基于蓄水渗膜材料的渗灌滴头设计

毛潭　周帮平　张勇杰　张广涛

【摘 要】提出了通过结合蓄水渗膜技术及3D打印快速成型技术设计制造渗灌滴头的新思路。基于蓄水渗膜材料制备渗水纤维片实现可控缓释水功能，渗水试验结果表明设计制造的渗灌滴头具有良好的渗水性能。通过试验验证，该设计思路可以加快渗灌滴头的结构设计和修改，大大缩短滴头的开发周期和成本，为渗灌滴头规格多样化、产品系列化提供强有力的解决方案。

【关键词】蓄水渗膜；渗灌；3D打印

0 引言

土地荒漠化已成为当今全球最为严重的生态环境问题之一[1]。治理荒漠化的根本措施是恢复植被，而恢复植被的关键是土壤的水分条件[2]。经过多年的努力，国内外积累了丰富的防治荒漠化的理论与技术，如蓄水集水技术[3]、固体水技术[4]、保水剂蓄水技术[5]、容器育苗技术[6]和节水灌溉技术[7]等，这些方法各有优缺点。我国目前应用的节水灌溉技术主要包括喷灌、滴渗灌、微灌、覆膜灌溉等[8]。

近年来，蓄水渗膜技术作为节水灌溉新技术得到了迅速的发展。蓄水渗膜材料是功能导水纤维与可降解友好树脂复合而成的实现科学释水的薄膜材料[9]，通过科学释水的材料学设计解决荒漠化地区节水造林的难题。分子渗水和自调节土壤湿度的蓄水渗膜新材料技术，建立了维系植物正常生长时根部需水规律与导水纤维功能化设计的关联性联系，在荒漠化地区节水造林中已取得了顯著的成效[10]。

渗灌是将压力水或者无压力水以水分子的形式通过安装在管道上的渗灌滴头湿润土壤[11]。渗灌技术是一种地下微灌形式的灌溉技术，与其他治理荒漠化的技术相比，渗灌技术具有节水、节肥、省药、生态效果明显、系统运行压力低、耗能少、使用寿命长、工作量少，成本低等优点。渗灌技术中水的利用率可达到94%，是目前干旱沙漠缺水地区最好的节水灌溉方式之一。

渗灌滴头是渗灌系统的核心部件，设计一种具有良好工作性能的渗灌滴头会极大的提高系统的工作性能。但是渗灌滴头的设计制造过程复杂多样，国内目前的渗灌滴头的常用制作流程为：二维图纸→模具设计→模具加工→注塑→实验→修改→定型。这样的设计流程不仅周期长，而且成本高，使用传统的设计制造方法无法快速实现产品的改进或提高。因此，提出通过结合蓄水渗膜技术及3D打印快速成型技术[12]设计制造渗灌滴头，既提高渗灌滴头的使用性能，又实现渗灌滴头的快速设计及试制，从而加快渗灌器材更新换代的步伐。

1 渗灌滴头的设计

渗灌滴头的设计在性能上需满足其渗水功能，即根据作物的生长需水量定时定量地向土壤中渗水供给作物。因此要以水分子的形式渗水，从渗水管流入的水以水分子的形式流入土壤中，工作水头一般为7-10米，过水流道直径一般在0.3-4.0mm之间，出水流量在2-20L/h之间变化；另外还需出水均匀、稳定，渗水管的压力大则出水的速率高，渗灌滴头必须能够自动调节水流的大小，满足水分的流速。因此，采用蓄水渗膜材料制备导水纤维片并内嵌置渗灌滴头中以满足上述性能要求。此外，渗灌滴头还应坚固耐用、价格低廉 ，整个渗灌系统也应该严格控制制作成本，满足渗灌滴头的工程应用，达到经济的目的。经过多次计算，结构修改，强度校核后设计渗灌滴头的结构简图如图1所示。

鉴于传统的设计方法过于复杂，采用3D打印技术设计制造渗灌滴头将大大缩短设计周期，降低设计成本。3D打印技术能够把三维设计模型在几个小时到几天时间内转换成实体模型，然后再对实体模型进行测试、评估和修改，该设计模式可以加速设计研发效率，提高生产效率。

如图2设计路线所示，结合蓄水渗膜技术及3D打印快速成型技术设计制造渗灌滴头，完成结构设计后，利用3D打印技术加工出嵌入式渗灌滴头原型，并安装到模拟实际环境中进行实验，对渗水的整个过程进行观察记录，根据导水效果进行对比分析进一步完善，最终完成现场实验及应用。

根据渗灌滴头结构简图，利用SolidWorks三维设计软件进行三维实体建模，如图3所示。其工程图如图4所示。

2 渗灌滴头的试制

2.1 渗水纤维片的制备

渗水纤维片的支撑材料采用碱液预处理后的尼龙纤维。复合调湿材料由高吸水性树脂材料和无机材料复合而成。高吸水性树脂材料选择聚丙烯酰胺（PAM），无机材料选择天然蒙脱土（MMT），分别制备成黏结剂PAM溶液与MMT悬浮液，采用溶液共混法以1∶250的比例配制成复合胶体溶液。将预处理后的支撑纤维放入导水胶体溶液中充分浸润后悬垂烘干，制备出具有导水功能的涂层纤维，将纤维裁切成纤维片。通过渗水纤维片，水分以水分子的形式缓慢释放并作用于植物根部，以满足植物生长过程中所需的合理水分，能大大减少水分的地表蒸发及地下渗漏。

2.2 渗灌滴头外壳的制备

用SolidWorks对渗灌滴头外壳进行三维实体造型后，进行转换得到STL格式的数据文件。利用分层软件依照所需精度要求对产品的STL文件进行切片处理，得到切片数据载入加工设备的控制系统。外壳制备使用的设备为武汉宾湖机电技术产业有限公司的HRPS-II型号3D打印机。该设备采用选择性激光烧结法（SLS）的快速成形技术。激光束在计算机的控制下对光敏树脂进行扫描，激光轨迹为零件的各个分层的截面信息，光敏树脂在激光经过的地区发生了光聚合反应而固化，形成零件的薄层断面。一层被固化后，工作台下移一个层厚的距离，新的光敏树脂由滚筒铺覆到零件的表面，新的表面又会经过激光的照射，产生新的一层零件表面粘合在前一层上，如此反复，直到整个零件成型。其特点为成型精度高，可达±0.1mm、表面质量好，原材料的利用率高，能制造复杂度特别高，精细度特别好的零件。

3 试验分析

为得到结构设计合理，系统投资少，低消耗的渗灌滴头，需要进行各种试验验证设计方法。影响渗灌滴头设计因素有两个：渗灌滴头流道的直径及渗水纤维片的厚度。试制不同流道直径的渗灌滴头，内嵌不同厚度的渗水纤维片，在实验室搭建试验平台测试这两种影响因素对渗水效果的影响。试验平台采用沙箱模拟沙化地区，用带刻度的导水管与不同参数的渗灌滴头样品相连，插入沙箱。室温常压条件下进行渗水实验，每隔一段时间通过导水管上标注刻度读取并记录液面下降的高度，统计分析。

实验结果表明，在开始渗水后，出现液面下降后，渗水的速度较为缓慢；经过一段时间后，液面下降的高度较大，表明在这个过程中渗水的速度加大；随着时间推移，液面下降的高度逐渐减小，渗水的速度降低。随着渗灌滴头流道直径的增加，渗水的速率会逐渐增大；随着渗水纤维片厚度的增加，渗水速率也是不断增加。可见不同的流道宽度及渗水纤维片的厚度是影响渗水的速率的重要因素。由此我们可以根据不同的环境，不同的作物对水分的要求来设计渗灌滴头，从而达到可控的导水速率和导水量。

4 结论与展望

传统渗灌设备研制采用模具制作方式不仅耗材，而且周期长、成本高、系列化难，严重制约着国内渗灌器件的研制更新和产品系列化、品种多样化。本文结合快速成型技术对渗灌滴头的设計改型提出新思路：基于蓄水渗膜材料制备渗水纤维片，将其嵌入渗灌滴头内实现渗灌材料的可控缓释水功能；渗水试验结果表明设计制造的渗灌滴头具有良好的渗水性能，通过设计不同的渗灌滴头流道和纤维片厚度，可得到不同的导水速率和导水量，以满足不同植物生长所需的水分，从而应用于渗灌技术达到节水的目的。该设计思路不仅加快了渗灌滴头的结构设计和修改，而且可直接加工出渗灌滴头样品，用于渗灌试验，验证设计的合理性，从而大大缩短了滴头的开发周期和成本，为规格多样化、产品系列化提供了强有力的解决方案。

基于蓄水渗膜材料及快速成型技术来制备地下渗灌管材，其实际利用效果还不够成熟，实际的种植环境也更为复杂，许多问题还需要深入研究，如渗灌滴头导水速率的控制、如何有效防止滴头堵塞等问题，需要进一步优化制备方案，进行更多实际环境的试验验证，从而使渗灌技术及蓄水渗膜技术在沙漠治理方面发挥更好的作用。

【参考文献】

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[责任编辑：朱丽娜]