毛潭　周幫平　張勇杰　張廣濤

【摘 要】提出了通過(guò)結(jié)合蓄水滲膜技術(shù)及3D打印快速成型技術(shù)設(shè)計(jì)制造滲灌滴頭的新思路?；谛钏疂B膜材料制備滲水纖維片實(shí)現(xiàn)可控緩釋水功能，滲水試驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)制造的滲灌滴頭具有良好的滲水性能。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)思路可以加快滲灌滴頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和修改，大大縮短滴頭的開(kāi)發(fā)周期和成本，為滲灌滴頭規(guī)格多樣化、產(chǎn)品系列化提供強(qiáng)有力的解決方案。

【關(guān)鍵詞】蓄水滲膜；滲灌；3D打印

0 引言

土地荒漠化已成為當(dāng)今全球最為嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一[1]。治理荒漠化的根本措施是恢復(fù)植被，而恢復(fù)植被的關(guān)鍵是土壤的水分條件[2]。經(jīng)過(guò)多年的努力，國(guó)內(nèi)外積累了豐富的防治荒漠化的理論與技術(shù)，如蓄水集水技術(shù)[3]、固體水技術(shù)[4]、保水劑蓄水技術(shù)[5]、容器育苗技術(shù)[6]和節(jié)水灌溉技術(shù)[7]等，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。我國(guó)目前應(yīng)用的節(jié)水灌溉技術(shù)主要包括噴灌、滴滲灌、微灌、覆膜灌溉等[8]。

近年來(lái)，蓄水滲膜技術(shù)作為節(jié)水灌溉新技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。蓄水滲膜材料是功能導(dǎo)水纖維與可降解友好樹(shù)脂復(fù)合而成的實(shí)現(xiàn)科學(xué)釋水的薄膜材料[9]，通過(guò)科學(xué)釋水的材料學(xué)設(shè)計(jì)解決荒漠化地區(qū)節(jié)水造林的難題。分子滲水和自調(diào)節(jié)土壤濕度的蓄水滲膜新材料技術(shù)，建立了維系植物正常生長(zhǎng)時(shí)根部需水規(guī)律與導(dǎo)水纖維功能化設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)性聯(lián)系，在荒漠化地區(qū)節(jié)水造林中已取得了顯著的成效[10]。

滲灌是將壓力水或者無(wú)壓力水以水分子的形式通過(guò)安裝在管道上的滲灌滴頭濕潤(rùn)土壤[11]。滲灌技術(shù)是一種地下微灌形式的灌溉技術(shù)，與其他治理荒漠化的技術(shù)相比，滲灌技術(shù)具有節(jié)水、節(jié)肥、省藥、生態(tài)效果明顯、系統(tǒng)運(yùn)行壓力低、耗能少、使用壽命長(zhǎng)、工作量少，成本低等優(yōu)點(diǎn)。滲灌技術(shù)中水的利用率可達(dá)到94%，是目前干旱沙漠缺水地區(qū)最好的節(jié)水灌溉方式之一。

滲灌滴頭是滲灌系統(tǒng)的核心部件，設(shè)計(jì)一種具有良好工作性能的滲灌滴頭會(huì)極大的提高系統(tǒng)的工作性能。但是滲灌滴頭的設(shè)計(jì)制造過(guò)程復(fù)雜多樣，國(guó)內(nèi)目前的滲灌滴頭的常用制作流程為：二維圖紙→模具設(shè)計(jì)→模具加工→注塑→實(shí)驗(yàn)→修改→定型。這樣的設(shè)計(jì)流程不僅周期長(zhǎng)，而且成本高，使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造方法無(wú)法快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的改進(jìn)或提高。因此，提出通過(guò)結(jié)合蓄水滲膜技術(shù)及3D打印快速成型技術(shù)[12]設(shè)計(jì)制造滲灌滴頭，既提高滲灌滴頭的使用性能，又實(shí)現(xiàn)滲灌滴頭的快速設(shè)計(jì)及試制，從而加快滲灌器材更新?lián)Q代的步伐。

1 滲灌滴頭的設(shè)計(jì)

滲灌滴頭的設(shè)計(jì)在性能上需滿(mǎn)足其滲水功能，即根據(jù)作物的生長(zhǎng)需水量定時(shí)定量地向土壤中滲水供給作物。因此要以水分子的形式滲水，從滲水管流入的水以水分子的形式流入土壤中，工作水頭一般為7-10米，過(guò)水流道直徑一般在0.3-4.0mm之間，出水流量在2-20L/h之間變化；另外還需出水均勻、穩(wěn)定，滲水管的壓力大則出水的速率高，滲灌滴頭必須能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)水流的大小，滿(mǎn)足水分的流速。因此，采用蓄水滲膜材料制備導(dǎo)水纖維片并內(nèi)嵌置滲灌滴頭中以滿(mǎn)足上述性能要求。此外，滲灌滴頭還應(yīng)堅(jiān)固耐用、價(jià)格低廉 ，整個(gè)滲灌系統(tǒng)也應(yīng)該嚴(yán)格控制制作成本，滿(mǎn)足滲灌滴頭的工程應(yīng)用，達(dá)到經(jīng)濟(jì)的目的。經(jīng)過(guò)多次計(jì)算，結(jié)構(gòu)修改，強(qiáng)度校核后設(shè)計(jì)滲灌滴頭的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

鑒于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法過(guò)于復(fù)雜，采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)制造滲灌滴頭將大大縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本。3D打印技術(shù)能夠把三維設(shè)計(jì)模型在幾個(gè)小時(shí)到幾天時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換成實(shí)體模型，然后再對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行測(cè)試、評(píng)估和修改，該設(shè)計(jì)模式可以加速設(shè)計(jì)研發(fā)效率，提高生產(chǎn)效率。

如圖2設(shè)計(jì)路線所示，結(jié)合蓄水滲膜技術(shù)及3D打印快速成型技術(shù)設(shè)計(jì)制造滲灌滴頭，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，利用3D打印技術(shù)加工出嵌入式滲灌滴頭原型，并安裝到模擬實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)滲水的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行觀察記錄，根據(jù)導(dǎo)水效果進(jìn)行對(duì)比分析進(jìn)一步完善，最終完成現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用。

根據(jù)滲灌滴頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，利用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模，如圖3所示。其工程圖如圖4所示。

2 滲灌滴頭的試制

2.1 滲水纖維片的制備

滲水纖維片的支撐材料采用堿液預(yù)處理后的尼龍纖維。復(fù)合調(diào)濕材料由高吸水性樹(shù)脂材料和無(wú)機(jī)材料復(fù)合而成。高吸水性樹(shù)脂材料選擇聚丙烯酰胺（PAM），無(wú)機(jī)材料選擇天然蒙脫土（MMT），分別制備成黏結(jié)劑PAM溶液與MMT懸浮液，采用溶液共混法以1∶250的比例配制成復(fù)合膠體溶液。將預(yù)處理后的支撐纖維放入導(dǎo)水膠體溶液中充分浸潤(rùn)后懸垂烘干，制備出具有導(dǎo)水功能的涂層纖維，將纖維裁切成纖維片。通過(guò)滲水纖維片，水分以水分子的形式緩慢釋放并作用于植物根部，以滿(mǎn)足植物生長(zhǎng)過(guò)程中所需的合理水分，能大大減少水分的地表蒸發(fā)及地下滲漏。

2.2 滲灌滴頭外殼的制備

用SolidWorks對(duì)滲灌滴頭外殼進(jìn)行三維實(shí)體造型后，進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到STL格式的數(shù)據(jù)文件。利用分層軟件依照所需精度要求對(duì)產(chǎn)品的STL文件進(jìn)行切片處理，得到切片數(shù)據(jù)載入加工設(shè)備的控制系統(tǒng)。外殼制備使用的設(shè)備為武漢賓湖機(jī)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司的HRPS-II型號(hào)3D打印機(jī)。該設(shè)備采用選擇性激光燒結(jié)法（SLS）的快速成形技術(shù)。激光束在計(jì)算機(jī)的控制下對(duì)光敏樹(shù)脂進(jìn)行掃描，激光軌跡為零件的各個(gè)分層的截面信息，光敏樹(shù)脂在激光經(jīng)過(guò)的地區(qū)發(fā)生了光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的薄層斷面。一層被固化后，工作臺(tái)下移一個(gè)層厚的距離，新的光敏樹(shù)脂由滾筒鋪覆到零件的表面，新的表面又會(huì)經(jīng)過(guò)激光的照射，產(chǎn)生新的一層零件表面粘合在前一層上，如此反復(fù)，直到整個(gè)零件成型。其特點(diǎn)為成型精度高，可達(dá)±0.1mm、表面質(zhì)量好，原材料的利用率高，能制造復(fù)雜度特別高，精細(xì)度特別好的零件。

3 試驗(yàn)分析

為得到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)投資少，低消耗的滲灌滴頭，需要進(jìn)行各種試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法。影響滲灌滴頭設(shè)計(jì)因素有兩個(gè)：滲灌滴頭流道的直徑及滲水纖維片的厚度。試制不同流道直徑的滲灌滴頭，內(nèi)嵌不同厚度的滲水纖維片，在實(shí)驗(yàn)室搭建試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試這兩種影響因素對(duì)滲水效果的影響。試驗(yàn)平臺(tái)采用沙箱模擬沙化地區(qū)，用帶刻度的導(dǎo)水管與不同參數(shù)的滲灌滴頭樣品相連，插入沙箱。室溫常壓條件下進(jìn)行滲水實(shí)驗(yàn)，每隔一段時(shí)間通過(guò)導(dǎo)水管上標(biāo)注刻度讀取并記錄液面下降的高度，統(tǒng)計(jì)分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在開(kāi)始滲水后，出現(xiàn)液面下降后，滲水的速度較為緩慢；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，液面下降的高度較大，表明在這個(gè)過(guò)程中滲水的速度加大；隨著時(shí)間推移，液面下降的高度逐漸減小，滲水的速度降低。隨著滲灌滴頭流道直徑的增加，滲水的速率會(huì)逐漸增大；隨著滲水纖維片厚度的增加，滲水速率也是不斷增加?？梢?jiàn)不同的流道寬度及滲水纖維片的厚度是影響滲水的速率的重要因素。由此我們可以根據(jù)不同的環(huán)境，不同的作物對(duì)水分的要求來(lái)設(shè)計(jì)滲灌滴頭，從而達(dá)到可控的導(dǎo)水速率和導(dǎo)水量。

4 結(jié)論與展望

傳統(tǒng)滲灌設(shè)備研制采用模具制作方式不僅耗材，而且周期長(zhǎng)、成本高、系列化難，嚴(yán)重制約著國(guó)內(nèi)滲灌器件的研制更新和產(chǎn)品系列化、品種多樣化。本文結(jié)合快速成型技術(shù)對(duì)滲灌滴頭的設(shè)計(jì)改型提出新思路：基于蓄水滲膜材料制備滲水纖維片，將其嵌入滲灌滴頭內(nèi)實(shí)現(xiàn)滲灌材料的可控緩釋水功能；滲水試驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)制造的滲灌滴頭具有良好的滲水性能，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的滲灌滴頭流道和纖維片厚度，可得到不同的導(dǎo)水速率和導(dǎo)水量，以滿(mǎn)足不同植物生長(zhǎng)所需的水分，從而應(yīng)用于滲灌技術(shù)達(dá)到節(jié)水的目的。該設(shè)計(jì)思路不僅加快了滲灌滴頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和修改，而且可直接加工出滲灌滴頭樣品，用于滲灌試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，從而大大縮短了滴頭的開(kāi)發(fā)周期和成本，為規(guī)格多樣化、產(chǎn)品系列化提供了強(qiáng)有力的解決方案。

基于蓄水滲膜材料及快速成型技術(shù)來(lái)制備地下滲灌管材，其實(shí)際利用效果還不夠成熟，實(shí)際的種植環(huán)境也更為復(fù)雜，許多問(wèn)題還需要深入研究，如滲灌滴頭導(dǎo)水速率的控制、如何有效防止滴頭堵塞等問(wèn)題，需要進(jìn)一步優(yōu)化制備方案，進(jìn)行更多實(shí)際環(huán)境的試驗(yàn)驗(yàn)證，從而使?jié)B灌技術(shù)及蓄水滲膜技術(shù)在沙漠治理方面發(fā)揮更好的作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]魏海燕，胡方彩.我國(guó)荒漠化的現(xiàn)狀及防治對(duì)策[J].貴州科學(xué)，2014，06：83-87.

[2]孫保平.荒漠化防治工程學(xué)[M].北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2000.

[3]張耀，張治來(lái)，柳忠勇.陜北地區(qū)節(jié)水抗旱造林實(shí)用技術(shù)的探討[J].陜西林業(yè)科技，2006，03：83-85.

[4]李升，王美蘭，張團(tuán)員.庫(kù)布齊沙漠防沙治沙固體水抗旱造林新技術(shù)[J].內(nèi)蒙古林業(yè)科技，2008，01：55-57.

[5]高占英.陜北干旱區(qū)采用抗旱造林技術(shù)措施及其成效分析[J].現(xiàn)代園藝，2014，02：169-170.

[6]趙健，于衛(wèi)平，白永強(qiáng)，等.沙旱生植物容器育苗技術(shù)[J].林業(yè)科學(xué)研究，2004，S1：100-104.

[7]逄煥成.我國(guó)節(jié)水灌溉技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析[J].中國(guó)土壤與肥料，2006，05：1-6.

[8]周春生，史海濱.節(jié)水灌溉技術(shù)研究綜述[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，04：314-320.

[9]李根柱，張?jiān)鲋?，韓海榮，張利梅.蓄水滲膜材料的研究及其應(yīng)用[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，03：390-396.

[10]譚敬，齊凱，張?jiān)鲋?，李根?蓄水滲膜材料在造林中的應(yīng)用研究[J].干旱區(qū)地理，2005，03：357-361.

[11]房振偉.滲灌技術(shù)的應(yīng)用[J].黑龍江水利科技，2008，06：184.

[12]郭振華，王清君，郭應(yīng)煥.3D打印技術(shù)與社會(huì)制造[J].寶雞文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，04：64-70.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]