新型高速滴灌带专用料的研制

2013-03-26邱丽萍李颖超杨国兴王登飞李明全

合成树脂及塑料 2013年4期

邱丽萍，李颖超，杨国兴*，郭峰，李瑞，王登飞，李明全

（1.中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院大庆化工研究中心，黑龙江省大庆市 163714；2.中国石油天然气股份有限公司华北化工销售公司，北京市 100086）

近年来，因微灌技术具有先进性和较高的经济效益，所以，在发达国家农业生产中应用非常迅速。微灌技术区别于大水漫灌，水的利用率提高70%，并且按照作物需求控制实际灌水量，兼具施肥、打药和生物化学控制功能，提高地温，保土保墒，促进作物高产、优质、提高经济效益[1-2]。滴灌带的质量要求主要是水利性好，包括滴头抗堵性、压力补偿性、流量均匀度；使用寿命长，材料的抗紫外线照射能力、抗穿刺能力、抗拖拉、耐磨、抗低温性能；降低产品成本[3-6]。

在滴灌带原料的使用方面，国外已经有专用料，其价格较高。国内还没有用于生产滴灌带的专用料[7-8]，国内某较大滴灌带生产厂具有100多条生产线，目前以中国石油化工股份有限公司天津分公司（简称天津石化公司）生产的高密度聚乙烯（HDPE）为主要原料，经共混改性后生产滴灌带，但这种共混料的混配均匀性难以保证，影响了加工性能和滴灌带制品的外观性能和使用性能。为此，中国石油天然气股份有限公司（简称中国石油）大庆化工研究中心根据滴灌带生产厂商的要求，经共混改性，研制出两个滴灌带专用聚乙烯（PE）混配料（简称DG-3，DG-4）。用DG-3，DG-4加工成的滴灌带外观性能和强度得到提高，同时加工性能良好。

1 实验部分

1.1 主要原料

HDPE，K44，天津石化公司生产。HDPE，9455F，中国石油吉林石化分公司生产。低密度聚乙烯，18D；线型低密度聚乙烯（LLDPE）DFDA7047：均为中国石油大庆石化分公司生产。LLDPE，LL0209，中国石油独山子石化分公司生产。K44，9455F，18D，LL0209，DFDA7047均为通用树脂。

抗氧剂1076，纯度不小于98%；弹性体，聚邻苯二甲酰胺（PPA），纯度不小于98%：均为利安隆天津化工有限公司生产。稳定剂HA双（2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基）癸二酸酯（HA），纯度不小于98%，天津市东丽区天大化学试剂厂生产。进口滴灌带专用料（简称GW）。

1.2 主要仪器

MeltFlow basic型熔体流动速率测试仪，德国凯歌公司生产；MDY-1型密度仪，上海方瑞仪器有限公司生产；WDW-01 型电子万能试验机，上海中研仪器厂生产；UltiMate3000 型凝胶色谱仪，德国Dionex公司生产；BRUKER DKX300型核磁共振仪，德国Bruker公司生产；GTS型双螺杆挤出造粒机组，南京光瑞挤出装备有限公司生产；HAAKE90 型毛细管流变仪，德国Haake 公司生产；YQ630型滴灌带挤出机组，上海金湖挤出设备有限公司生产。

1.3 滴灌带专用料技术要求

滴灌带专用料是一种密度较低的PE，具有一定的柔韧性和拉伸性能[7-8]。优质滴灌带专用料的挤出速率可达75 m/min，且产品的力学性能优异、光泽度好。分析进口滴灌带专用料的基本性能为：熔体流动速率（MFR）0.35～0.65 g/10 min，密度0. 928～0.938 g/cm3，拉伸强度大于17.5 MPa，断裂拉伸应变大于480%，邵氏硬度47～50 。目前，由于滴灌带生产厂家对专用料混配技术没有掌握，生产滴灌带时挤出速率较低，产品力学性能也较差。

1.4 实验配方和挤出造粒工艺

根据滴灌带性能的要求，从国产合成树脂中选择几种进行共混改性，配方见表1。DG-1和DG-2试样的配方为国内滴灌带生产A企业所采用的配方，DG-3和DG-4试样的配方为本研究改进的配方。四个配方所用抗氧剂1076、稳定剂HA、弹性体PPA等助剂用量相同。采用GTS型双螺杆挤出造粒机组，在160～180 ℃挤出造粒，并按照国家标准注塑测试样条。

表1 滴灌带专用料的配方Tab.1 Formula of the special resin for emitting-pipe %

1.5 性能测试

MFR按GB/T 3682—2000测定，密度按GB/T 1033.1—2008测定，拉伸性能按GB/T 1040—2006.1测定，邵氏硬度按GB/T 2411—2008测定，管材与管件热稳定性按GB/T 17391—1998测定，环境应力开裂时间按GB/T 1842—2008 测定。

2 结果与讨论

2.1 基础物性分析

滴灌带专用料配方设计从几方面因素考虑：1）满足滴灌带挤出速率 75 m/min的高速加工要求；2）通过共混改性，拓宽相对分子质量分布，改善加工性能；3）兼顾专用料的耐环境应力开裂性、柔韧性等。由表2看出：DG-1，DG-2，DG-3，DG-4与GW的MFR和熔流比接近，说明这五个试样的相对分子质量及其分布相近；MFR均在0.35～0.65 g/10 min，可满足滴灌带加工的基本要求；密度均在0.930～0.938 g/cm3，较接近；DG-3和DG-4的拉伸强度、拉伸屈服应力、断裂拉伸应变均高于GW试样，因此，可确保用本工作研制的专用料生产滴灌带时，滴灌带制品的力学性能不会降低。

表2 滴灌带专用料的综合性能Tab.2 Comprehensive performance of the special resin for emitting-pipe

2.2 耐候性能

将试样放置在室外的自然气候环境下老化100天。由表3看出：DG-3和DG-4的拉伸强度、断裂拉伸应变保留率与GW接近，均在80%以上，说明所研制的滴灌带专用料具有较好的抗氧化和抗紫外线老化性能。

表3 滴灌带专用料的自然光老化性能Tab.3 Natural light aging properties of the special resin for emitting-pipe

2.3 流变性能分析

由图1可以看出：DG-1，DG-3的剪切应力（τ）和表观黏度（ηa）随剪切速率（γ）的变化趋势基本相同，但程度略有差异。低γ下，DG-1与DG-3的ηa相近；高γ下， DG-3的ηa低于DG-1，说明DG-3的ηa低，τ小，剪切敏感性好，这与熔流比相吻合。表现在加工性能上，则是在滴灌管挤出加工时，熔体压力低，加工能耗小，调节控制性能好，通过调整挤出机螺杆转速、温度可较好的调节制品性能。

图1 滴灌带专用料的ηa～γ和τ～γ曲线Fig.1 Plots of shear viscosity and shear stress versus shear rate注：测试温度为200 ℃。

2.4 熔体强度分析

由图2可以看出：DG-3和DG-4的熔体强度好于DG-1和DG-2，所以生产滴灌带时，DG-3和DG-4的挤出加工速率应大于DG-1和DG-2。

图2 滴灌带专用料的熔体拉伸性能Fig.2 Melt tensile properties of the special resin for emitting-pipe注：测试温度为200 ℃。

2.5 挤出胀大行为

高分子材料的挤出胀大行为与其加工性能关系密切，出口膨胀系数即可表征其挤出胀大行为。出口膨胀系数越大，表明专用料在挤出时所受背压越大。毛细管直径为2.0 mm，长径比为30∶1，温度为190 ℃时，DG-1，DG-2，DG-3，DG-4，GW的出口膨胀系数分别为1.80，1.90，1.65，1.63，1.69。由此看出：DG-3，DG-4的出口膨胀系数与GW接近，比DG-1和DG-2小。因此，在挤出成型滴灌带时，DG-3 和DG-4试样的挤出背压应有较大改进。

2.6 成型加工试验

将滴灌带专用料在国内某大型滴灌带生产厂家进行成型加工试验，生产单翼迷宫式微滴灌带，规格为Φ30 mm×0.18 mm，滴头间距离为300 mm，试验条件见表4。试验表明：用DG-3 和DG-4生产滴灌带的工艺接近该厂用GW生产微滴灌带的工艺，挤管速率均超过75 m/min，达到GB/T 19812.1—2005 的要求。

表4 挤制滴灌带的工艺条件Tab.4 Process conditions for extruding emitting-pipe

2.7 滴灌带产品性能

按GB/T 19812.1—2005及用户对滴灌带的使用要求，测试了用DG-1，DG-2，DG-3，DG-4，GW试样挤制的滴灌带制品的性能。由表5可看出：用DG-3和DG-4生产的滴灌带产品拉伸形变小于5%，爆破压力大于0.30 MPa，微孔水流量高于3.0 L/h，且优于用DG-1，DG-2，GW挤制的滴灌带制品。用DG-3，DG-4所制滴灌带的平均单位质量分别为10.65，11.10 g/m，较用DG-1，DG-2所制滴灌带低1 g/m以上，成本核算后，每吨产品可减少85～100 kg原料。