單翼迷宮式滴灌帶的老化與防老化研究

買買提江·依米提，邸書新，艾買提江·薩伍提，魏艷嬌，塞娜瓦爾·阿布拉

（1.新疆大學化學與化工學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.新疆大學功能高分子材料校級重點實驗室，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

在國家大力推動節水產業政策的影響下，到2011年新疆注冊400多家各類農用滴灌帶生產企業（單翼迷宮式滴灌帶約占70%），高效節水灌溉面積已實現16.7×109m2。滴灌節水技術的農作物增產、節肥、省勞力和高效節水特性已成為干旱缺水地區農業現代化的一個標志。但也存在諸多的問題，其中新疆獨特的高紫外線、高溫差、干旱、沙塵等地區氣候條件，導致滴灌帶制品使用時提前老化問題一直影響高效節水灌溉技術大面積推廣應用。

人工加速老化試驗是用人工的方法模擬材料的自然使用狀況，是為了補充甚至取代自然大氣曝露試驗而發展起來的評價材料性能與環境關系的試驗方法［1-7］。這種試驗周期短、不受區域性氣候的影響，但往往不能如實模擬變化多端的天然氣候條件。線形低密度聚乙烯（PE－LLD）在經過紫外輻照后，可引起分子鏈的交聯、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 耐光老化性能的關系。盧琳等［11］研究了聚乙烯（PE）在西沙自然環境中的光老化行為。劉奎芳等［12］采用斷裂伸長率變化率作為衡量PE－LLD老化程度的指標，研究其在濕熱及亞濕熱氣候大氣暴露與人工加速試驗的相關性。胡行俊等［13］研究了聚氯乙烯（PVC）人工加速老化與廣州地區（濕熱氣候）自然老化的相關性。但是針對新疆獨特的高紫外線、高溫差、干旱、沙塵及寒冷的地區氣候條件下，對農用滴灌帶老化與防老化的相關性專項研究國內尚無先例。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地為自然暴露老化試驗田和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的相關性。

1 實驗部分

1.1 主要原料

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

抗氧劑，TA215，上海金海雅寶精細化工有限公司；

受阻胺光穩定劑，622，上海金海雅寶精細化工有限公司。

1.2 主要設備及儀器

同向雙螺桿擠出機，TE－20，科倍隆科亞（南京）機械有限公司 ；

單翼迷宮式滴灌帶生產設備，MGD－40×30，信益塑料機械有限公司；

塑料注射成型機，XL－400VI，寧波高新協力機電液有限公司；

電子萬能材料試驗機，CMT6104－50N，深圳市新三思計量技術有限公司；

熔體流動速率儀，XNR－400B，承德市金建檢測儀器有限公司；

標準型紫外光老化試驗機，BR－UV，上海博睿光學有限公司；

紅外光譜儀（FTIR），EQUINOX－55，德國布魯克公司。

1.3 樣品制備

配方設計中回收造粒料用量在85%～100%之間，PE－HD（5000S）和PE－LLD（0209）樹脂用量在0～15%之間，防老化母料用量在0～3%之間，分別設計A、B、C 3種滴灌帶生產配方，在生產車間嚴格按單翼迷宮式滴灌帶生產工藝進行中試生產，主要工藝參數：生產速度為30m／min，擠出機溫度為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 滴灌帶生產工藝流程Fig.1 Production process of drip irrigation tapes

1.4 性能測試與結構表征

自然暴露老化試驗方法：滴灌帶自然氣候暴露試驗田設在新疆五家渠市方興塑化有限公司有代表性的沙土試驗地，設計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，完全模仿大田棉花種植要求膜下鋪膜和給水，并嚴格檢測記錄自然氣候暴露試驗田的棉花種植期（5—9月）每天的膜上、膜下溫度，室外環境溫度及濕度，5—9月5個月膜下平均溫度為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%；

紫外光室內人工加速老化試驗：參照現行的國際及國內紫外線老化試驗測試標準ASTM D4329、ISO 4892－3、GB／T 16422.3—1997進行光、熱人工加速老化試驗，試驗方案為10、12d，人工加速老化試驗工藝如圖2所示；熒光紫外燈：選用美國原裝進口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，大致相當于赤道夏日正午12：00時平均陽光強度）；黑板溫度即被測試樣的表面溫度的設定值為60℃；冷凝溫度：利用冷凝濕氣模擬結露效果，水槽溫度控制為50℃；試樣夾：共有6個試樣夾，每個試樣夾可輻照2m滴灌帶（含6個滴頭）；

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

按GB／T 3682—2000測試樣品的熔體流動速率，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距為20mm、寬度為10mm、厚度為0.2mm左右（實測為準）試驗樣條，按GB／T 1040—1992進行拉伸強度和斷裂伸長率的測定，取平均值，拉伸速率為150mm／min；

FTIR分析：用FTIR測試老化前后滴灌帶試樣的化學基團改變情況。

2 結果與討論

2.1 原料的篩選

目前在新疆地區生產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力學性能（多次使用后的老化程度）、炭黑含量及礦物質含量。所以在設計單翼迷宮式滴灌帶配方時掌握回收造粒料的各項性能尤為重要。從表1可以看出，PE－HD（6070）的熔體流動速率值較高，與其他PE共混時流動性不好，影響滴灌帶的成型，PE－LD（15803）的斷裂伸長率較低，影響滴灌帶的韌性。PE－LLD（0209）為薄膜級，應用于滴灌帶具有韌性好、剛性大、耐熱、耐寒性好等優點。PE－HD（5000S）為拉絲級，力學性能高，配方中能增加產品的強度，提高抗沖擊性能。內鑲造粒料為新疆方興塑化有限公司用全新料生產的內鑲式滴灌帶，在新疆五家渠市使用一個種植期后回收造粒料，從實驗數據看力學性能良好。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，通過雙螺桿擠出機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的氣候環境。

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

2.2 滴灌帶的配方優化與生產

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用性能，配方設計中回收造粒料用量在85%～100%之間，PE－HD（5000S）和PE－LLD（0209）樹脂用量在0～15%之間，防老化母料用量在0～3%之間，分別設計A、B、C 3種滴灌帶生產配方，如表2所示。按上述配方分別配制60kg滴灌帶生產原料，在新疆方興塑化有限公司生產車間，嚴格按正常生產工藝進行單翼迷宮式滴灌帶配方的中試生產，并制品進行性能評價，制品各項性能指標如表3所示。

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

表3 滴灌帶各項性能指標Tab.3 Performance of drip irrigation tapes

2.3 單翼迷宮式滴灌帶老化程度判定

拉伸強度保持率為老化后試樣的拉伸強度與老化前試樣的拉伸強度之比，斷裂伸長率保持率為老化后試樣的斷裂伸長率與老化前試樣的斷裂伸長率之比。如試樣的斷裂伸長率保持率＜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率保持率數據看，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）樹脂為生產薄膜的專用料，具有良好的韌性、耐熱、耐寒性和抗環境應力開裂等優點，所以樣品A的防老化性能略好于添加PE－HD（5000S）樹脂的樣品B。

表4 滴灌帶老化前后的力學性能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條曲線中出現的2919cm－1處為CH2的不對稱伸縮振動吸收峰，2854cm－1處為CH2的對稱伸縮振動吸收峰，1468cm－1處為CH2的彎曲振動吸收峰，以上各峰是PE樹脂FTIR譜圖中共有的峰，而1377cm－1處為甲基（—CH3）的彎曲振動吸收峰，為支鏈較多的低密度聚乙烯（PE－LD）所特有。當以UVA－340熒光紫外燈管為紫外光源時，隨老化時間的延長，分子結構的主要變化在2741cm－1處羰基峰的逐漸生成和不斷增強［14-15］。這表明，UVA－340熒光紫外燈管作為紫外光源，對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，隨著輻照時間的延長，在FTIR譜圖中2741cm－1處羰基峰逐漸生成并不斷增強，滴灌帶逐漸老化降解；

（3）人工加速光老化試驗以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，采用光照3h、冷凝3h、風吹10min試驗工藝，測得的斷裂伸長率變化規律與自然氣候暴露試驗數據比較吻合。

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