内镶式滴灌带的制备与耐老化性能研究

买买提江·依米提，塞娜瓦尔·阿布拉，艾买提江·萨伍提，邸书新

（1.新疆大学化学化工学院，石油天然气精细化工教育部和自治区重点实验室，新疆 乌鲁木齐830046；2.新疆方兴塑化有限公司，新疆 五家渠831300）

0 前言

滴灌节水技术的农作物增产、节肥、省劳力和高效节水特性已成为干旱缺水地区农业现代化的一个标志[1-2]。滴灌带可分为内镶式滴灌带和单翼迷宫式滴灌带。内镶式滴灌带也称内镶贴片式滴灌带，是每隔一定距离在塑料管内镶上一有弯弯小流道帖片，水由流道口流到土壤进行农作物的灌溉。滴头有自过滤窗，抗堵塞性能好，采用迷宫式流道，具有一定的压力补偿作用，滴头间距可根据用户要求而定。广泛应用于温室大棚，大田经济作物的灌溉。但滴灌带用聚乙烯原料在高紫外线、高温差、干旱等地区气候条件，特别是在太阳光紫外线290～340 nm波长范围内较容易降解老化，导致滴灌带制品使用时提前老化[3-5]。

杨浩邈等研究了抗老化母粒对线形低密度聚乙烯（PE-LLD）耐光老化性能的关系[6-7]。卢琳等研究聚乙烯塑料在西沙自然环境中光老化行为[8]。刘奎芳等采用断裂伸长率变化率作为衡量PE-LLD老化程度的指标，研究塑料在湿热及亚湿热气候大气暴露与人工加速老化试验相关性[9]。人工加速老化试验是用人工的方法模拟材料的自然使用状况，是为了补充、甚至取代自然大气曝露试验而发展起来的评价材料性能与环境关系的试验方法[10-12]。本研究通过力学性能和加工性能，筛选出适合生产内镶式滴灌带的聚乙烯原料，并结合自制抗老化母粒设计优化滴灌带配方，研究聚乙烯原料和自制抗老化母粒对内镶式滴灌带力学性能和耐老化性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

高密度聚乙烯（PE-HD），5410、6070，中国石油独山子石化公司；

PE-LLD，0209，中国石油独山子石化公司；

PE-HD，5000S，中国石油兰州石化公司；

低密度聚乙烯（PE-LD），15803、2426H，扬子石化-巴斯夫有限责任公司；抗氧剂，TA 215，上海金海雅宝精细化工有限公司；受阻胺光稳定剂，622，上海金海雅宝精细化工有限公司。

1.2 主要设备及仪器

同向双螺杆挤出机，TE-20，中国江苏（南京）科亚公司；

内镶式滴灌带生产设备，WDG5882，廊坊盛源有限责任公司；

塑料注射成型机，XL-400VI，宁波高新协力机申液有限公司；

材料电子万能试验机，CMT6104-50N，深圳新三思计量公司；

熔体流动速率仪，XNR-400B，承德市金建仪器有限公司；

滴灌带专用紫外光老化实验箱，XJU-HD1，自制；

红外光谱仪（FTIR），EQUINOX-55，德国布鲁克公司。

1.3 样品制备

抗老化母粒的制备：以PE-LLD为载体、受阻胺光稳定剂和抗氧剂TA215为抗光剂和抗氧剂，准确称量后混合分散均匀，挤出造粒，烘干备用；

内镶式滴灌带的制备：将实验室设计的性能较好的配方，在生产车间严格按内镶式滴灌带生产工艺进行中试生产，主要工艺参数：生产速度为120 m/min，挤出机温度为230～260℃，机头温度为150℃，牵引速度为1138r/min。

1.4 性能测试与结构表征

紫外光室内人工加速老化试验[9]：将340 nm荧光紫外灯辐照度控制在0.68 W/m2、在黑板温度为60±3℃下辐照暴露4 h，然后，在冷凝温度为50±3℃下无辐照条件下冷凝暴露4 h，最后风吹10 min（模拟四级风），每490 min试验循环一次，试验方案为10 d和12 d；

自然暴露老化试验方法[9]：滴灌带自然气候暴露试验田设在新疆五家渠市方兴塑化公司有代表性的沙土试验地，设计3种不同内镶式滴灌带配方在新疆五家渠市方兴塑化公司生产，完全模仿大田棉花种植要求膜下铺膜和给水，并严格检测记录自然暴露老化试验田的棉花种植期（5-9月）每天的膜上、膜下温度，室外环境温度及湿度，5-9月5个月膜下平均温度为40.9℃，膜上平均温度为：35.4℃，室外平均气温为28.5℃，平均湿度为65.1%；

熔体流动速率按GB/T 3682—2000测定，温度为190℃，载荷为1.92 kg；

按GB/T 1040—1992进行拉伸强度和断裂伸长率的测定，将老化前后的滴灌带制品沿滴灌带横向方向制成标距为20 mm、宽度为10 mm、厚度为0.2 mm左右（实测为准）试验样条，拉伸速度为150 mm/min；

FTIR分析：将老化前后的滴灌带试样压制剪成厚度为5μm左右的小薄片，测试老化前后滴灌带试样的化学基团改变情况。

2 结果与讨论

2.1 原料的筛选

将各原料注射成标准哑铃形样条，用拉伸机对制备好的试样进行拉伸强度和断裂伸长率的测定，并通过力学性能和加工性能，筛选出适合生产内镶式滴灌带的聚乙烯原料，表1为各种原料的力学性能比较。

从表1实验数据看，PE-LLD（0209）为薄膜级，当应用在滴灌带具有耐环境应力开裂性，韧性好，刚性大，耐撕裂强度，耐寒性好等优点。PE-LD（2426H）和PE-LD（15803）进 行 比 较，熔 体 流 动 速 率 PE-LD（15803）比PE-LD（2426H）略小，但PE-LD（2426H）比PE-LD（15803）的屈服强度、拉伸强度、断裂伸长率及弹性模量大很多，在测试内镶式滴灌带的回缩率时，屈服强度是一个很重要的指标，因此选择PE-LD（2426 H）为内镶式滴灌带配方用料。PE-HD（5000S）和PE-HD（5410）为拉丝级PE-HD，力学性能好，能增加产品的强度，提高冲击性能。但PE-HD（5000S）的屈服强度比 PE-HD（5410）大，所以选择 PE-HD（5000S）为内镶式滴灌带配方用料。对比PE-HD（60550）和 PE-HD（6070）2种原料的力学性能，PE-HD（60550）的断裂伸长率和屈服强度比 PE-HD（6070）的大，在内镶式滴灌带进行静水水压测试、生产及使用时，滴灌带的韧性起到很重要的作用，为此选择PE-HD（60550）为最佳。

表1 滴灌带原料力学性能比较Tab.1 Comparison of mechanical properties ofraw materials

2.2 滴灌带的配方优化与生产

在内镶式滴灌带配方的设计过程中，对滴灌带的各种聚乙烯原料进行力学性能和加工性能分析，筛选最佳的配方原料为PE-HD（5000S）、PE-LD（2426 H）、PE-HD（60550）、PE-LLD（0209A），将 PE-HD 含量设为30%～60%（质量分数，下同），PE-LD和PE-LLD含量设为30%～60%，炭黑为2%，抗老化母粒为1%，分别记作A、B、C 3种内镶滴灌带试验配方（见表2），并按表2滴灌带生产配方分别配制60 kg滴灌带生产原料，在新疆方兴塑化有限公司生产车间，严格按正常生产工艺进行内镶式滴灌带配方的中试生产，并对制品进行性能评价，制品各项性能指标见表3所示。

表2 滴灌带配方含量表%Tab.2ingredientratio of dripirrigation tapes %

表3 滴灌带各项性能指标Tab.3 The performanceindicators of dripirrigation tapes

2.3 滴灌带老化程度的判定

滴灌带人工加速老化试验和自然暴露老化试验后断裂伸长率的保持率作为衡量老化程度的指标。断裂伸长率保持率等于老化后试样的断裂伸长率/老化前试样的断裂伸长率。如试样的断裂伸长率的保持率＜50%，可判断试样已完全老化失效[5，9，12]。

从表4可以得知，配方A人工老化10、12 d和自然暴露老化120 d与未老化试样相比，断裂伸长率保持率分别为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与未老化试样相比，断裂伸长率保持率分别为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与未老化试样相比，断裂伸长率保持率分别为76.4%、59.8%、58.2%。从试样老化前后断裂伸长率保持率数据看，配方A滴灌带防老化性能最佳，其次是配方B，最差的是配方C。这说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，从而延长了滴灌带的使用寿命。

2.4 滴灌带老化前后FTIR分析

图1是内镶式滴灌带配方B和配方C的人工老化12 d与未老化试样的FTIR谱图。在3条曲线中出现在2919、2854、1468 cm-1处的吸收峰为聚乙烯树脂共有的峰，而1377 cm-1处为甲基（—CH3）的弯曲振动吸收峰，为支链较多的PE-LD所特有。从曲线2和曲线3看，1723 cm-1处羰基峰的生成抗老化母粒配方B明显小于不加抗老化母粒配方C[5，12]。说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 滴灌带老化前后力学性能测试结果Tab.4 The testresults of mechanical properties of dripirrigation tapes before and after aging

图1 紫外光照射样品的FTIR谱图Fig.1 FTIR spectra of samples during UVirradiation

3 结论

（1）在滴灌带配方中添加一定比例的抗老化母粒可以提高滴灌带的使用寿命，人工老化12 d和自然暴露老化120 d与未老化试样相比，断裂伸长率保持率配方B的分别为84.7%、83.2%，配方 C的分别为59.8%、58.2%；

（2）人工老化12 d的试样谱图在1723 cm-1处羰基峰的生成加抗老化母粒配方B明显小于不添加抗老化母粒配方C，滴灌带逐渐老化降解。

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