单翼迷宫式滴灌带的老化与防老化研究

买买提江·依米提，邸书新，艾买提江·萨伍提，魏艳娇，塞娜瓦尔·阿布拉

（1.新疆大学化学与化工学院，新疆 乌鲁木齐 830046；2.新疆大学功能高分子材料校级重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046；3.新疆方兴塑化有限公司，新疆 五家渠 831300）

0 前言

在国家大力推动节水产业政策的影响下，到2011年新疆注册400多家各类农用滴灌带生产企业（单翼迷宫式滴灌带约占70%），高效节水灌溉面积已实现16.7×109m2。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。但也存在诸多的问题，其中新疆独特的高紫外线、高温差、干旱、沙尘等地区气候条件，导致滴灌带制品使用时提前老化问题一直影响高效节水灌溉技术大面积推广应用。

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［1-7］。这种试验周期短、不受区域性气候的影响，但往往不能如实模拟变化多端的天然气候条件。线形低密度聚乙烯（PE－LLD）在经过紫外辐照后，可引起分子链的交联、断裂和氧化，从而促使材料老化［8］。杨浩邈等［9-10］研究了防老化剂与 PE－LLD 耐光老化性能的关系。卢琳等［11］研究了聚乙烯（PE）在西沙自然环境中的光老化行为。刘奎芳等［12］采用断裂伸长率变化率作为衡量PE－LLD老化程度的指标，研究其在湿热及亚湿热气候大气暴露与人工加速试验的相关性。胡行俊等［13］研究了聚氯乙烯（PVC）人工加速老化与广州地区（湿热气候）自然老化的相关性。但是针对新疆独特的高紫外线、高温差、干旱、沙尘及寒冷的地区气候条件下，对农用滴灌带老化与防老化的相关性专项研究国内尚无先例。本文以新疆五家渠市方兴塑化有限公司有代表性的沙土试验地为自然暴露老化试验田和UVA－340荧光紫外灯管作为紫外人工加速光老化光源，研究了人工加速光老化与自然气候暴露老化试验的相关性。

1 实验部分

1.1 主要原料

PE－LLD，0209AA，中国石油独山子石化公司；高密度聚乙烯（PE－HD），5000S，中国石油兰州石化公司；

抗氧剂，TA215，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，科倍隆科亚（南京）机械有限公司 ；

单翼迷宫式滴灌带生产设备，MGD－40×30，信益塑料机械有限公司；

塑料注射成型机，XL－400VI，宁波高新协力机电液有限公司；

电子万能材料试验机，CMT6104－50N，深圳市新三思计量技术有限公司；

熔体流动速率仪，XNR－400B，承德市金建检测仪器有限公司；

标准型紫外光老化试验机，BR－UV，上海博睿光学有限公司；

红外光谱仪（FTIR），EQUINOX－55，德国布鲁克公司。

1.3 样品制备

配方设计中回收造粒料用量在85%～100%之间，PE－HD（5000S）和PE－LLD（0209）树脂用量在0～15%之间，防老化母料用量在0～3%之间，分别设计A、B、C 3种滴灌带生产配方，在生产车间严格按单翼迷宫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30m／min，挤出机温度为153～176℃，模具温度为173℃，牵引速度为800r／min，工艺流程如图1所示。

图1 滴灌带生产工艺流程Fig.1 Production process of drip irrigation tapes

1.4 性能测试与结构表征

自然暴露老化试验方法：滴灌带自然气候暴露试验田设在新疆五家渠市方兴塑化有限公司有代表性的沙土试验地，设计3种不同单翼迷宫式滴灌带配方在新疆方兴塑化有限公司生产，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气候暴露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%；

紫外光室内人工加速老化试验：参照现行的国际及国内紫外线老化试验测试标准ASTM D4329、ISO 4892－3、GB／T 16422.3—1997进行光、热人工加速老化试验，试验方案为10、12d，人工加速老化试验工艺如图2所示；荧光紫外灯：选用美国原装进口UVA－340荧光紫外灯管（UVA－340荧光紫外灯辐照度控制在0.68W／m2时，大致相当于赤道夏日正午12：00时平均阳光强度）；黑板温度即被测试样的表面温度的设定值为60℃；冷凝温度：利用冷凝湿气模拟结露效果，水槽温度控制为50℃；试样夹：共有6个试样夹，每个试样夹可辐照2m滴灌带（含6个滴头）；

图2 紫外光人工加速老化试验工艺Fig.2 Process of UV artificial accelerated aging test

按GB／T 3682—2000测试样品的熔体流动速率，温度为190℃，载荷为1.92kg；

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

FTIR分析：用FTIR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

目前在新疆地区生产销售的单翼迷宫式滴灌带为了降低成本，配方中回收造粒料一般用量在80%～100%之间，这取决于回收料的各项力学性能（多次使用后的老化程度）、炭黑含量及矿物质含量。所以在设计单翼迷宫式滴灌带配方时掌握回收造粒料的各项性能尤为重要。从表1可以看出，PE－HD（6070）的熔体流动速率值较高，与其他PE共混时流动性不好，影响滴灌带的成型，PE－LD（15803）的断裂伸长率较低，影响滴灌带的韧性。PE－LLD（0209）为薄膜级，应用于滴灌带具有韧性好、刚性大、耐热、耐寒性好等优点。PE－HD（5000S）为拉丝级，力学性能高，配方中能增加产品的强度，提高抗冲击性能。内镶造粒料为新疆方兴塑化有限公司用全新料生产的内镶式滴灌带，在新疆五家渠市使用一个种植期后回收造粒料，从实验数据看力学性能良好。防老化母料为自制母料，PE为基料，添加一定量的抗紫外剂和抗氧剂，通过双螺杆挤出机塑化混合造粒干燥制成。添加量主要取决于回收料的老化程度和滴灌带使用地区的气候环境。

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

2.2 滴灌带的配方优化与生产

为了降低单翼迷宫式滴灌带成本和研究自制防老化母料的应用性能，配方设计中回收造粒料用量在85%～100%之间，PE－HD（5000S）和PE－LLD（0209）树脂用量在0～15%之间，防老化母料用量在0～3%之间，分别设计A、B、C 3种滴灌带生产配方，如表2所示。按上述配方分别配制60kg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单翼迷宫式滴灌带配方的中试生产，并制品进行性能评价，制品各项性能指标如表3所示。

表2 滴灌带配方Tab.2 Formula of drip irrigation tapes

表3 滴灌带各项性能指标Tab.3 Performance of drip irrigation tapes

2.3 单翼迷宫式滴灌带老化程度判定

拉伸强度保持率为老化后试样的拉伸强度与老化前试样的拉伸强度之比，断裂伸长率保持率为老化后试样的断裂伸长率与老化前试样的断裂伸长率之比。如试样的断裂伸长率保持率＜50%，可判断试样已完全老化失效。

从表4可以看出，与未老化的试样相比，样品A人工老化10、12d和自然暴露老化120d的断裂伸长率保持率分别为89.3%、59.5%和38.8%，样品B分别为62.8%、39.8%和26.3%，样品C分别为94.3%、84.0%和61.9%。从试样老化前后断裂伸长率保持率数据看，样品C防老化性能最佳，其次是样品A，最差的是样品B。这说明样品C中添加的自制防老化母料起到了抗紫外和抗氧化的作用，从而延缓了滴灌带的使用寿命，而样品A中添加的PE－LLD（0209）树脂为生产薄膜的专用料，具有良好的韧性、耐热、耐寒性和抗环境应力开裂等优点，所以样品A的防老化性能略好于添加PE－HD（5000S）树脂的样品B。

表4 滴灌带老化前后的力学性能Tab.4 Mechanical properties of drip irrigation tapes before and after aging

2.4 滴灌带老化前后FTIR分析

图3分别给出了单翼迷宫式滴灌带样品B的老化前后的FTIR谱图。在3条曲线中出现的2919cm－1处为CH2的不对称伸缩振动吸收峰，2854cm－1处为CH2的对称伸缩振动吸收峰，1468cm－1处为CH2的弯曲振动吸收峰，以上各峰是PE树脂FTIR谱图中共有的峰，而1377cm－1处为甲基（—CH3）的弯曲振动吸收峰，为支链较多的低密度聚乙烯（PE－LD）所特有。当以UVA－340荧光紫外灯管为紫外光源时，随老化时间的延长，分子结构的主要变化在2741cm－1处羰基峰的逐渐生成和不断增强［14-15］。这表明，UVA－340荧光紫外灯管作为紫外光源，对PE的老化作用非常显著。

图3 紫外光照射样品的FT－IR谱图Fig.3 FTIR spectra for samples during UV irradiation

3 结论

（1）在新疆高紫外线、高温差、干热等气候条件下，在滴灌带配方中添加一定比例的防老化助剂可以提高农用滴灌带的使用寿命；

（2）以UVA－340荧光紫外灯管作为老化加速光源，随着辐照时间的延长，在FTIR谱图中2741cm－1处羰基峰逐渐生成并不断增强，滴灌带逐渐老化降解；

（3）人工加速光老化试验以340nm荧光紫外灯辐照度控制在0.68W／m2、黑板温度为60℃、冷凝温度为50℃时，采用光照3h、冷凝3h、风吹10min试验工艺，测得的断裂伸长率变化规律与自然气候暴露试验数据比较吻合。

［1］叶苑梣，刘绍基，郭永武，等.聚合物防老化实用手册［M］.北京：化学工业出版社，1999：361－393.

［2］Visser，Hendrikus A，Wolters，et al.Lifetime Assessment of Load－bearing Polymer Glasses：The Influence of Physical Ageing［J］.Macromolecular Materials and Engineering，2010，295（12）：1066－1081.

［3］Demetres Briassoulis.The Effects of Tensile Stress and the Agrochemical Vapam on the Ageing of Low Density Polyethylene（LDPE）Agricultural Films.Part I.Mechanical Behaviour［J］.Polymer Degradation and Stability，2005，88：489－503.

［4］皮 红，陈深情，郭少云.热稳定剂对PVC紫外光老化过程中微观结构及宏观性能演变的影响［J］.高分子学报，2010，（6）：660－665.Pi Hong，Chen Shenqing，Guo Shaoyun.Microstructure and Properties Development of Thermally Stabilized PVC During Photoageing［J］.Acta Polymerica Sinica，2010，（6）：660－665.

［5］王小军，文庆珍，朱金华，等.高分子材料的老化表征方法［J］.弹性体，2010，20（3）：58－61.Wang Xiaojun，Wen Qingzhen，Zhu Jinhua，et al.Techniques of Characterization Aging Polymer Materials［J］.China Elastomerics，2010，20（3）：58－61.

［6］杨旭东，邱文灿，丁 辛，等.紫外线辐射强度对聚丙烯长丝光氧老化的影响［J］.纺织学报，2009，30（8）：8－12.Yang Xudong，Qiu Wencan，Ding Xin，et al.Influence of UV Intensity on Photo－oxidation of Polypropylene Filaments［J］.Journal of Textile Research，2009，30（8）：8－12.

［7］蔡洪江，司马义·努尔拉，张苏莉，等.地膜自然老化与人工老化相关性的研究［J］.新疆农业科学，2010，47（8）：1580－1583.Cai Hongjiang，Ismayil Nurulla，Zhang Suli，et al.Research of the Relevance Between Natural Aging and Artificial Accelerated Aging of Agricultural Plastic Film［J］.Xinjiang Agricultural Sciences，2010，47（8）：1580－1583.

［8］Zaharescu T，Jipa S，Henderson D，et al.Thermal and Radiation Resistance of Stabilized LDPE ［J］.Radiation Physics and Chemistry，2010，79（3）：375－378.

［9］杨浩邈，胡 斌，吴 鹏.抗氧剂和光稳定剂对PE－LLD紫外光老化的稳定作用［J］.中国塑料，2011，25（10）：64－68.Yang Haomiao，Hu Bin，Wu Peng.Stabilizatiaon Effect of Antioxidants and Light Stabilizers on UV－light Aging of PE－LLD［J］.China Plastics，2011，25（10）：64－68.

［10］赵文隆，张清松，吴智华.光屏蔽剂与其填充LLDPE耐光老化性能的关系［J］.塑料助剂，2011，87（3）：40－44.Zhao Wenlong，Zhang Qingsong，Wu Zhihua.The Relationship Between Light Shielding Agentand the Resistance to Light Aging of LLDPE Being Filled［J］.Plastics Additives，2011，87（3）：40－44.

［11］卢 琳，石宇野，高 瑾，等.聚乙烯塑料在西沙自然环境中光老化行为研究［J］.材料工程，2011，（3）：45－50.Lu Lin，Shi Yuye，Gao Jin，et al.Photo Degradation Behavior of Media Density Polythene Under Xisha（Paracel）Islands Environment［J］.Journal of Materials Engineering，2011，（3）：45－50.

［12］刘奎芳，陈 洁.塑料湿热及亚湿热气候大气暴露与人工加速试验相关性探讨［J］.环境技术，2001，19（4）：8－13.Liu Kuifang，Chen Jie.Research on Correlation of the Artificially Accelerated Test with Humid Tropic Weathering Exposure Test for Plastics［J］.Environmental Technology，2001，19（4）：8－13.

［13］胡行俊.硬聚氯乙烯气候老化行为规律研究［J］.塑料助剂，2001，（3）：16－20.Hu Xingjun.Study on Weathering Aging Regularity of RPVC ［J］.Plastic Additives，2001，（3）：16－20.

［14］王红梅.抗氧剂对PE滴灌带热氧老化性能的影响［J］.合成树脂与塑料，2010，27（3）：36－38.Wang Hongmei.Effect of Antioxidant on Thermo－oxidative Degradation of PE for Drip Irrigation Tape［J］.China Synthetic Resin and Plastics，2010，27（3）：36－38.

［15］张晓飞，皮 红，郭少云.汞灯紫外光源的强度分布分析及其对PVC老化作用的研究［J］.塑料工业，2009，37（8）：74－77.Zhang Xiaofei，Pi Hong，Guo Shaoyun.Study on the UV Irradiance Distribution of Mercury Lamp and Its Effect the Aging Behavior of PVC［J］.China Plastics Industry，2009，37（8）：74－77.