聚乙烯滴灌带老化试验研究

第一章绪论1.1 问题的提出1.1.1滴灌技术在农业节水中的重要地位在世界面临的人口、资源和环境三大问题中，水问题是最为关键的问题之一。

其中，淡水资源危机将成为人类面临的最严峻的挑战。

我国是一个水资源短缺的国家，人均淡水资源不足世界平均水平的1/4，被列入全球13个贫水国之中。

预计到2030年我国人口将达到l6亿，在充分考虑节水的情况下，估计用水总量将达到7000亿～8000亿m3，已接近水资源的可利用量[1]。

如果不采取有效措施，我国相当一部分地区有可能出现严重的水危机。

随着工业和城市用水需求量的不断增加，农业灌溉用水总量不仅没有增加，而且在总用水量中的比例还不断下降，已从1980年的85%下降到目前的65%左右，加重了农业用水生产的短缺程度。

农业用水历来是我国的用水大户，其中灌溉用水占去了90%。

而我国目前的灌溉水利用率只有40%左右，可见农业节水潜力很大。

因此，大力发展节水型农业，推广节水灌溉技术，提高水的利用率和利用效率是实现农业可持续发展乃至国民经济可持续发展的根本保证。

滴灌技术是当今世界上灌溉技术中最为省水的灌溉技术。

滴灌可根据作物的需水要求，通过低压管道系统与安装在末级管道上的特制灌水器，将水和作物所需的养分以较小的流量均匀准确地输送到作物根部附近的土壤中，可精确控制土壤水分、养分及空气湿度，不仅节水效果显著，而且节省劳动力，促进作物优质高产。

相对于传统的地面灌溉和喷灌，约比地面灌溉节水70%～80%，粮食作物增产20%～30%；比喷灌节水15%～20%，作物增产10%～20%[2]。

如果能推广这种节水灌溉技术，将我国的灌溉水利用率提高到60%～70%，则每年可节约灌溉用水100亿～1500亿m3 [3]。

由此可见，滴灌技术是最有效的节水灌溉技术，具有广阔的发展前景。

1.1.2滴灌带老化对滴灌技术推广的制约性1.1.2.1滴灌系统组成滴灌系统一般由水源、首部枢纽、输水管网和灌水器组成[4]：①水源：各种满足农田灌溉水质要求的水源，只要含沙量和杂质较少，均可用于滴灌，否则应采用沉淀等方法进行处理；②首部枢纽：首部枢纽一般包括水泵、动力机、过滤器、化肥罐、调节装置等；③输水管网：滴灌系统的输水管网一般由干、支、毛三级管网组成；④灌水器：在一定的工作压力下，通过流道和孔口将毛管中的水流变成滴状或细流状的装置。

按灌水器构造方式不同，通常分为滴头式和滴灌带（管）式两大类。

1.1.2.2影响滴灌技术发展的原因滴灌技术适用于花卉、蔬菜、大田作物、果树、园林绿化等，具有效益高、增产、节水和节肥的特点，是实现高效农业的先进节水灌溉技术。

本应在发展农村经济、提高农民生活水平及缓解水资源紧缺等方面，发挥更大的作用。

然而，滴灌技术在我国问世以来，由于工程一次性投资大，运行费用高，便被称为昂贵的灌水技术。

目前，主要应用于温室大棚、果园和经济作物以及部分利用窑窖蓄水对大田粮食作物进行灌溉的干旱缺水地区，而更多经济效益相对较低的农作物应用滴灌，则可能出现负经济效益，因而极大地制约了滴灌技术的更快发展。

滴灌之所以投资巨大，主要在于所用灌水器较多。

滴灌是一种局部灌水技术，利用滴灌带对作物进行灌溉时，要根据作物的种植方式将滴灌带铺设在作物根系附近，才能使细小的水流源源不断地入渗到根区湿润层，因此滴灌带的用量很大。

滴灌带在使用过程中，受到日照、雨淋、风、霜等自然气候的作用，会出现裂纹、脆化、局部漏水等现象，以致不能正常使用，这就是因为滴灌带发生了老化。

一方面，滴灌带在一些日照强烈、炎热干燥的缺水地区（比如新疆、青海）使用，更容易发生老化，部分地区滴灌带出现“一茬烂”的局面；另一方面，市场上的一些滴灌带产品良莠不齐，有些产品还达不到国家标准的要求。

这些都将导致滴灌系统过早瘫痪。

更换滴灌带成本较高，给用户带来沉重的经济负担。

由此可见，滴灌带是滴灌系统中最重要的部分，其使用寿命的长短直接关系到滴灌系统能否正常运行。

这也就直接制约着滴灌技术在更大范围的推广应用。

1.1.3围绕滴灌带老化问题的试验研究意义重大滴灌带在滴灌系统中投资大，容易老化，是制约滴灌技术发展的重要原因。

滴灌带在不同地区使用，气候条件不同，如干热的西部地区、湿热的海南、寒冷的东北地区，同种产品的老化速率是不一样的。

通过对滴灌带老化试验的研究，能够得出当地气候因素（包括太阳光照、温度、昼夜温差等）对其老化性能的影响规律，为滴灌带的生产厂家提供理论指导，使他们能够有效改进生产工艺、添加恰当适量的防老化剂，改善产品的抗老化性能，提高产品质量。

这样，滴灌带的销量增加了，用户和生产厂家都能从中受益，促进滴灌市场的良性循环，同时也能促进滴灌技术在农业节水中的推广应用，达到双赢的社会意义。

滴灌带是滴灌系统的重要组成部分，直接影响到滴灌系统的性能，其质量的好坏对减少维修费用、提高灌溉水利用率，增加作物产量起到关键作用。

滴灌带投入使用之前，用户就很关心它的使用寿命，希望看到有关产品使用期限的说明，以便于选择性价比更高的产品。

但目前国内尚未解决这一问题，还没有对滴灌带这种产品进行老化试验研究，缺少相关的标准，没有建立自然老化试验和人工老化试验的相关关系，因此在滴灌带使用前，是不能对其使用寿命作出准确预测的。

只有先研究滴灌带人工加速老化试验和自然老化试验的相关性，才能通过人工加速老化试验预测聚乙烯滴灌带的使用寿命，以满足广大用户的需求。

开展节水灌溉产品——滴灌带人工加速老化试验和自然老化试验的相关性的研究，是材料科技可持续发展和农业节水事业发展的共同需求，能尽快填补我国在这一研究领域的空白，不仅有助于促进滴灌带质量的提高，还对滴灌技术的推广应用、提高农民收入，节约农业灌溉用水等都具有十分重大的意义。

1.1.4 本试验研究的主要内容和评价指标1.1.4.1主要研究内容（1）通过对聚乙烯滴灌带的自然老化试验及力学性能研究，探究聚乙烯滴灌带在自然环境中的老化规律；（2）通过对聚乙烯滴灌带的人工加速老化试验及力学性能研究，探究聚乙烯滴灌带的光氧、热氧老化规律，并对其老化性能变化原因和规律提供参考性分析；（3）研究聚乙烯滴灌带人工加速老化试验与自然老化试验的相关关系，从而确定更适合它的人工加速老化试验条件；（4）预测聚乙烯滴灌带在试验区及与试验区具有相同自然条件的地区的使用寿命；（5）给出QUV加速老化仪对本试验所用的聚乙烯滴灌带的人工加速老化试验相对于该试验区的自然老化试验的加速倍率。

1.1.4.2评价指标（1）老化性能评价指标的选取从理论上讲，凡是高分子材料制品在自然老化过程中发生的变化并可以测量的性能，都可以作为老化性能的评价指标。

如外观的变化（变色、龟裂等现象）、化学变化（氧化物、羰基等指标）、物理力学性能的变化（拉伸强度、断裂伸长率等指标）等等。

实际上，选择高分子材料制品的老化终止指标应该是能够反映其老化本质的变化而又易于测定的物理量。

在实际试验和应用中，一般选用对材料老化敏感的指标和产品应用所需的重要指标作为其老化评价指标。

目前，多选用某一项或者某几项主要性能指标下降到其原始值的50%或者2/3左右时为老化终止指标。

塑料在拉伸时能够伸长，是因为它具有一定的弹性。

分子量越大，分子链越柔顺，则塑料的弹性越好，其断裂伸长率也越大。

塑料在老化过程中，会因降解而使分子量降低。

因此说，断裂伸长率常用作聚烯烃、软聚氯乙烯等塑料老化的评价指标。

拉伸试验是机械性能测试中最常用的一种，它是在规定的测试温度、相对湿度和试验速度下，对试样沿纵轴方向施加拉伸载荷，使其破坏。

试样断裂时所承受的最大拉伸应力即为拉伸强度。

测定试样断裂时标线间的距离，即可计算出断裂伸长率。

因此说，拉伸强度和断裂伸长率是既易于测定又能反映试样老化本质的两个物理量。

设计用大批试样做自然老化试验和人工加速老化试验，从中获取足够量的试验数据，即可计算出拉伸强度保持率和断裂伸长率保持率，在此基础上并可建立数学模型对其进行预测分析。

经过综合分析研究并参考一些文献[5～10]，决定选择拉伸强度保持率和断裂伸长保持率作为聚乙烯滴灌带老化性能的评价指标。

（2）人工加速老化试验的加速倍率及寿命估算人工加速老化试验的加速倍率是指达到相同的性能保持率所需的自然老化试验时间与人工加速老化试验时间的比值。

人工加速老化试验的目的就是通过与自然老化试验的相关性分析，计算出在相关性较高的情况下，人工加速老化试验的加速倍率，从而推算出产品在自然条件下的使用寿命。

可克服自然老化试验周期长的缺点。

1.1.4.3聚乙烯（PE）塑料简介从40年代至今，聚乙烯（Polyethylene，简称PE）塑料是结构最简单、用途最广泛的热塑性高分子材料，具有密度小、抗拉强度高、低温韧性好、热分解温度高的物理性能，优异的耐酸、耐碱及吸湿性小等化学性能以及良好的介电性能。

常用作薄膜、通信电缆及其防腐蚀护套材料、各种塑料制品和包装材料等。

滴灌带也是采用这种材料制造的。

聚乙烯是通过乙烯（CH2=CH2）单体聚合而成的，是一种烯烃，其化学结构可表示为[ CH2－CH2 ]n 。

但实际中的聚乙烯并没有上述化学结构那么简单，在它的分子主链上，常含有甲基支链、较长的烷基支链，甚至还可能有“十”字链。

此外，聚乙烯的长链结构中至少还含有三类碳——碳双键：链端双键、链内双键、侧链双键，并且还会因生产方法的不同而有差异[11～12]。

其结构可用树枝状图形象的表示，如图1-1。

图 1-1 聚乙烯大分子形象图[11]Fig.1-1 The greatness molecule visualized picture of PE1.2 老化因高分子材料（包括：塑料、橡胶、涂料、纤维、粘合剂等）及其制品在加工、贮存、运输和使用过程中，不可避免地要受到光、热、氧、水分、化学介质、微生物等外界环境因素的综合作用，使其化学组成、分子结构等内部因素及外在表现都会发生一系列的变化，性能逐渐变坏，以致最后丧失使用价值，这些变化和现象称为老化[13]。

对塑料制品而言，对其老化性能研究是必不可少的。

老化是确定产品的加工条件、贮存及后处理条件以及使用条件、使用寿命的合理依据，是评定高分子材料制品实用性的关键指标，也是建立新产品使用标准的依据，在高分子材料制品的研究中有着不可或缺的重要性。

1.2.1老化现象由于高分子材料制成的产品不同，贮存和使用条件也不一样，因而具有不同的老化现象和特征。

例如农用塑料薄膜经过日晒雨淋后发生变色、变脆、透明度下降；橡胶制品长久使用后弹性下降、变硬、开裂或者变软、发粘；涂料长久使用后发生失光、粉化、气泡、剥落；纤维制品在长久使用后，主要出现强力下降、褪色、断裂等特征。

归纳起来高分子材料制品主要的变化有以下几种[13]，见表1-1。

一种高分子材料制品在其老化过程中，一般都不会也不可能同时出现表1-1中所有的变化和现象。