì)較小，當(dāng)灰分含量較大時(shí)，意味著滴灌帶產(chǎn)品中無機(jī)物增多，滴灌帶標(biāo)線間間距變化率相對(duì)增大，此時(shí)拉伸性能處于較低水平。滴灌帶產(chǎn)品拉伸性能有很多影響因素，灰分含量是其中之一，灰分含量偏大會(huì)導(dǎo)致拉伸性能下降，除此之外還存在原料及工藝環(huán)節(jié)等多種因素影響。因此，灰分含量對(duì)拉伸性能變化有影響，但并不是決定性因素，灰分含量偏大會(huì)造成拉伸性能不同程度的下降。新疆維吾爾自治區(qū)質(zhì)量監(jiān)督局在2010年發(fā)布了《聚乙烯微灌產(chǎn)品用再生顆?！返鹊牡胤綐?biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了再生顆粒料的碳黑及灰分的技術(shù)指標(biāo)，其中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.5%。建議用戶在選擇原材料時(shí)同時(shí)考慮碳黑和灰分的含量，不控制原料中灰分含量會(huì)導(dǎo)致滴灌帶產(chǎn)品性能受到影響，合理選擇一定灰分含量的回用料或選擇潔凈的回用料，是提高滴灌帶拉伸性能的重要因素之一。

表3 滴灌帶產(chǎn)品中灰分含量和拉伸性能結(jié)果 %

3 結(jié)論

a) 2012年到2014年回用料逐年添加使用導(dǎo)致滴灌帶灰分含量隨著年份遞增不斷增大。

b) 滴灌帶中灰分以粒子團(tuán)或聚集體的形式存在，灰分粒子團(tuán)形狀各異，分布無規(guī)則，主要由C，O，Ca 3種元素組成，粒子以碳酸鈣的形式存在的較多。滴灌帶SEM照片中白色區(qū)域點(diǎn)處碳酸鈣質(zhì)量比例高達(dá)89.59%。

c) 灰分含量在1.03%～3.41%的回用料滴灌帶試樣，其拉伸間距變化率，均不能滿足GB/T 19812.1—2005的要求，灰分成為產(chǎn)品中的雜質(zhì)，是導(dǎo)致產(chǎn)品拉伸性能不合格的因素之一。

[1] 康靜，黃興法．膜下滴灌的研究及發(fā)展[J]．節(jié)水灌溉，2013,(9):71-74．

[2] 張林．小流量微壓滴灌技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2009:8．

Analysis of Ash in Drip Irrigation Tape and Its Effect on Tensile Properties

Huang He1,2Zhang Wei3Lei Zhenkai1,2Wang Chui1,2Zhu Xingcheng1,2

(1. Xinjiang Uygur Autonomous Region Product Quality Supervision and Inspection Academe, Urumqi, 830011; 2. National Center of Supervision & Inspection Water-Saving Equipment Product Quality, Urumqi, 830011; 3. The Xinjiang Uygur Autonomous Region Quality and Technical Supervision Audit Evaluation Center, Urumqi, 830001)

Ash and carbon contents in drip irrigation tape with labyrinth on the side were determined by thermal gravimetric method. Changes on the contents of the ash and the carbon black in Xinjiang drip irrigation tape products from 2012 to 2014 were summaried. The surface micro-morphology and element of the drip irrigation tape were analyzed by scanning electron microscopy(SEM)-energy dispersive spectroscopy(EDS),and some drip irrigation tape products were selected to test tensile property. The results showed that the ash content was increased year by year and the majority of the ash in the drip irrigation tape made by recycled material was composed of Ca, C and O elements and the calcium carbonate contents were high. The shape and size of ash particles or aggregates were different and in irregular distribution; and the change rate of tensile elongation of drip irrigation tape was affected by the increasing ash content.

ash; morphology; drip irrigation tape; recycled material; content

2015-11-27;修改稿收到日期:2016-06-07。

黃河，男，高級(jí)工程師，主要從事塑料高分子產(chǎn)品及材料的性能研究。

新疆質(zhì)監(jiān)局科技計(jì)劃項(xiàng)目(201503)資助。

10.3969/j.issn.1004-3055.2016.06.012

*通信聯(lián)系人，E-amil：lzksxh@163.com。