PVFM负压渗水材料的制备与性能分析
负压灌溉是一种根据作物对水分的需要适时灌水的节水灌溉方式。负压灌溉系统中通常有储水水源、控压阀、负压连接管、灌水器四个部分组成，其中灌水器处于水土界面，是直接与土壤和作物根系接触的部分，对整套装置的高效运行起着至关重要的作用。前人对于负压灌溉的研究较少，对于负压灌水器的探索方面也步履缓慢，其研究领域主要集中在无机陶土陶瓷类材料，但是他们易碎、韧性差、价格较高，不适合大面积推广。 查阅文献资料发现，高分子材料中有一类微孔发泡材料，按照孔隙是否连通分为开孔型和闭孔型，而我们需要的负压渗水器材料应当是微米级别的、开孔的微孔结构。若孔径太小，渗水速率会降低，孔径过大毛管吸力作用小，无法达到较高的发泡点值。经过筛选发现一种亲水性高的微孔泡沫塑料——聚乙烯醇缩甲醛泡沫塑料(PVFM)，它是由聚乙烯醇(PVA)与甲醛缩醛化而成，其柔韧性高、有可调的微孔结构、较好的渗透水性能。本试验在此基础上进一步将PVFM进行改良，对自行设计制备出的PVFM进行孔径分布、发泡点、拉伸强度、硬度、在土壤中累积入渗量、渗水速率、湿润峰运移等指标的测试，以研究不同配比、反应条件、助剂、规格对所制PVFM负压渗水性能的影响，阐明其制备成负压渗水材料的可行性。经过研究分析，本文得到以下主要结论: (1)原料配比对PVFM的性能有影响。当水比例为8.75时表观密度最小、吸水倍率最大。9种不同配比的PVFM样品发泡点值在26.7～73.3kPa之间变化，且在水比例7.50或者甲醛比例0.75时会达到较高水平。在-5kPa与-10kPa下，水比例≥7.50的PVFM样品，渗水速率相对较快。PVA∶水∶甲醛为1∶7.50∶0.75的5号PVFM样品的平均孔径小，发泡点值为65.3kPa，饱和导水率可达7.45×10-4cm·s-1，理论上可以作为高性能负压渗水材料在负压灌溉中使用。 (2)反应条件对PVFM的性能有影响。反应温度55℃、反应时间≥10h时，表观密度、吸水倍率、孔隙率均有较高表现，并且三者分别在搅拌机转速2000r·min-1、1500r·min-1、1000r·min-1时达到最高;反应温度55℃时，或者反应时间≥10h，或搅拌机转速≤1500 r·min-1，发泡点值及对土壤的供水速率较高;综合对比分析，反应温度55℃、反应时间10h、搅拌机转速为1500 r·min-1的样品，发泡点与负压下的累积入渗量同时达到较高水平，物理性能也较好，因此确定为制备负压渗水材料的最佳反应条件。 (3)不同助剂的加入对PVFM各性能有不同程度的影响。助剂的加入使吸水倍率下降，使发泡点、表观密度、孔隙率升高，使PVFM的机械性能、累积入渗量有不同程度的升高或降低。综合看来，硅油与高岭土混合加入使表观密度和孔隙率有较大提高，对于硬度、拉伸强度、断裂伸长率也有增强，尤其对发泡点值提升最明显，对入渗量的增强上则表现一般，总体表现优于其他助剂。 (4)渗水器规格对PVFM渗水器的负压渗水性能有影响。空心PVFM渗水器的负压渗水性能优于实心，实心PVFM渗水器的累积入渗量与其长度负相关。15×3cm空心PVFM渗水器的负压渗水性能优于陶瓷头，不同负压下，其相同时间内单位面积累积入渗量均高于陶瓷头，土壤水分运移也要快，且能控制比陶瓷头更大的土壤水分空间。在低吸力阶段15×3cm空心PVFM渗水器所确定的土壤水吸力随土壤含水量的变化关系与陶瓷头几乎一致，可以代替陶瓷头进行土壤水分特征曲线的测定。在适宜常见作物生长的-5～-10kPa范围内，15×3cm空心PVFM渗水器比陶瓷头更易满足作物对水分的需求。
负压渗水材料;聚乙烯醇缩甲醛;制备工艺;负压渗水性能
中国农业科学院
硕士
农业资源利用
龙怀玉
2015
中文
TB34
68
2015-09-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）