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PVFM負壓滲水材料制備與性能分析緒論

時間:2016-03-19 來源:未知 作者:學術堂 本文字數:10827字

本篇論文目錄導航:

  【題目】PVFM負壓滲水材料的研制探究
  【第一章】PVFM負壓滲水材料制備與性能分析緒論
  【第二章】PVFM材料與方法
  【第三章】原料配比對PVFM負壓滲水性能的影響
  【第四章】不同反應條件對PVFM負壓滲水性能的影響
  【第五章】不同助劑對PVFM負壓滲水性能的影響
  【第六章】物理規格對PVFM負壓滲水性能的影響
  【總結/參考文獻】制備PVFM負壓滲水材料的可行性研究總結與參考文獻

  第一章 緒論

  1.1 研究背景及意義

  21世紀,中國農業用水面臨嚴重短缺,同時農業用水浪費現象非常嚴重。中國農業年用水量約4000億m3,占全國總用水量的70%左右,其中灌溉用水占農業用水的90%~95%,農業灌溉每年平均缺水300多億m3(逄煥成,2006;趙新福,2014),農田灌溉利用率僅為43%,1.0kg·m-3左右,遠低于發達國家2.0kg·m-3以上的水平(蘭才有,2005)。因此在農業用水緊缺的條件下,我們必須尋找新途徑以實現農業節水灌溉(高雪梅,2012)。

  傳統的灌溉方法是地上灌溉,主要有排灌、噴灌和滴灌。這些灌溉方法的用水量遠遠大于作物生長所需的水量,造成了水資源的大量浪費,也會造成土壤板結,通氣不暢,不利于水土保持和作物生長(劉玉田,2003)。

  負壓灌溉節水設備將滲水器埋入土壤中,隨著作物對土壤水分的吸收,使得土壤水勢降低,低于負壓發生器肥料溶液的水勢,溶液就會從負壓發生器中流向土壤,把養分帶到根際土壤,從而給作物根際添加水分養分。負壓灌溉系統的關鍵是將水土聯系起來的、處于水土界面的負壓滲水器,因此選擇好合適的負壓滲水器對于整套負壓灌溉裝置的高效運行是至關重要的。

  1.2 負壓滲水器概述

  1.2.1 負壓滲水器材料的基本特點

  負壓滲水器材料要具備三個基本特點:一是要有一定發泡點或進氣值。孔隙被水飽和后,被壓縮空氣通過而產生的第一個氣泡所需的壓強即為該膜的發泡點,壓縮空氣剛要從泡孔進入但未透過泡孔時的壓強即為該膜的進氣值(鄭海亮,2009),從理論上講,同一材料發泡點的數值要較進氣值高。負壓滲水材料屬于一種微孔器材,具有特殊的微孔,水在微孔孔隙里具有一定的毛管吸力,這會阻止空氣進入,因此也要有一定的進氣值或發泡點,具有透水不透氣的性質,才能保證在負壓條件下運行時土體中的空氣不進入滲水器內。二是要有透水性能。泡孔小,可以保證發泡點數值較高,但滲水能力降低,滲出水量太少可能滿足不了作物對水分的需求,若泡孔擴大,滲水性能會提高,但是可能導致發泡點數值的降低,在我們所設置的負壓條件下會發生進氣現象,并且過多水分的流出也會導致水資源浪費。三是要有一定的硬度,埋在土壤中可以承受相當的土體壓力。除此之外也要保證一定的韌性,韌性是材料在斷裂前吸收能量和進行塑形變形的能力,韌性越好,材料發生脆性斷裂的可能性越低(王從曾,2004)。

  1.2.2 負壓滲水器的作用原理

  負壓滲水器的作用原理是,將滲水器買入土壤中,根據作物不同生長階段的需水特性和土壤張力特性,實現植物對水分的連續自動獲取(鄒朝望等,2007),使植物由“被動灌水”變為“主動喝水”,能可靠地提高水肥利用率,達到“精準”“高效”的目的。負壓滲水材料性能的優劣與微孔結構密切相關(方荃,2003),根據拉普拉斯公式P= ,其中,P 是微孔結構內的彎曲液面對液體內部所施的附加壓強,R 是球形液面的半徑,γ 是表面張力(秦耀東,2003),則可以推出:

拉普拉斯公式

  由此公式可知,從附加壓強角度考慮,其他條件不變,微孔直徑越小,附加壓強越大,處于氣相中的氣體要將封堵、吸附于毛細管內的水體排出則需要施加更大的壓強,即該膜發泡點的數值更高。從表面張力考慮,其他條件不變時,物質越親水,水與其接觸角越小,表面張力越大,要克服這個力所做的功越多,則需要施以更大的氣體壓力,即提高了該膜的發泡點值。由此可見,減小滲水材料的孔徑和使用親水性的滲水材料都是提高發泡點值的途徑。

  但需要考慮的是,滲水材料最基本的功能是要滲水,不能只是追求高發泡點值而滲水速率小之又小,這就不能保證水分及時地供給作物。高性能的負壓滲水材料要做到在高發泡點值的基礎上具備高滲水速率,二者兼顧。

  綜合以上看來,我們要選擇的新型負壓滲水材料要盡可能具備以下幾點特征,高發泡點值與高滲水性兼顧,硬度和韌性均較好,微孔結構均勻,親水性高。

  1.2.3 負壓滲水材料的研究進展

  目前在負壓灌溉方面研究尚少(黃興法等,2002;吳景社,1994;薛志成,1998),負壓滲水材料的種類也較為單一。

  1、無機負壓滲水器材料

  1963 年,美國學者 Schwartzwalder 通過有機泡沫(聚合物)浸漬工藝來獲得多孔陶瓷(楊涵松,2005),即用有機泡沫浸漬陶瓷料漿,干燥后在高溫下燒掉有機泡沫載體而形成孔隙結構,其原理利用了有機泡沫體所具有的開孔三維網狀骨架的特殊結構。1991 年,日本學者谷川寅彥等(1992)對低壓滲灌的原理進行了試驗研究,試驗對滲水管材提出了要求,指出負壓差灌溉通常采用透水系數較大(一般為 1×10-4cms-1以上),有良好通氣和耐壓性能的管材,故能充分保證作物需水。供試多孔管為外徑 9cm,內徑 7cm,壁厚 1cm,長度5cm 的素燒管(陶瓷素燒管),兩端用不透水的聚乙烯蓋子封閉,平均透水系數為(2±1)×10-5cms-1。

  試驗中對該管材的性能進行了比較,從公式上闡明可以調節多孔管的長度來控制供水量;在實際應用中,多孔管能根據土壤干濕狀況自動調節水量,可是當設計壓力較大時,出水量就與多孔管的埋深有關;試驗中還試驗了兩種不同滲透系數的管子對灌水量的影響,試驗表明,透水系數為(2±1)×10-5cms-1(簡稱-5乘)和(2±1)×l0-6cms-1(簡稱-6乘)兩種管子24小時的灌水量之比為17.6:1,且-5 乘和-6 乘的管子在 24 小時之后的浸潤半徑比為 2.7:1。說明多孔管本身的性能對灌水量及浸潤效果有很大影響。

  1996 年,日本三菱集團研究出了一種“負壓灌溉器皿”(雷廷武等,2005),該負壓灌溉器的材料是多孔管,多孔管埋入土體內時,由于作物吸水使得土壤與管內水分形成水勢差,促使多孔管內水分流向土壤。1998 年,該公司將“負壓灌溉器皿”中的多孔管改為多孔板。然而,這種“負壓灌溉器皿”只是一種裝置,并不是真正意義上的負壓自動補給灌溉系統(趙偉霞,2009)。

  同年,Batchelor 等利用黏土管作為灌水器一端埋入地下,另一端露出地面進行灌溉,結果表明這種新型方法在提高作物產量、品質以及灌溉水利用效率等方面具有較好效果,且成本低、簡單實用(江培福等,2006;王燕,2007)。2005年,江培福等(2006)測試了纖維灌水器和陶土灌水器的滲透效果,發現在土壤質地、灌水歷時相同時,纖維灌水器較陶土灌水出水流量要高。從宏觀角度分析,這主要是由于纖維灌水器表面較陶土灌水器粗糙并具有較好柔性,能更好地與土壤顆粒接觸,具有更好空隙連續性,從而可以更充分發揮土壤吸力的作用。從微觀角度考慮,可能是纖維灌水器孔隙結構和尺寸比陶土灌水器更接近土壤。

  2007年,鄒朝望等(2007)更加細致地研究了負水頭灌溉原理及其裝置,同樣指出供水器應滿足透水不透氣,一定的滲透度以及最大供水面的特性。并且總結了前人Aderaldo Sliva De Souza研究的陶土罐滲水材料,陶土罐用管道連接密封,形成灌溉管埋在土壤里,其設計初衷是應用于正壓灌溉,但是亦可應用于負壓灌溉,只是應用于負壓灌溉會有一些缺點:陶土罐滲透性太小,滲水量不能滿足作物需水要求;再者水質較差時,陶土罐易被堵塞,影響灌溉效果。因此,在前人研究的基礎上,鄒朝望等又研制出兩種負水頭供水用陶瓷供水器:中空圓盤式供水盤和中空弧形陶瓷供水器,并應用到了負壓灌溉裝置中。這兩種滲水器主要是從形狀外觀上進行了創新改良,其本質的材料并沒有太大改變,仍然為陶瓷類無機材料。

  傳統應用于低壓或負壓自動補給灌溉裝置中的負壓滲水器主要為陶瓷頭,但是陶瓷頭有一些缺點,如易碎、韌性差、成本高等,不適合在田間大面積應用。

  2、有機滲水材料

  (1)多孔滲水管

  20 世紀 70 年代,日本研制出一種用特殊聚乙烯制成的新型多孔管(吳景社,1994),多孔管采用激光打孔,孔徑均勻,只是當時是將該多孔管應用于噴微灌技術中,作用是使水滴霧化。

  20世紀70年代中期,開發出了一種滲水膠管(劉玉田,2003),主要應用于地下灌溉系統。這種管子具有良好的韌性,耐腐蝕,管壁內孔隙分布均勻,使用壽命長,抗凍,現已在北歐和北美地區推廣使用。該滲水膠管是運用低壓灌溉原理工作,通過較低的水壓和土壤的毛細作用,水分從多孔的管壁滲漏到周圍土壤中,當土壤處于干燥狀態時,毛細管作用強,水滲漏得快,隨土壤中水分的增加,滲水速率減慢,當土壤水分達到飽和狀態時,滲水停止。多孔滲水膠管所用的原材料成本較低,主要有膠粉、熱塑性塑料和幾種加工助劑。膠粉是多孔滲水膠管的主體材料,主要來自廢舊輪胎;熱塑性塑料為聚乙烯,作膠黏劑使用;加工助劑是擠出加工過程用的潤滑劑。

  在運用擠出工藝(劉玉田,2003)制作的過程中,膠料中的水分在擠出機機筒內受熱轉變成的蒸汽在出口處透過管壁釋放,同時在管壁內形成迷宮式空隙,即透水孔。

  (2)微孔管

  聚氯乙烯樹脂、多孔瓷等材料可制成微孔管,作過濾器材使用。它適用于水中不溶性鹽類、煤粉等細小顆粒的去除。1998年,劉仁山主要研究了以聚乙烯(PE)為原料,通過燒結成型工藝來制備微孔過濾材料,主要作為高懸浮物含量的煉鋼污水處理系統中的微孔管(劉仁山,1998)。制備過程中在高聚物粉體基料中摻混了部分揮發性和水溶性物質作為致孔劑,致孔劑可在微孔體燒結、冷卻過程中揮發或溶解,從而將原先占據的空間釋放出來,形成微孔。其主要工藝流程為:配料→混合→裝料→燒結→出燒結箱→脫內膜→冷卻→脫外膜→形成微孔管→水浸→機械加工→包裝。對制得的濾管進行性能測試發現:隨著PE分子量增大,濾管開孔率及強度均相應增大;PE顆粒越大,開孔率也越大,但微孔結構不規則,分布不均,強度也較低;隨裝料密度的增加,開孔率下降,強度上升,微孔結構變得細密均勻;致孔劑用量越多,濾管開孔率增大,而強度下降;此外燒結溫度和燒結時間均對濾管的性能有重要影響。

  微孔管可做為微孔塑料負壓給水管作為灌水器應用到負壓灌溉中(王佳甜等,2012)。常用的滲灌管、滴灌管的孔徑都>50μm,習慣上將<50μm的稱為微孔,要在光學顯微鏡下才能觀察測量。微孔管主要有以下特點:第一,透水微孔在50μm以下,孔道為多層開孔氣泡溝通而成,孔道不規則不光滑;第二,微孔管充滿水后,可在微孔表面形成一層水膜,可防止空氣的進入,保證“透水不透氣”;第三,負壓流動狀態下,很容易在個別地方發生氣體進入,使管中產生氣泡,形成“水汽流”。

  2007年,大連市水利科學研究所的宋毅夫申請微孔塑料管專利,該塑料管由采用軟質塑料,加入物理發泡劑,在高壓30~60Mpa下由拉管模具擠出,形狀管形,管壁含大量微孔,并有少量是透水孔,孔徑在10~50 μm,充水后可形成負壓(肖俊夫等,2012)。由此看來,灌溉用材料的研究已經由無機陶瓷類向有機高分子方面轉變,但是有機材料中切實應用于負壓滲水器方面的寥寥無幾。

  1.3 高分子材料簡介

  高分子材料是由相對分子質量較高的化合物構成的材料,通常分子量大于 10000(黃明杰等,2014)。高分子材料可以分為天然高分子材料和合成高分子材料。天然高分子材料有天然橡膠、纖維素、淀粉、蠶絲、甲殼素等。而合成高分子種類很多,大致可分為塑料、橡膠、纖維、薄膜、膠粘劑、涂料和功能高分子材料等許多種類(王瀾,2011),其中塑料、合成橡膠和合成纖維被稱為現代三大高分子材料(李伯耿,1996)。它們質地輕巧、原料豐富、加工方便、性能良好、用途廣泛,因而發展速度大大越過了傳統的鋼鐵、水泥和木材三大基本材料。

  1.3.1 微孔發泡高分子材料概念及特性

  微孔發泡高分子材料是微孔材料的一種。20 世紀 80 年代初,美國麻省理工學院的 N.P.Suh教授小組首先進行了微孔發泡高分子材料的研究,起初他認為泡孔尺寸為 10μm 或小于該尺寸的任何高分子泡沫材料即為微孔發泡材料。20 世紀 90 年代中期又對該定義進行了補充修改,認為泡孔尺寸<10μm,泡孔密度為 109cm-3~1015cm-3,密度比原材料下降 5%~95%的材料,才視為微孔發泡材料。后來,隨著實驗室研究到工業化生產的轉變,現在認為微孔發泡材料的定義為:泡孔尺寸小于 50μm~100μm,泡孔密度超過 108cm-3的熱塑性高分子材料(魯德平等,2002)。

  微孔發泡的高分子材料根據結構的不同,也可以分為開孔型微孔高分子材料與閉孔型微孔高分子材料(朱文利等,2004)。開孔型微孔高分子材料是指泡孔是破的,且與鄰近泡孔間相互貫通,因此具有可透過性,可以用于過濾膜和纖維、色譜柱高效填料、藥品控釋材料以及仿生皮膚等;閉孔型是指雖然有微孔,但微孔各自獨立,并不互相連通,可作為結構材料使用。

  微孔發泡材料具有質輕(較未發泡輕 5%~95%)、抗沖擊強度大(比未發泡的普通材料高 5倍)、剛性-質量比高(比未發泡材料高 3~5 倍)、疲勞壽命長(比未發泡材料高 5 倍)、熱穩定性高、介電常數小、熱傳導性低的特點。這些特點的根源主要是材料中均勻分布著的尺寸極小的泡孔,極大增強了材料的力學性能(魯德平等,2002)。

  微孔泡沫塑料屬于新型的改性熱塑性泡沫塑料,屬微孔發泡高分子材料范疇。它是一種性價比高的新型材料,具有優越的力學性能及隔音、保溫等特殊性能,在許多場合都可以替代天然木材等實體材料,因此在民用、軍事及航空等領域具有廣泛的應用(高達利等,2005)。

  1.3.2 微孔發泡高分子材料研究進展

  20 世紀 80 年代由 N.P.Suh 教授小組研制開發一種微孔高分子材料——聚苯乙烯(PS)材料,是較早出現的微孔材料。他們采用超飽和氣體法(方荃等,2003;王珊,2007)制備微孔發泡高分子材料,總結出一套加工工藝即聚合物原料進料和熔化、超臨界氣體注入與熔融聚合物形成混合體系、微孔成核、微孔的增長和定型四個步驟。并且對影響微孔發泡材料的泡孔密度、大小和分布的參數做了研究,發現主要影響參數為壓力、溫度和時間(魯德平等,2002)。現在,麻省理工學院的項目資助者 Trexel 公司現已可生產 PS、PE、PP、剛性 PVC 型材、PC/ABC、熱塑性彈性體等多種微孔發泡高分子材料。

  1981 年,微孔泡沫塑料由 J.E.Martini 首先研制成功,實驗發現,由于微孔泡沫塑料的泡孔極小且分布均勻,使聚合物中的微隙圓孔化,泡孔實際起到了類似橡膠顆粒增韌的作用(唐建君等,2010)。英國Cookson Entek公司在20世紀80年代已開發出超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)的微孔隔板材料(趙忠華等,2003)。實驗探究了成型方法對微孔材料孔徑、分布和孔隙率參數的重要影響,最終采用了熱致相分離(TIPS)技術(高長有等,2001),即先將一些熱塑性、結晶性的高聚物(如聚烯烴等)與特定的稀釋劑在高溫下形成均相溶液,而稀釋劑對該聚合物而言是一種潛在溶劑,在常溫下是非溶劑而高溫時是溶劑,即“高溫相溶,低溫分相”。當降低溫度時,原先的均相溶液發生固-液或液-液相分離,脫除稀釋劑后其在體系中所占有的空間就形成了微孔(李大松,2006)。

  20世紀90年代初,V.Kumar等利用間歇成型法成功地制得了聚碳酸酯(PC)微孔泡沫塑料,提出可以通過控制溫度來控制PC微孔泡沫塑料的密度(黃目張等,2007)。

  我國的微孔材料早期在濾膜方面得以應用,始于1973年前后,當時主要應用于醫藥領域的纖維素聚烯烴類有機濾膜(宮美樂等,2003),現在已經拓展到食品、化工、電子等領域,無機濾膜(陶瓷濾膜、金屬濾膜)也活躍起來。2001年,張志蓮提出,影響微孔泡沫制品質量和產量的因素主要有原材料、成型設備和成型工藝三個方面(張志蓮等,2006)。2007年,北京化工大學研究了PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯,俗稱有機玻璃)和PP(聚丙烯)的微孔發泡工藝(王珊,2007)。

  2008年,陜西科技大學采用超飽和氣體法制備了玻璃纖維/不飽和聚酯微孔復合材料(趙雪妮等,2008)。這些有機材料高分子材料雖然具有較好的微孔結構,但泡孔未必相互連通又或者是疏水性的。這樣的微孔材料主要應用在正壓灌溉中,在負壓灌溉系統中運用較少。因此,在高分子材料這個廣闊的領域中,我們試圖尋找具有微孔性、高親水性、發泡點值(或進氣值)高、滲透性好、不易碎的高性能負壓滲水材料。

  1.4 PVFM 材料簡介及研究進展

  1.4.1 PVFM 簡介

  聚乙烯醇縮甲醛泡沫塑料(PVFM)是聚乙烯醇和甲醛在強酸性條件下,高分子中的兩個醇羥基與一個醛基發生縮聚反應形成的分子內縮醛化物,反應式如下:

反應式

  這種高分子材料具有多孔性、高水親和力(有羥基)、機械強度高(拉伸強度>0.4MPa)、化學穩定性及生物穩定性好的優點,被廣泛應用到清潔美容行業(家用拖把、平面洗車巾、粉撲等)、醫療衛生行業(手術用脫脂棉、脫脂紗布、吸血海綿等)、環保及生物載體方面(過濾、污水處理等)等(王光釗等,2007)。

  PVFM泡沫塑料為開孔型微孔泡沫塑料,單元微孔相互連接,有開放的三維空間,氣孔的尺寸和形狀可根據需要進行調整,根據孔的大小,可以將PVFM樣品劃分為六個級別,如表1.1(王光釗等,2006)。從表中可以看出,六個級別孔徑變化范圍為1~3000μm,各級別氣孔的比例變化不大,但是氣孔的尺寸變化較大,因此,是可以通過調整工藝來達到不同的孔徑要求。

表 1.1 PVFM 泡沫塑料產品級別
表 1.1 PVFM 泡沫塑料產品級別

  1.4.2 PVFM 研究進展

  早在 1945 年,英國維爾特克斯公司首先成功研制出聚乙烯醇縮甲醛(PVFM)泡沫塑料。1952年,美國也研究出 PVFM 泡沫塑料的制造技術。因 PVFM 性能好、應用范圍廣,我國一些科研院所也紛紛投入到 PVFM 的研究中來。2005年,貴州水晶有機化工集團通過對物料中 PVA 濃度、HCl、HAC、甲醛加入量及加入方式、縮醛溫度的調整,采用非均相法和均相法工藝制得了均勻、穩定、分散程度較高的粉狀或細砂狀的聚乙烯醇縮甲醛產品(柯麗軍等,2005)。2009 年,上海化工大學探究了新型 PVF 過濾膜的合成制作工藝。由 PVA 與甲醛反應,這種泡沫塑料質輕、強度高、親水性好,網孔大小均勻可控,不易產生碎屑物,是一種新型的過濾材料(葉晶等,2010)。試驗還探究了不同反應條件對泡孔大小的影響。2011 年,華南理工大學化工學院用一步發泡法制得 PVFM 吸水海綿,試驗借助孔徑、密度、吸水率、吸水速率、保水率等表征測試,分析吸水海綿結構與性能之間的構效關系,確定最優吸水海綿配方(羅志波等,2012)。2012 年,合肥工業大學化工學院用淀粉溶出法(唐龍祥等,2012)制備了 PVFM 泡沫塑料,發現 PVA 及淀粉的種類和用量、甲醛與硫酸的用量均對泡沫塑料的性能有一定影響。

  國內在新材料的開發研究方面雖然起步較晚,但發展較快,在微孔材料方面投入較大,然而在制備方法的優化以及改性方面研究較少(唐建君等,2010)。對于 PVFM 的改性研究,2005 年,蘭州交通大學材料工程研究所用超聲波分散法(李志偉等,2007)制得納米凹凸棒土,并將其添加到 PVFM 泡沫塑料中,研究發現添加凹凸棒土 10%,PVFM 的力學性能、吸水率得到了最大提升,之后隨凹凸棒土用量增加,性能反而下降(張媛等,2005)。2011 年,河南科技大學對 PVFM 的熱性能進行改性研究,由于 PVFM 的縮醛化程度較低,加熱易降解,因此在以正硅酸乙酯(TEOS)作為前驅體的條件下,添加二氧化硅來增強其耐熱性,結果在二氧化硅含量為 15%時,材料的初始熱分解溫度為 322.5℃,比改性前提高了約 94℃(姜玉,2012),而且拉伸強度也得到提高。

  1.4.3 PVFM 制備的影響因素

  1、PVFM 的基本原料

  PVFM 的合成有三大基本原料:PVA、水、甲醛。不同原料用量的比例即構成配比。PVA 與水的比例對產品性能有較大影響。羅志波等研究得出,PVA 的型號不同、與水的質量比不同,產品的吸水倍率也不同,PVA-1788,且與水之比為 1:7 時,海綿的吸水性能最佳(羅志波等,2012)。有關研究表明(李萍等,1992),水的用量對泡沫塑料吸水率和拉伸強度的影響遠大于 PVA 種類、酸用量和醛用量的影響,各因素的關系是:H2O > PVA> H2SO4> HCHO。姜玉等(2011)研究得出,在實際生產中,PVA 水溶液的質量分數應控制在 10%~25%。葉晶等(2010)在 PVF 過濾膜的制備過程中測定了不同原料配比在不同溫度下所得產品的壓差值,得出最適反應物配比為:

  聚乙烯醇:甲醛:硫酸:淀粉:鹽:甘油=1:1:1:5:1:1。甲醛作為固化劑在 PVFM 的合成中十分重要,隨甲醛用量增加,縮醛化程度增加,吸水率降低,硬度增加,甲醛質量分數一般控制在 6%~8%(唐龍祥等,2012)。羅志波(2012)指出,當 PVA 為 30g 時,甲醛加入 5ml 時,縮醛化度和吸水倍率都達到峰值,繼續加入,吸水倍率呈遞減趨勢,過多的甲醛會以游離態存在,不利于環境保護。姜玉(2011)指出,實際生產中一般控制甲醛/PVA 物質的量比為 0.6~0.75,pH 值為 1~2。

  2、PVFM 的發泡工藝

  機械打泡法是一種物理發泡方法,在泡沫材料的制備的過程中被廣泛使用(Tomita T,etal.2004;2005),通過高速攪拌將空氣均勻混入 PVA 水溶液中,同時也加快縮聚反應速度,使聚合物從溶液中離析出來。攪拌速度直接影響泡沫孔徑大小及均勻性,攪拌速度過慢不會產生較為均勻的泡孔,一般攪拌速度在 1700rmin-1以上(李萍等,1992)。

  發泡劑發泡通常在機械發泡法的配合下使用。發泡劑種類較多,原理一般都是因發生反應后使產生氣體存在于溶液中,從而制得微孔。水作為良好的溶劑,可以很快地將易溶于水的反應物溶解使其參與反應,現在國內外對多數易溶于水基的泡沫塑料的研究主要是使用水作為發泡劑(Bhatnagar S et al.,1994;Cha J Y et al.,2001;Chinnaswamy R et al.,1988),如制作淀粉基泡沫塑料。水作為溶劑在攪動的過程中會產生氣泡,也可作為反應物通過化學反應達到發泡效果。

  在制備硬質聚氨酯時,常會將水與異氰酸酯反應,生成的CO2直接作為發泡劑填充到材料中,形成泡孔(賈其舜,1982)。在PVFM的制作中,也有運用碳酸氫鈉或碳酸鈉和酸反應(王會才等,2005;武士威等,2009)。姜玉(2011)研究指出,碳酸鈉發泡劑的用量在3%~5%為宜,可獲得開孔結構、氣孔均勻、吸水率和強度都較佳的材料。羅志波等(2012)在制作PVFM海綿時用戊烷作為發泡劑,并與其他幾種發泡劑對比,證明以戊烷作為發泡劑時效果最好,且發泡劑最佳用量在1.5ml左右,并指出發泡劑的用量與種類均對泡孔的大小以及開孔的效果有影響。

  3、PVFM 的反應條件

  制備 PVFM 的過程中反應條件是影響產物合成效果的又一重要因素。對于 PVFM 多孔材料而言,其孔隙結構由于反應條件影響,會導致進氣值以及滲水性能發生變化(葉晶等,2010)。在 PVA 與甲醛的縮聚反應中,反應時的溫度、保溫時間必然會影響產品質量,當采用機械打泡法時,攪拌機轉速也成為一個影響因素。用機械攪拌和發泡劑氣泡法制備 PVFM 泡沫塑料時,溫度一般在 50~80℃,時間控制在 5h左右(姜玉等,2011)。王光釗(2006)總結當用機械打泡法時,攪拌機轉速在 1700r

  min-1以上,用化學發泡法時,在 50℃保溫反應 4~16h。柯麗軍(2005)在研究 PVFM 時,也將反應溫度設在 50~60℃。葉晶(2010)在研究 PVF 過濾膜時指出,當作為普通的水質凈化之用時,70℃反應 10h 最合適。姜玉對 PVFM 進行耐熱性的改性研究,反應溫度 50~60℃保溫 5h。王銳(1997)在合成 PVF 泡沫塑料時,于 50~70℃縮醛化 4~8h,得到呈現模具形狀的 PVF 泡沫塑料。唐龍祥等(2012)于 51℃下加入甲醛反應,又于 62℃烘箱中保溫反應 10h,得到聚乙烯醇縮甲醛吸水泡沫塑料。張媛等(2005)將納米凹凸棒土填充到聚乙烯醇縮甲醛泡沫塑料中后,在模具中于 50~70℃縮醛化 4~8h,得到拉伸強度和吸水率較高的納米凹凸棒土/聚乙烯醇縮甲醛泡沫塑料。胡玉祥等(2013)經過多次研究,證明反應溫度 55℃保溫 8~12h 塑料泡沫穩定性最好。

  4、助劑的影響

  高分子材料中常會添加各種助劑,如增塑劑、填料、穩泡劑等等,它可以改善復合材料性能,如力學性能、密度以及吸水率等性能。塑料增硬劑是指用于提高各種塑料硬度和抗彎能力的添加劑。一些廣譜增硬劑可廣泛的應用于 PP、PE、PS、PO、ABS、PS、HIPS 的吹膜及注塑件上面,增硬效果好,分散好,具有增硬抗劃傷等功能。劉燕生等(1996)增硬橡膠時加入酚醛補強樹脂作為增硬劑,可賦予橡膠較好的綜合物理性能。

  填料是用以改善復合材料性能,如硬度、剛度及沖擊強度等,并能降低成本的固體添加劑,它與增強材料不同,填料呈顆粒狀,而呈纖維狀的增強材料不作為填料。許濤等(2010)指出,在由偏高嶺石、磷酸和水按一定比例混合制得的地聚物中加入聚乙烯醇,可以提高復合材料的抗壓強度,最大值為 61.5Mpa。楊慧群等(2011)將石英、高嶺石、白云母三種礦物按一定比例共混,填充到丁苯橡膠中,證明有補強作用,且經過表面活性劑 KH570 改性后,復合材料的最大載荷、斷裂伸長率、撕裂強度分別達到 64.43N、1070.72%、12.06kNm-1,改性礦粉能夠較顯著提高丁苯橡膠的力學性能,起到補強和降低成本的雙重作用。王軍等(2004)在用納米二氧化硅增強硬質聚氨酯泡沫塑料時,發現,納米 SiO2對硬質聚氨酯泡沫塑料有一定的增強增韌作用,納米顆粒含量達到 7wt%左右時,硬質聚氨酯泡沫塑料的壓縮強度和沖擊強度達到最大。與未添加納米顆粒的聚氨酯泡沫塑料相比較,壓縮強度最高可提高 20%以上,沖擊強度可提高 30%左右(陳挺等,2005;高四等,2004),但拉伸強度變化極小。

  表面活性劑常被作為助劑應用在高分子材料的制備中,可以起到勻泡劑、穩泡劑的作用。有關文獻資料表明,有機硅表面活性劑可作為穩泡劑,降低孔壁的表面張力,促進泡孔中維持一定正壓,從而控制泡孔增長和穩定,使泡孔不破裂也不癟塌(于宏偉,2010)。它在聚氨酯泡沫合成中起到勻泡的作用,可以促進泡沫體的彈性以及泡孔的均勻(李玉松,2004)。在其他泡沫塑料的生產過程中也可以起到體系分散、氣泡生長、氣泡穩定及氣室開放的作用(孫爭光,2001)。

  1.5 研究契機

  綜上可以看出,PVFM 親水性好、吸水能力強、韌性高,具有可調的微孔結構,在許多領域都得以應用,然而目前有關灌溉技術的國內外文獻資料尚未提及該材料被運用到負壓灌溉領域(Blanke A et al.,2007;黃興法等,2002;羅金耀等,2003)。有研究表明,PVFM 原料配比影響其微孔結構(Gregg S J et al.,1967),而微孔結構與發泡點、滲水率等負壓滲水性能指標密切相關(Gibson L J et al.,1999),由拉普拉斯公式(Jang J et al.,2004):孔徑大,毛管吸力小,發泡點值低,影響負壓條件下水分滲出;孔徑太小,水分移動太慢,影響滲水速率。所以從理論上看來,PVFM 泡沫材料作為負壓灌溉的滲水材料也是可行的,并且成本低韌性好不會碎,可以一次性大批量生產,對推動負壓灌溉技術發展有重要意義。

  1.6 研究目標

  本試驗通過設置原料配比制備出系列 PVFM 樣品,考察其負壓滲水性能來確定最優配方、反應條件以及較好的改良助劑,并將初步篩選出的一種 PVFM 樣品與現在使用的陶瓷滲水頭相比較,進一步證實 PVFM 作為負壓滲水器的可行性,以促進負壓灌溉技術的發展。

  1.7 研究內容

  1、原料配比對 PVFM 制備成負壓滲水材料的影響

  2、反應條件對 PVFM 制備成負壓滲水材料的影響

  3、不同助劑對 PVFM 制備成負壓滲水材料的影響

  4、不同規格對 PVFM 滲水器負壓滲水性能的影響

  1.8 技術路線

  針對研究目標與研究內容設計出如下技術路線。

圖 1.1 技術路線
圖 1.1 技術路線

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