CN104327201B - 一种应用于负压渗水器的聚乙烯醇缩甲醛 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于负压渗水器的聚乙烯醇缩甲醛。包括：平均分子量在1700～1800的聚乙烯醇、浓度为37％～40％的甲醛以及浓度为36％～38％的盐酸，聚乙烯醇、蒸馏水、甲醛的配比为1∶6.25～8.75∶0.5～1；在聚乙烯醇中加入蒸馏水，95℃以上水浴加热溶解，在完全溶解至透明糊状后，冷却降温至55℃，加入催化剂盐酸，采用机械发泡法，在设置的转速阈值下搅拌第一时间阈值后，加入甲醛，继续搅拌第二时间阈值后，倒入模具，并将模具置于55℃烘箱中固化第三时间阈值后，取出模具中固化的产品，置于碱液中浸泡进行中和，得到用于制作所述负压渗水器的聚乙烯醇缩甲醛。应用本发明，可以降低负压灌溉成本。

Description

一种应用于负压渗水器的聚乙烯醇缩甲醛

技术领域

本发明涉及负压灌溉技术，特别涉及一种应用于负压渗水器的聚乙烯醇缩甲醛(PVFM，Polyvinyl formal)。

背景技术

负压灌溉是一种应用于农业灌溉的新型节水灌溉方式，大量研究表明，负压灌溉可以增加作物产量并提高水分利用效率。在负压灌溉中，通过将负压渗水器与预装一定容量负压灌溉水的灌水器相连，并将该负压渗水器埋入土壤，使之与土壤紧密接触，利用作物耗水后产生的土壤吸力来实现对作物的灌溉，使得对作物的灌溉可以在负压情况下进行，从而避免灌溉水的浪费。由于负压渗水器的负压可根据作物不同生长阶段的需水特性以及土壤张力特性进行调节，可以实现作物对水分的连续自动获取，满足作物整个生育期水分供给，因而，负压灌溉技术在我国得到了逐步推广和应用。

目前，负压渗水器主要采用有机陶瓷制作成带有孔隙的陶瓷管布设在田间，但由于陶瓷管渗水器的有机陶瓷为脆性材料，韧性较差，在运输过程和安装过程中特别易碎，而且不同厂家、不同批次的产品之间性能差异较大，不利于标准化设计，而且由于性能的限制，每个陶瓷灌水器的长度有限，如果运用到田间，必须通过软管将它们一节一节地连接起来，工作量较大，实现负压灌溉的成本较高，不适宜在田间大面积推广，进而影响了负压灌溉技术的推广和应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种应用于负压渗水器的聚乙烯醇缩甲醛，降低负压灌溉成本。

为达到上述目的，本发明提供了一种应用于负压渗水器的聚乙烯醇缩甲醛，包括：平均分子量在1700～1800的聚乙烯醇、浓度为37％～40％的甲醛以及浓度为36％～38％的盐酸，其中，

所述聚乙烯醇(质量，单位克)、蒸馏水(体积，单位毫升)、甲醛(体积，单位毫升)的配比为1∶6.25～8.75∶0.5～1；

在聚乙烯醇中加入蒸馏水，95℃以上水浴加热溶解聚乙烯醇，在完全溶解至透明糊状后，冷却降温至55℃，加入催化剂盐酸，采用机械发泡法，在预先设置的转速阈值下搅拌预先设置的第一时间阈值后，加入甲醛，继续搅拌预先设置的第二时间阈值后，倒入模具，并将模具置于55℃烘箱中固化预先设置的第三时间阈值后，取出模具中固化的产品，置于碱液中浸泡以中和多余的催化剂盐酸以及甲醛，得到聚乙烯醇缩甲醛，并利用得到的所述聚乙烯醇缩甲醛制作所述负压渗水器。

较佳地，所述转速阈值为1500r/min，第一时间阈值为5min，第二时间阈值为5min，第三时间阈值为10h。

较佳地，所述聚乙烯醇、蒸馏水、甲醛的配比为1∶7.5∶0.75。

较佳地，所述负压渗水器壁厚10mm，内径10mm，长度为150mm。

较佳地，所述聚乙烯醇缩甲醛的表观密度为0.142g.cm^-3，吸水倍率为5.84，发泡点为65.3kPa，在-5kPa下对土壤供水速率为1.83×10^-3L/min，在-10kPa下对土壤供水速率为2.29×10^-4L/min，平均孔径为0.84μm。

较佳地，所述聚乙烯醇、蒸馏水、甲醛的配比为1∶6.25∶0.5。

较佳地，所述聚乙烯醇缩甲醛的表观密度为0.155g.cm^-3，吸水倍率为5.14，发泡点为46.6kPa，在-5kPa下对土壤供水速率为1.94×10^-3L/min，在-10kPa下对土壤供水速率为1.83×10^-4L/min。

较佳地，所述聚乙烯醇、蒸馏水、甲醛的配比为1∶8.75∶1。

较佳地，所述聚乙烯醇缩甲醛的表观密度为0.126g.cm^-3，吸水倍率为7.04，发泡点为44.6kPa，在-5kPa下对土壤供水速率为1.96×10^-3L/min，在-10kPa下对土壤供水速率为1.77×10^-4L/min。

由上述的技术方案可见，本发明提供的一种应用于负压渗水器的聚乙烯醇缩甲醛，利用聚乙烯醇缩甲醛具有的微孔可调性、高亲水性、以及高韧性等特性，按照聚乙烯醇(质量，单位克)、蒸馏水(体积，单位毫升)、甲醛(体积，单位毫升)的配比1∶6.25～8.75∶0.5～1进行缩醛化反应，得到用于制作负压渗水器的聚乙烯醇缩甲醛，使得负压渗水器在土壤压力作用下不易破碎，从而减少维护和更换埋入田间土壤的负压渗水器的次数，可以有效降低负压灌溉成本，适宜在田间大面积推广和应用。

附图说明

图1为本发明实施例不同原料配比的聚乙烯醇缩甲醛的进气值与渗水速率示意图。

图2为本发明实施例编号为4和5的聚乙烯醇缩甲醛的进气值与渗水速率示意图。

图3为本发明实施例编号为1的聚乙烯醇缩甲醛的孔容积/孔径分布示意图。

图4为本发明实施例编号为5的聚乙烯醇缩甲醛的孔容积/孔径分布示意图。

图5为本发明实施例编号为9的聚乙烯醇缩甲醛的孔容积/孔径分布示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

现有的负压渗水器(管)，主要采用有机陶瓷制作，由于需要将负压渗水器埋入土壤，而由于有机陶瓷为脆性材料，韧性较差，在土壤压力作用下易碎，需要经常进行维护和更换，使得实现负压灌溉的成本较高，不适宜在田间大面积推广。

对于负压灌溉，负压下对土壤的供水速率是衡量负压灌溉系统性能优劣的一个重要指标。因而，本发明实施例中，提出一种负压下对土壤的供水速率较快、且脆性较小的材料替换目前的有机陶瓷，用以制作负压渗水器，从而减少维护和更换埋入田间土壤的负压渗水器的次数，以有效降低负压灌溉成本。

聚乙烯醇缩甲醛作为一种泡沫塑料，是由英国维尔特克斯公司于1945年研制的一种以聚乙烯醇(PVA，Polyvinyl Alcohol)和甲醛为原料，经缩醛化而成的高分子材料，该聚乙烯醇缩甲醛密度1.2，软化点约190℃，热变型温度65℃～75℃，吸水率约1％。

由于聚乙烯醇缩甲醛具有热塑性、微孔可调性、高亲水性、高韧性、化学稳定性及生物稳定性好等优点，目前被广泛应用到清洁美容行业、医疗卫生行业、环保及生物载体、包装材料、电学电解等领域的研磨材料、胶粘剂、电气绝缘材料。

本发明实施例中，利用聚乙烯醇缩甲醛具有的微孔可调性、高亲水性、以及高韧性等特性，将其应用于负压灌溉领域，作为制备负压渗水器的材料以替换有机陶瓷。

本发明实施例提出的应用于负压渗水器的聚乙烯醇缩甲醛，包括：平均分子量在1700～1800的聚乙烯醇(PVA)、浓度为37％～40％的甲醛以及浓度为36％～38％的盐酸，其中，

在聚乙烯醇中加入蒸馏水，95℃以上水浴加热溶解聚乙烯醇，在完全溶解至透明糊状后，冷却降温至55℃，加入催化剂盐酸，采用机械发泡法，在预先设置的转速阈值下搅拌预先设置的第一时间阈值后，加入甲醛，继续搅拌预先设置的第二时间阈值后，倒入模具，并将模具置于55℃烘箱中固化预先设置的第三时间阈值后，取出模具中固化的产品，置于碱液中浸泡以中和多余的催化剂盐酸以及甲醛，得到聚乙烯醇缩甲醛，并利用得到的所述聚乙烯醇缩甲醛制作所述负压渗水器。

本发明实施例中，举例来说，以称取20克聚乙烯醇为例，将称取的20克聚乙烯醇放入三口烧瓶中，加入一定量蒸馏水，采用95℃以上水浴加热溶解聚乙烯醇，较佳地，在水浴加热期间，还可利用搅拌机进行低速搅拌，以加速聚乙烯醇的溶解。

在水浴加热的聚乙烯醇完全溶解至透明糊状后，冷却降温至55℃，加入催化剂浓盐酸10ml，采用机械发泡法，在1500转/分钟(r/min)转速下搅拌约5min，加入甲醛，继续搅拌约5min，倒入模具，并在55℃烘箱中固化10小时(h)，最后取出固化的产品，并置于碱液中浸泡，以中和多余盐酸和甲醛。其中，转速阈值为1500r/min，第一时间阈值为5min，第二时间阈值为5min，第三时间阈值为10h。当然，实际应用中，转速阈值、第一时间阈值、第二时间阈值以及第三时间阈值也可根据实际需要进行设置，例如，可以将转速阈值设置为1200r/min等。

本发明实施例中，经过试验研究表明，各原料配比(聚乙烯醇∶蒸馏水∶甲醛)影响得到的聚乙烯醇缩甲醛的微孔结构，而聚乙烯醇缩甲醛的微孔结构和进气值与负压渗水性能密切相关：孔径大，毛管吸力小，进气值低，影响负压条件下水分渗出；孔径小，水分移动速度较慢，影响渗水速率。因此，本发明实施例中，通过调节原料配比制备出系列聚乙烯醇缩甲醛，作为负压渗水器制作的材料，并结合其渗水性能和微孔结构，筛选出制备负压渗水器的聚乙烯醇缩甲醛中各原料的最佳配比，从而为负压灌溉提供新的不易破碎的负压渗水材料，降低成本并达到高效节水的目的。

作为可选实施例，本发明实施例中，聚乙烯醇(质量，单位克)、蒸馏水(体积，单位毫升)、甲醛(体积，单位毫升)的配比为：1∶6.25～8.75∶0.5～1。

以下以将聚乙烯醇比例设为1，蒸馏水按照比例梯度1.25设置三个水平，分别为6.25、7.50、8.75，甲醛按照比例梯度0.25设置三个水平，分别为0.50、0.75、1.00为例，对制成的聚乙烯醇缩甲醛的性能进行说明。本发明实施例中，采用完全试验设计，各试验的原料配比如表1所示，制成工艺与条件均相同。其中，聚乙烯醇(PVA)以质量计，单位克(g)，水和甲醛以体积计，单位毫升(ml)。

表1

在制成得到聚乙烯醇缩甲醛后，按国家标准UDC GB6343-86(等同于国际标准ISO845-1977)，对聚乙烯醇缩甲醛进行性能测试。

本发明实施例中，聚乙烯醇缩甲醛的性能测试包括：表观密度、吸水倍率、发泡点、渗水速率、真密度、孔隙率、开孔率以及孔径分布，其中，

聚乙烯醇缩甲醛表观密度的计算公式如下：

式(1)中，

ρ为聚乙烯醇缩甲醛密度(g/cm³)；

m为聚乙烯醇缩甲醛质量(g)；

V为聚乙烯醇缩甲醛体积(cm³)

吸水倍率按轻工部标准SG232-8l进行测试，公式如下：

式(2)中，

ω为聚乙烯醇缩甲醛吸水倍率；

G₁为聚乙烯醇缩甲醛吸水前质量；

G₂为聚乙烯醇缩甲醛吸水后质量。

发泡点测试：将制成的聚乙烯醇缩甲醛完全没入水中，用水饱和聚乙烯醇缩甲醛中的所有孔隙后，取出聚乙烯醇缩甲醛，利用BHLM-M18型无油真空泵抽气，记录无油真空泵内刚好有气泡出现时的最大压强，即为发泡点(进气值)。

本发明实施例中，在负压条件下，聚乙烯醇缩甲醛的发泡点(进气值)的绝对值越高越好。

渗水速率，用于表征不同负压下对风干土壤的供水速率。本发明实施例中，将不同原料配比得到的聚乙烯醇缩甲醛制成壁厚10mm、内径10mm、长度150mm的空心管，空心管的一端封闭，将一端封闭的空心管与有刻度的马氏瓶连接后，将该空心管埋入容重为1.44g/cm³的风干土中进行土柱试验，调节马氏瓶供水水头高度，使负压控制在-5kPa和-10kPa，分别记录在两小时内的累积渗水量，将累积渗水量除以两小时，得到两小时内的平均渗水速率，作为聚乙烯醇缩甲醛在-5kPa和-10kPa下的渗水速率。

较佳地，负压下的渗水速率越快越好。

当然，实际应用中，还可以测试不同水势差下的渗水速率。具体来说，将由聚乙烯醇缩甲醛制成的空心管与有刻度的马氏瓶连接，且空心管保持水平放置，通过调节空心管与马氏瓶的高度差，用以控制水势差，分别记录1kPa～10kPa水势差下，每分钟由空心管流出的水量，对于每一水势差，重复测量3次，3次的平均值为该水势差下的渗水速率。

开孔率为聚乙烯醇缩甲醛内部与外界相通的孔隙体积占聚乙烯醇缩甲醛总体积的百分率。

真密度为聚乙烯醇缩甲醛质量与不含孔隙的聚乙烯醇缩甲醛体积的比值。

本发明实施例中，真密度、开孔率均由真密度测试仪根据气体膨胀置换法原理测定，在此略去详述。

根据表观密度与真密度，可以得到孔隙率，孔隙率计算公式如下：

式中，

P为孔隙率；

ρ₀为表观密度；

ρ为真密度。

孔径分布，运用全自动孔径分析仪依据压汞法(ISO 15901)原理，对真空冷冻干燥后的聚乙烯醇缩甲醛进行孔径及比表面积的分析测试。

表2为不同原料配比对合成的聚乙烯醇缩甲醛外观的影响。

表2

对于埋入土壤的负压渗水器而言，为了有效减少负压渗水器的维护和更换，降低负压灌溉的成本，要求制作负压渗水器的材料具有较好的韧性和硬度。因而，由表2可以看出，9种配比均能制备出成型的聚乙烯醇缩甲醛材料，但软硬、弹性、韧性稍有差异。较佳地，优先选用编号为1、2、3、5、6、9配比制成的聚乙烯醇缩甲醛。

依据9个配比分别制得壁厚10mm，内径10mm，长度为150mm的聚乙烯醇缩甲醛空心管(负压渗水器)，与负压渗水装置连接后，将其埋入容重为1.44g.cm^-3的风干土中，调节高度差使水压控制在-5kPa和-10kPa，记录在两个压强下单位时间内的渗水量，即在土壤中的渗水速率或对土壤供水速率，并用无油真空泵抽气，测量发泡点(进气值)，结果如表3。

表3为对应于表1，测试得到的聚乙烯醇缩甲醛表观密度、吸水倍率、发泡点以及对土壤供水速率(渗水速率)的结果。

表3

本发明实施例中，对于表观密度，如果表观密度大，表明材料强度大，其内部孔隙少，不利于水分吸入；但如果表观密度过小，虽然可有效增加材料内部孔隙的总体积，但可能会有单独的大孔隙出现，使得材料耐负压的性能降低。

吸水倍率越高，说明材料内部孔隙连通越好，开孔效果好，亲水性好，更容易将水分转移到土壤中。

表3结果表明，当聚乙烯醇与甲醛的比例为1∶0.50时，表观密度在水(蒸馏水)比例为7.50时最大，6.25时次之，8.75时最小；而吸水倍率在水比例为8.75时最大，6.25时次之，7.50时最小；

当聚乙烯醇与甲醛的比例为1∶0.75时，表观密度在水比例为6.25时最大，7.50时次之，8.75时最小，而吸水倍率在水比例为8.75时最大，7.50时次之，6.25时最小；

当聚乙烯醇与甲醛的比例为1∶1.00时，表观密度在水的比例为7.50时最大，6.25时次之，8.75时最小，吸水倍率在水的比例为8.75时最大，7.50时次之，6.25时最小。

可见，当PVA：甲醛的比例保持在1∶0.50～1∶1.00之间的某个值不变时，表观密度总在水的比例为8.75时达到最低水平，而吸水倍率达到最高。

当聚乙烯醇与水的比例为1∶6.25时，表观密度在甲醛比例为0.75时最大，比例为1.00的次之，比例为0.50的最小，而吸水倍率在甲醛比例为0.50的最大，1.00的次之，0.75的最小；

当聚乙烯醇与水的比例为1∶7.50时，表观密度在甲醛比为例1.00时最大，0.50时次之，0.75时最小，而吸水倍率在甲醛比例为0.75时最大，1.00时次之，0.50时最小；

当聚乙烯醇与水的比例为1∶8.75时，表观密度以甲醛比例0.50时最大，0.75时次之，1.00时最小，而吸水倍率以甲醛比例1.00时最大，0.75时次之，0.50时最小。

可见，当聚乙烯醇与水的比例保持1∶6.25～1∶8.75之间的某个值时，甲醛比例在0.50～1.00之间的变化并未使表观密度、吸水倍数呈现规律性变化，说明甲醛对表观密度、吸水倍数的影响不大，二者的变化可能与水和甲醛的交互作用有关。

表4为蒸馏水比例与聚乙烯醇缩甲醛表观密度、吸水倍率、发泡点以及对土壤供水速率(渗水速率)的结果。

表4

表4中，当水的比例为8.75时，表观密度最小，吸水倍率最大，均达到显著水平。说明提高水比例可以明显降低表观密度以及提高吸水倍率。由于优良的负压渗水材料，要求密度适宜，吸水倍率较高，因而，较佳地，编号为1、5、8、9对应的聚乙烯醇缩甲醛为制作负压渗水器较好的材料。

此外，由表3可以看出，9种聚乙烯醇缩甲醛的发泡点差异较大，其中，聚乙烯醇、水、甲醛配比为1∶8.75∶0.50、对应编号为7的聚乙烯醇缩甲醛发泡点最低，为26.7kPa，配比为1∶7.50∶0.50、对应编号为4的聚乙烯醇缩甲醛最高，为73.3kPa。

当聚乙烯醇与甲醛的比例为1∶0.50时，发泡点在水比例为7.50时最大，6.25时次之，8.75时最小；

当聚乙烯醇与甲醛的比例为1∶0.75时，发泡点在水比例为7.50时最大，6.25时次之，8.75时最小；

当聚乙烯醇与甲醛的比例为1∶1.00时，发泡点在水比例为7.50时最大，8.75时次之，6.25时最小。

可见，当聚乙烯醇与甲醛的比例保持在1∶0.50～1∶1.00之间的某个值不变时，发泡点均在水的比例7.50时最大。参见表4，发泡点在水的比例为7.50时，发泡点达到最高水平，且与水比例8.75间差异显著，说明水量过高不利于发泡点的提升。

当聚乙烯醇与水的比例为1∶6.25时，发泡点在甲醛比例为0.75时最大，比例为0.50的次之，比例为1.00的最小；

当聚乙烯醇与水的比例为1∶7.50时，发泡点在甲醛比为例0.50时最大，0.75时次之，1.00时最小；

当聚乙烯醇与水的比例为1∶8.75时，发泡点以甲醛比例1.00时最大，0.75时次之，0.50时最小。可见，当聚乙烯醇与水的比例保持1∶6.25～1∶8.75之间的某个值时，甲醛比例在0.50～1.00之间的变化并未使发泡点呈现规律性变化，说明甲醛对发泡点没有明显影响，因而，单独增加甲醛量，既不利于产品耐负压，也不利于提高产品的渗水性，且从环保角度分析，甲醛用量也不宜过多。

对于渗水速率(对土壤供水速率)，当聚乙烯醇与甲醛的比例为1∶0.50时，-5kPa下对风干土壤的供水速率在水比例为8.75时最大，6.25时次之，7.50时最小；而-10kPa下对风干土壤的供水速率在水比例为8.75时最大，6.25时次之，7.50时最小；

当聚乙烯醇与甲醛的比例为1∶0.75时，-5kPa下对风干土壤的供水速率在水比例为8.75时最大，6.25时次之，7.50时最小，而-10kPa下对风干土壤的供水速率在水比例为8.75时最大，7.50时次之，6.25时最小；

当聚乙烯醇与甲醛的比例为1∶1.00时，-5kPa下对风干土壤的供水速率在水的比例为8.75时最大，6.25时次之，7.50时最小，-10kPa下对风干土壤的供水速率在水的比例为7.50时最大，6.25时次之，8.75时最小。

可见，当聚乙烯醇与甲醛的比例保持在1∶0.50～1∶1.00之间的某个值不变时，仅-5kPa下的供水速率表现为水比例为8.75时最大，7.50时最小，-10kPa下供水速率不随水比例呈现规律性变化，说明水比例的改变仅对-5kPa下的供水速率有一定影响。参见表4，在-5kPa下水的比例8.75时，对土壤的供水速率达到最高水平，且与7.50间差异显著，-10kPa下水的比例对供水速率无显著影响。

当聚乙烯醇与水的比例为1∶6.25时，-5kPa下对风干土壤的供水速率在甲醛比例为0.50时最大，比例为0.75的次之，比例为1.00的最小，而-10kPa下对风干土壤的供水速率在甲醛比例为1.00的最大，0.50的次之，0.75的最小；

当聚乙烯醇与水的比例为1∶7.50时，-5kPa下对风干土壤的供水速率在甲醛比为例0.75时最大，1.00时次之，0.50时最小，而-10kPa下对风干土壤的供水速率在甲醛比例为1.00时最大，0.75时次之，0.50时最小；

当聚乙烯醇与水的比例为1∶8.75时，-5kPa下对风干土壤的供水速率以甲醛比例0.75时最大，0.50时次之，1.00时最小，而-10kPa下对风干土壤的供水速率以甲醛比例0.75时最大，0.50时次之，1.00时最小。可见，当聚乙烯醇与水的比例保持1∶6.25～1∶8.75之间的某个值时，甲醛比例在0.50～1.00之间的变化并未使供水速率呈现规律性变化，说明甲醛对负压下PVFM对土壤的供水速率无明显影响。

图1为本发明实施例不同原料配比的聚乙烯醇缩甲醛的进气值与渗水速率示意图。

图2为本发明实施例编号为4和5的聚乙烯醇缩甲醛的进气值与渗水速率示意图。

参见图1和图2，本发明实施例中，考虑到高发泡点是筛选负压渗水材料的先决条件，因而，观测聚乙烯醇缩甲醛材料在内外水势差不同时的渗水速率，并选择发泡点最高的编号为4号与次之的编号为5的聚乙烯醇缩甲醛进行比较。

由图1和图2可以看出，编号为4的聚乙烯醇缩甲醛在1～10kPa水势差下的渗水速率(Water exudation rate)的变化趋势为一条过原点的多项式曲线y＝0.0013x²+0.006x(R²＝0.9943)，随着水势差(water potential difference)的不断增大，渗水速率的变化幅度也在不断增大，可能是由于压力增大，泡孔扩张，渗流量增加所致。但在水势差较小的初始阶段，其渗水速率缓慢，1kPa时仅为0.0073L/min。

编号为5的聚乙烯醇缩甲醛在不同水势差下的渗水速率呈线性变化，趋势为一条过原点的直线y＝0.0165x(R²＝0.9824)，斜率反映该材料的渗透系数，即饱和导水率。由聚乙烯醇缩甲醛材料厚度1cm、内表面积36.895cm²，计算可得饱和导水率为7.45×10^-4cm/s，渗水速率较快。因而，当采用本发明实施例的设计规格时，仅水势差1kPa下即可达到0.0165L/min，是编号为4的聚乙烯醇缩甲醛的渗水速率的2.26倍。

对于真密度、孔隙率、开孔率以及孔径分布特性，由前述不同比例对负压渗水性能影响的比较可以看出，水的比例对产品表观密度、吸水倍率、发泡点、渗水速率的影响较甲醛显著，表5为渗水速率较快的编号为1、5、9的聚乙烯醇缩甲醛结果。

表5

表5中，随着水比例的增大，孔隙率、开孔率以及比表面积均逐渐增大，说明孔隙较多、开孔率高的，比表面积较大，水量多，使得聚乙烯醇的羟基可以充分展开，可以缩合的甲醛数增多，缩醛度越高，形成的三位网络结构越复杂，缩合相对较为充分，因此孔隙率和开孔率相对较高。而从平均孔径和真密度来看，5号平均孔径最小，但真密度却最大，说明在普通的自然干燥过程中，随着水分的散失，材料发生一定程度的形变，使很多微小孔隙缩小甚至闭合，导致真密度相对增大，由于1号平均孔径较大，水分的散失不至于引起太大的形变而使微孔闭合，因此1号的真密度较小；真密度大的交联而成的网状骨架丰富，可以起到一定的支撑作用，提高强度。

综合分析，9号与5号开孔率较高、平均孔径小、比表面积大，且均与1号相差较大，说明交联剂甲醛的用量直接影响到交联程度，从而间接影响孔隙结构。在一定程度内提高甲醛、水与PVA的比例，有助于促进交联，

从而提高开孔率和比表面积，缩小孔径，以保持较好的渗水性能。

图3为本发明实施例编号为1的聚乙烯醇缩甲醛的孔容积/孔径分布示意图；

图4为本发明实施例编号为5的聚乙烯醇缩甲醛的孔容积/孔径分布示意图；

图5为本发明实施例编号为9的聚乙烯醇缩甲醛的孔容积/孔径分布示意图。

参见图3～图5，由1、5、9号三个样品的孔容积(pore volum)/孔径(porediameter)分布图可以看出，三种配比下的样品孔径均为微米级别，且在不同孔径范围内出现峰值。1号样品的孔径在8μm～17μm处出现一最高峰值，孔径在12.8μm处有最大的孔容百分率为1.42％，在1μm～5μm处出现次高峰，孔径在3.87μm处有次大孔容百分率，为0.49％。

5号样品孔径在1.5μm～5.5μm范围内出现峰值，即该孔径范围内的孔隙数目最多，最多孔的孔容积可达3.12cc/g，孔径在9μm～100μm范围内的孔隙也有一定数量的存在，但较少，孔容积最高也仅为0.382cc/g。

9号样品孔径在0.5μm～5.5μm和8μm～38μm处各有一个峰值，孔容积最高可达1.96cc/g和1.79cc/g，100μm左右的孔虽占有一定数量，但较小，最高孔容积仅达0.345cc/g。

由此看出，5号样品的孔径分布最为集中，且孔径较小，毛管吸力作用强，可以保证较高的发泡点以及较好的渗水性；9号样品虽然以小孔居多，但分布不均匀，100μm以上的大孔仍然占有相当比例，这就导致发泡点的降低。1号样品的两个峰间隔较小，孔径整体主要分布在1μm～17μm，较为均匀，也能保持一定的发泡点和相当的渗水量。

实际应用中，当负压渗水器的水势大于土水势时，水通过负压渗水器流入土壤，当负压渗水器的水势等于土水势时，水就不再流动，直至土水势发生改变。因而，本发明实施例中，要求用于制作负压渗水器的聚乙烯醇缩甲醛材料透水不透气，发泡点要高于需要设置的土水势值，这样，才可以有效避免倒吸，使空气进入负压渗水器内部。对于化学成分确定的材料，直接影响发泡点的是材料孔径大小，当孔隙小、相互联通且均匀时，发泡点高。本发明实施例中，制作的负压渗水材料(聚乙烯醇缩甲醛)以小孔径为主，大孔径为辅，发泡点在26.7～73.3kPa，可以满足目前负压灌溉技术对发泡点的需求，例如，对于聚乙烯醇∶水∶甲醛为1∶7.50∶0.75的聚乙烯醇缩甲醛(5号产品)，平均孔径12.5μm，发泡点为65.3kPa，可以满足普遍作物对土水势的需求。

同时，对于负压灌溉技术，负压渗水器不仅需要具有较高的发泡点，还需有较高的渗水速率。

表6为我国华北平原夏玉米、冬小麦以及新疆棉花的耗水量和蒸散量示意。

表6

通过表6，可以分别估算出夏玉米、冬小麦、棉花每平方米的耗水速率大约为2.03×10^-3L/min、1.27×10^-3L/min、2.78×10^-3L/min。由于作物蒸散使土水势降低，势必与负压渗水器内水势产生一个水势差，假设水势差达到1kPa时，水才开始由负压渗水器流入土壤。本发明实施例中，对于编号为5的聚乙烯醇缩甲醛制作的负压渗水器，在1kPa下，渗水速率为0.0165L/min，理论上可以满足5m²以下玉米、冬小麦、棉花的水分需求。因而，当作物吸水而导致土水势降低时，该材料制作的负压灌水器可以迅速补充土壤水分，重新达到作物适宜土水势，以满足作物耗水需要。

由上述可见，本发明实施例的应用于负压渗水器的聚乙烯醇缩甲醛，利用聚乙烯醇缩甲醛具有的微孔可调性、高亲水性、以及高韧性等特性，通过不同配比的试验，分析并总结出减少水量可以提高产品的密度，增加水量可以提高吸水倍率，水比例为7.50或甲醛比例为0.75时，产品发泡点均会达到较高水平，用量过低或过高都会使发泡点下降；确定最佳配比制作聚乙烯醇缩甲醛，即聚乙烯醇、水、甲醛三种原料配比为1∶6.25∶0.5(1号)、1∶7.5∶0.75(5号)、1∶8.75∶1(9号)的三种配比制作的聚乙烯醇缩甲醛，孔径在几微米到十微米，小孔居多且分布集中，产品有较高的发泡点(进气值)，在负压-5kPa、-10kPa下有较高的渗水速率，满足负压渗水条件，可用作负压渗水材料。其中，配比1∶7.5∶0.75(5号)制成的聚乙烯醇缩甲醛，平均孔径最小，为0.84μm，进气值为70.638kPa，-5kPa下的渗水速率为1.83×10^-3L/min，-10kPa下的渗水速率为2.29×10^-4L/min，均居于较高水平，属于最佳配比，并利用最佳配比制成的聚乙烯醇缩甲醛作为制备负压渗水器的材料，使得负压渗水器在土壤压力作用下不易破碎，从而减少维护和更换埋入田间土壤的负压渗水器的次数，以有效降低负压灌溉成本，适宜在田间大面积推广和应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种应用于负压渗水器的聚乙烯醇缩甲醛，其特征在于，制作聚乙烯醇缩甲醛的原材料包括：平均分子量在1700～1800的聚乙烯醇、浓度为37％～40％的甲醛、浓度为36％～38％的盐酸、以及蒸馏水，其中，

所述聚乙烯醇的质量克、蒸馏水的体积毫升、甲醛的体积毫升的配比为1∶7.5∶0.75；

在聚乙烯醇中加入蒸馏水，95℃以上水浴加热溶解聚乙烯醇，在完全溶解至透明糊状后，冷却降温至55℃，加入催化剂盐酸，采用机械发泡法，在预先设置的转速阈值下搅拌预先设置的第一时间阈值后，加入甲醛，继续搅拌预先设置的第二时间阈值后，倒入模具，并将模具置于55℃烘箱中固化预先设置的第三时间阈值后，取出模具中固化的产品，置于碱液中浸泡以中和多余的催化剂盐酸以及甲醛，得到聚乙烯醇缩甲醛，并利用得到的所述聚乙烯醇缩甲醛制作所述负压渗水器，用于制作负压渗水器的聚乙烯醇缩甲醛材料透水不透气，发泡点要高于需要设置的土水势值，渗水速率大于作物每平方米的耗水速率，所述负压渗水器壁厚10mm，内径10mm，长度为150mm；

所述转速阈值为1500r/min，第一时间阈值为5min，第二时间阈值为5min，第三时间阈值为10h；

所述聚乙烯醇缩甲醛的表观密度为0.142g.cm^-3，吸水倍率为5.84，发泡点为65.3kPa，在-5kPa下对土壤供水速率为1.83×10^-3L/min，在-10kPa下对土壤供水速率为2.29×10^{- 4}L/min，平均孔径为0.84μm。