內鑲式滴灌帶的制備與耐老化性能研究

買買提江·依米提，塞娜瓦爾·阿布拉，艾買提江·薩伍提，邸書新

（1.新疆大學化學化工學院，石油天然氣精細化工教育部和自治區重點實驗室，新疆 烏魯木齊830046；2.新疆方興塑化有限公司，新疆 五家渠831300）

0 前言

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[1-2]。滴灌帶可分為內鑲式滴灌帶和單翼迷宮式滴灌帶。內鑲式滴灌帶也稱內鑲貼片式滴灌帶，是每隔一定距離在塑料管內鑲上一有彎彎小流道帖片，水由流道口流到土壤進行農作物的灌溉。滴頭有自過濾窗，抗堵塞性能好，采用迷宮式流道，具有一定的壓力補償作用，滴頭間距可根據用戶要求而定。廣泛應用于溫室大棚，大田經濟作物的灌溉。但滴灌帶用聚乙烯原料在高紫外線、高溫差、干旱等地區氣候條件，特別是在太陽光紫外線290～340 nm波長范圍內較容易降解老化，導致滴灌帶制品使用時提前老化[3-5]。

楊浩邈等研究了抗老化母粒對線形低密度聚乙烯（PE-LLD）耐光老化性能的關系[6-7]。盧琳等研究聚乙烯塑料在西沙自然環境中光老化行為[8]。劉奎芳等采用斷裂伸長率變化率作為衡量PE-LLD老化程度的指標，研究塑料在濕熱及亞濕熱氣候大氣暴露與人工加速老化試驗相關性[9]。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[10-12]。本研究通過力學性能和加工性能，篩選出適合生產內鑲式滴灌帶的聚乙烯原料，并結合自制抗老化母粒設計優化滴灌帶配方，研究聚乙烯原料和自制抗老化母粒對內鑲式滴灌帶力學性能和耐老化性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

高密度聚乙烯（PE-HD），5410、6070，中國石油獨山子石化公司；

PE-LLD，0209，中國石油獨山子石化公司；

PE-HD，5000S，中國石油蘭州石化公司；

低密度聚乙烯（PE-LD），15803、2426H，揚子石化-巴斯夫有限責任公司；抗氧劑，TA 215，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，中國江蘇（南京）科亞公司；

內鑲式滴灌帶生產設備，WDG5882，廊坊盛源有限責任公司；

塑料注射成型機，XL-400VI，寧波高新協力機申液有限公司；

材料電子萬能試驗機，CMT6104-50N，深圳新三思計量公司；

熔體流動速率儀，XNR-400B，承德市金建儀器有限公司；

滴灌帶專用紫外光老化實驗箱，XJU-HD1，自制；

紅外光譜儀（FTIR），EQUINOX-55，德國布魯克公司。

1.3 樣品制備

抗老化母粒的制備：以PE-LLD為載體、受阻胺光穩定劑和抗氧劑TA215為抗光劑和抗氧劑，準確稱量后混合分散均勻，擠出造粒，烘干備用；

內鑲式滴灌帶的制備：將實驗室設計的性能較好的配方，在生產車間嚴格按內鑲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120 m/min，擠出機溫度為230～260℃，機頭溫度為150℃，牽引速度為1138r/min。

1.4 性能測試與結構表征

紫外光室內人工加速老化試驗[9]：將340 nm熒光紫外燈輻照度控制在0.68 W/m2、在黑板溫度為60±3℃下輻照暴露4 h，然后，在冷凝溫度為50±3℃下無輻照條件下冷凝暴露4 h，最后風吹10 min（模擬四級風），每490 min試驗循環一次，試驗方案為10 d和12 d；

自然暴露老化試驗方法[9]：滴灌帶自然氣候暴露試驗田設在新疆五家渠市方興塑化公司有代表性的沙土試驗地，設計3種不同內鑲式滴灌帶配方在新疆五家渠市方興塑化公司生產，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暴露老化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%；

熔體流動速率按GB/T 3682—2000測定，溫度為190℃，載荷為1.92 kg；

按GB/T 1040—1992進行拉伸強度和斷裂伸長率的測定，將老化前后的滴灌帶制品沿滴灌帶橫向方向制成標距為20 mm、寬度為10 mm、厚度為0.2 mm左右（實測為準）試驗樣條，拉伸速度為150 mm/min；

FTIR分析：將老化前后的滴灌帶試樣壓制剪成厚度為5μm左右的小薄片，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

將各原料注射成標準啞鈴形樣條，用拉伸機對制備好的試樣進行拉伸強度和斷裂伸長率的測定，并通過力學性能和加工性能，篩選出適合生產內鑲式滴灌帶的聚乙烯原料，表1為各種原料的力學性能比較。

從表1實驗數據看，PE-LLD（0209）為薄膜級，當應用在滴灌帶具有耐環境應力開裂性，韌性好，剛性大，耐撕裂強度，耐寒性好等優點。PE-LD（2426H）和PE-LD（15803）進 行 比 較，熔 體 流 動 速 率 PE-LD（15803）比PE-LD（2426H）略小，但PE-LD（2426H）比PE-LD（15803）的屈服強度、拉伸強度、斷裂伸長率及彈性模量大很多，在測試內鑲式滴灌帶的回縮率時，屈服強度是一個很重要的指標，因此選擇PE-LD（2426 H）為內鑲式滴灌帶配方用料。PE-HD（5000S）和PE-HD（5410）為拉絲級PE-HD，力學性能好，能增加產品的強度，提高沖擊性能。但PE-HD（5000S）的屈服強度比 PE-HD（5410）大，所以選擇 PE-HD（5000S）為內鑲式滴灌帶配方用料。對比PE-HD（60550）和 PE-HD（6070）2種原料的力學性能，PE-HD（60550）的斷裂伸長率和屈服強度比 PE-HD（6070）的大，在內鑲式滴灌帶進行靜水水壓測試、生產及使用時，滴灌帶的韌性起到很重要的作用，為此選擇PE-HD（60550）為最佳。

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

2.2 滴灌帶的配方優化與生產

在內鑲式滴灌帶配方的設計過程中，對滴灌帶的各種聚乙烯原料進行力學性能和加工性能分析，篩選最佳的配方原料為PE-HD（5000S）、PE-LD（2426 H）、PE-HD（60550）、PE-LLD（0209A），將 PE-HD 含量設為30%～60%（質量分數，下同），PE-LD和PE-LLD含量設為30%～60%，炭黑為2%，抗老化母粒為1%，分別記作A、B、C 3種內鑲滴灌帶試驗配方（見表2），并按表2滴灌帶生產配方分別配制60 kg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內鑲式滴灌帶配方的中試生產，并對制品進行性能評價，制品各項性能指標見表3所示。

表2 滴灌帶配方含量表%Tab.2ingredientratio of dripirrigation tapes %

表3 滴灌帶各項性能指標Tab.3 The performanceindicators of dripirrigation tapes

2.3 滴灌帶老化程度的判定

滴灌帶人工加速老化試驗和自然暴露老化試驗后斷裂伸長率的保持率作為衡量老化程度的指標。斷裂伸長率保持率等于老化后試樣的斷裂伸長率/老化前試樣的斷裂伸長率。如試樣的斷裂伸長率的保持率＜50%，可判斷試樣已完全老化失效[5，9，12]。

從表4可以得知，配方A人工老化10、12 d和自然暴露老化120 d與未老化試樣相比，斷裂伸長率保持率分別為96.4%、91.7%、93.7%；配方 B人工老化10、12 d和自然暴露老化120 d與未老化試樣相比，斷裂伸長率保持率分別為91.5%、84.7%、83.2%；配方C人工老化10、12 d和自然暴露老化120 d與未老化試樣相比，斷裂伸長率保持率分別為76.4%、59.8%、58.2%。從試樣老化前后斷裂伸長率保持率數據看，配方A滴灌帶防老化性能最佳，其次是配方B，最差的是配方C。這說明配方中添加的自制抗老化母粒起到了抗紫外和抗氧化的作用，從而延長了滴灌帶的使用壽命。

2.4 滴灌帶老化前后FTIR分析

圖1是內鑲式滴灌帶配方B和配方C的人工老化12 d與未老化試樣的FTIR譜圖。在3條曲線中出現在2919、2854、1468 cm-1處的吸收峰為聚乙烯樹脂共有的峰，而1377 cm-1處為甲基（—CH3）的彎曲振動吸收峰，為支鏈較多的PE-LD所特有。從曲線2和曲線3看，1723 cm-1處羰基峰的生成抗老化母粒配方B明顯小于不加抗老化母粒配方C[5，12]。說明配方中添加的自制抗老化母粒起到了抗紫外的作用。

表4 滴灌帶老化前后力學性能測試結果Tab.4 The testresults of mechanical properties of dripirrigation tapes before and after aging

圖1 紫外光照射樣品的FTIR譜圖Fig.1 FTIR spectra of samples during UVirradiation

3 結論

（1）在滴灌帶配方中添加一定比例的抗老化母?？梢蕴岣叩喂鄮У氖褂脡勖斯だ匣?2 d和自然暴露老化120 d與未老化試樣相比，斷裂伸長率保持率配方B的分別為84.7%、83.2%，配方 C的分別為59.8%、58.2%；

（2）人工老化12 d的試樣譜圖在1723 cm-1處羰基峰的生成加抗老化母粒配方B明顯小于不添加抗老化母粒配方C，滴灌帶逐漸老化降解。

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