CN106145912B - 一种微孔陶瓷灌水器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微孔陶瓷灌水器及其制备方法，该方法以石英砂、滑石粉、糊精和硅溶胶为主要原料，通过原料筛选、混料、模压成型与干燥、烧结和打磨等工艺制备。制得的为管间式微孔陶瓷灌水器，结构简单，制备方便，灌水器与毛管相连，埋入地下进行无压连续灌溉，较常规地下滴灌，能耗大幅度降低，且灌水器出流与土水势相耦合，可根据作物需求自动调控土壤水分，具有主动灌溉的特点。因避免了负压吸泥和根系入侵，可有效解决长期制约地下滴灌技术推广应用难题——灌水器严重堵塞问题，特别适用于蔬菜花卉灌溉。

Description

一种微孔陶瓷灌水器及其制备方法

技术领域

本发明属于旱区农业节水灌溉技术领域，特别涉及一种微孔陶瓷灌水器及其制备方法。

背景技术

地下滴灌是将毛管和灌水器埋入地下，直接将灌溉水流输送到作物根系区，供作物吸收利用。与地表滴灌相比，地下滴灌可进一步减少地表无效蒸发，改善作物根区生长环境，提高水分利用效率，方便田间管理，延长毛管使用寿命。尽管地下滴灌具有地表滴灌无可比拟的优势，但仍存在明显的缺陷，迄今为止，地下滴灌堵塞问题仍未完全解决。与地表滴灌不同的是，地下滴灌堵塞的发现及维修都十分困难，堵塞是制约地下滴灌技术大面积推广应用的一个关键问题。引起地下滴灌堵塞的原因比较复杂，除了地表滴灌常见的物理、化学和生物堵塞外，负压吸泥和根系入侵也可能带来灌水器的堵塞。为了防止泥沙和根系堵塞灌水器出口，专利“一种内镶贴片式紊流流道地下灌水器”(申请号：201020154777.0)、“一种抗堵塞地下灌水器”(申请号：201120369924.0)和“一种防堵塞的地下灌水器”(申请号：201420248391.4)，公开了三种先进的地下抗堵灌水器，这三种灌水器均是通过在灌水器出口设置舌片、封堵垫片或防堵芯，来阻止泥沙和根系进入出水口，从而实现灌水器抗堵目的。但是这三种灌水器均为塑料材质，且结构较为复杂，在注塑成型时，受原料和注塑工艺等因素的影响，制造难度较大，严重影响灌水器制造精度。另外，传统地下滴灌灌水器工作压力较高，一般为10m，能耗较大，系统运行费用较高，进而对其推广应用产生影响。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种微孔陶瓷灌水器及其制备方法，该方法以石英砂、滑石粉、糊精和硅溶胶为主要原料，通过原料筛选、混料、模压成型与干燥、烧结和打磨等工艺制备灌水器。制备的灌水器结构简单，与毛管相连，直接埋入地下，可根据作物需求自动调控土壤水分，进行无压连续灌溉，且不易堵塞，特别适用于蔬菜花卉灌溉。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种微孔陶瓷灌水器的制备方法，制备原料包括骨架材料、烧结助剂、粘接改良剂和粘接剂，所述的骨架材料为石英砂，烧结助剂为滑石粉，粘接改良剂为糊精，粘接剂为硅溶胶，将上述制备原料混合模压成型后经烧结得到微孔陶瓷灌水器。

具体的，所述的制备原料按质量百分比计，石英砂为50％～70％、滑石粉为20％～40％、糊精为5％和硅溶胶为5％，制备原料的百分比总和为100％。

更具体的，所述的烧结温度为1200～1300℃，烧结时间为4h。

还有，所述的石英砂的粒径为150～300目。

进一步的，所述的制备原料混合包括先将石英砂、滑石粉和糊精混合得到混合粉体，再将硅溶胶加入混合粉体中在200r/min的转速下球磨10h，得到模压成型的粉料。

一种微孔陶瓷灌水器，该微孔陶瓷灌水器采用所述的微孔陶瓷灌水器的制备方法制备得到。

具体的，所述的微孔陶瓷灌水器为管间式微孔陶瓷灌水器，管间式微孔陶瓷灌水器为两端带有嵌入式安装口的管体，使用时，通过管间式微孔陶瓷灌水器两端的嵌入式安装口与地下的输水管连通。

更具体的，所述的管间式微孔陶瓷灌水器的长度L为70mm，管间式微孔陶瓷灌水器的内径φ₁为16mm，管间式微孔陶瓷灌水器的外径φ₃为30mm，两端的嵌入式安装口的直径φ₂为20mm，嵌入式安装口的深度d为5mm。

另外，所述的管间式微孔陶瓷灌水器利用模具模压成型进行制备，所述的模具包括外筒、底座和内芯，外筒的一端和内芯的一端同轴嵌套在底座上，内芯与外筒形成浇筑空间。

本发明的优点为：

本发明制备的用于地下无压灌溉的管间式微孔陶瓷灌水器，不同于之前的滴灌灌水器，由于灌水器是利用陶瓷微孔进行渗流灌溉，能有效防止负压吸泥和根系入侵，具有较好的抗堵能力；管间式微孔陶瓷灌水器出流与土水势相耦合，可根据作物需求自动调控土壤水分，当作物根区土壤含水量达到一定程度后，灌水器即停止工作，不再向土壤中供水，当根区土壤水分被作物吸收利用降低到一定程度后，灌水器又自动渗流向土壤中供水，具有主动连续灌溉的特点；由于管间式微孔陶瓷灌水器工作压力为0m，属无压灌溉，较传统地下滴灌灌水器10m的工作压力，能耗大大降低，具有节能的特点。

附图说明

图1为本发明的微孔陶瓷灌水器的剖视图；

图2为图1的左视图；

图3为制备本发明的微孔陶瓷灌水器的外筒模具剖面图；

图4为制备本发明的微孔陶瓷灌水器的底座模具剖面图；

图5为制备本发明的微孔陶瓷灌水器的内芯模具剖面图；

图6为本发明的微孔陶瓷灌水器使用结构示意图；

图7为管间式微孔陶瓷灌水器在土壤中的出流量随时间的变化关系图；

图8为实施例二中的灌水器在空气中的流量随时间变化关系图；

图9为实施例一制备出的灌水器在空气中的流量随时间变化关系图；

图中标记的分别表示：1-管间式微孔陶瓷灌水器、2-输水管；

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明的微孔陶瓷灌水器的制备方法，具体包括下列步骤：

(1)原料筛选：选取石英砂、滑石粉、糊精和硅溶胶为制备微孔陶瓷灌水器的主要原料。为避免石英砂颗粒中有其他可溶性物质干扰，对石英砂颗粒进行筛选，选取150～300目之间的石英砂颗粒置入烘箱中，在105℃下烘干12h后备用。

(2)混料：将石英砂、滑石粉、糊精和硅溶胶按照一定的质量比例混合，其中石英砂占50％～70％、滑石粉占20％～40％、糊精占5％和硅溶胶占5％。混料过程中先将石英砂、滑石粉和糊精按照上述比例混合后，再加入一定量的硅溶胶，置入变频行星球磨机中在200r/min低速球磨10h，得到制备管间式微孔陶瓷灌水器所需的粉料。

(3)模压成型与干燥：将步骤(2)中混合均匀的粉料分层填入灌水器模具(如图3、4和5所示)，各层之间打毛，使原料之间接触良好，防止出现分层现象。填料完成后置于液压机中在12MPa压力下模压成型制成湿坯。由于湿坯内部水分含量较高，为防止产生裂缝和不均匀变形，将湿坯置于阴凉通风处干燥7d，得到含水率为3％～5％的干坯。

(4)烧结：将干坯置于箱式炉中，在1200～1300℃的温度下烧结4h，即得到管间式微孔陶瓷灌水器实体。

(5)打磨：微孔陶瓷灌水器实体内径为16mm，在多功能磨床上采用金刚石砂轮对灌水器两端内孔进行打磨，达到安装标准20mm后即为管间式微孔陶瓷灌水器，如图1和2所示。

实施例一：

(1)原料筛选：选取石英砂、滑石粉、糊精和硅溶胶为制备微孔陶瓷灌水器的主要原料。为避免石英砂颗粒中有其他可溶性物质干扰，对石英砂颗粒进行筛选，选取150～300目之间的石英砂颗粒置入烘箱中，在105℃下烘干12h后备用。

(2)混料：将石英砂、滑石粉、糊精和硅溶胶按照一定的质量百分比混合，其中石英砂占60％、滑石粉占30％、糊精占5％和硅溶胶占5％。混料过程中先将石英砂、滑石粉和糊精按照上述比例混合后，再加入一定量的硅溶胶，置入变频行星球磨机中在200r/min低速球磨10h，得到制备管间式微孔陶瓷灌水器所需的粉料。

(3)模压成型与干燥：将步骤(2)中混合均匀的粉料分层填入灌水器模具(如图3、4和5所示)，各层之间打毛，使原料之间接触良好，防止出现分层现象。填料完成后置于液压机中在12MPa压力下模压成型制成湿坯。由于湿坯内部水分含量较高，为防止产生裂缝和不均匀变形，将湿坯置于阴凉通风处干燥7d，得到含水率为3％～5％的干坯。

(4)烧结：将干坯置于箱式炉中，在1250℃的温度下烧结4h，即得到管间式微孔陶瓷灌水器实体。

(5)打磨：微孔陶瓷灌水器实体内径为16mm，在多功能磨床上采用金刚石砂轮对灌水器两端内孔进行打磨，达到安装标准20mm后即为管间微孔陶瓷灌水器，如图1和2所示。

本实施例使用的模具如图3、4和5所示，模具包括外筒、底座和内芯，外筒的一端和内芯的一端同轴嵌套在底座上，内芯与外筒形成浇筑空间，外筒的中央位置还环设方便拿取的边块，其中：外筒的长度L₁为100mm，边块的厚度L₃为10mm，边块与外筒端部的距离为L₂为45mm，外筒的内径φ₄为30mm，外筒的外径φ₅为34mm，边块的外径φ₆为54mm；底座的直径φ₇为54mm，底座的高度为h₁为20mm，底座上安装外筒处接口的直径φ₉为34mm，底座上安装内芯处接口的直径φ₈为16±0.2mm，底座上安装内芯处接口的高度h₂为10mm；内芯的长度L₄为90mm，内芯的直径φ₁₀为16mm。

本实施例制备出的微孔陶瓷灌水器为管间式微孔陶瓷灌水器1，管间式微孔陶瓷灌水器1为两端带有嵌入式安装口的管体，使用时，通过管间式微孔陶瓷灌水器1两端的嵌入式安装口与地下的输水管2连通，如图1、2和6所示，管间式微孔陶瓷灌水器1的长度L为70mm，管间式微孔陶瓷灌水器1的内径φ₁为16mm，管间式微孔陶瓷灌水器1的外径φ₃为30mm，两端的嵌入式安装口的直径φ₂为20mm，嵌入式安装口的深度d为5mm。

本实施例制备出的管间式微孔陶瓷灌水器1，在压力为0.2m时，测得其在空气中的出流量为1.8L/h。将管间式微孔陶瓷灌水器1与的输水管2直接相连埋入土壤中，组成地下灌溉系统(如图6所示)。灌溉水流通过输水管2进入管间式微孔陶瓷灌水器1，然后从灌水器的微孔渗出湿润土壤。

图7给出了管间式微孔陶瓷灌水器1在土壤中的出流情况。由于管间式微孔陶瓷灌水器1采用无压灌溉，所以土水势是影响其在土壤中出流的主要因素。灌水器流量随着灌水历时的增加逐渐减小，当土壤饱和后，流量趋于0，灌溉停止，当人为加入蒸发后，土壤含水率下降，灌水器重新启动工作，不断向土壤中补充水分，说明管间式微孔陶瓷灌水器的流量与土壤含水率具有一定耦合作用，通过这种耦合作用即可实现土壤水分的自动调控，达到主动灌溉的目的。

实施例二：

本发明制备灌水器的原料选取石英砂作为骨架材料、滑石粉为烧结助剂、糊精为粘接改良剂、硅溶胶为粘接剂。选择以上原料是在前期探索的基础上决定的。本实施例进行了如表1中的材料配方试验。

表1材料配方

经材料性能测试，发现表1中3种配方制备出的微孔陶瓷灌水器在材料性能方面(如：开口孔隙率、抗弯强度等)均可满足要求，但是在水力性能测试中发现灌水器流量在空气中会随着时间逐渐减小，最后趋近于0，发生堵塞(如图8)，说明表1中的3种配方是失败的，根本无法满足灌溉要求。经过不断探索后，发现以石英砂、滑石粉、糊精和硅溶胶为原料制备的灌水器在空气中流量基本不发生变化，稳定性较好，采用实施例一制备方法制备出的灌水器在空气中的流量测试结果如图9所示。

实施例三：

本发明的原料筛选过程主要为控制石英砂颗粒的粒径，粒径分别为50～100目、100～150目和150～300目的石英砂颗粒。本实施例通过改变实施例一中石英砂颗粒粒径在同一配比下在1250℃下烧结制备的灌水器进行材料性能和水力性能测试，得到如表2中的结果:

表2石英砂粒径与灌水器性能的关系

通过表2中性能测试的结果可以看出，150～300目石英砂制备的微孔陶瓷灌水器强度较好，抵抗外力破坏的能力较强；线收缩率较小，便于安装；孔径较小，可以过滤外部的杂质防止进入陶瓷体内部；同时其相应的设计流量为1.8L/h，可以满足灌溉要求同时避免对土壤结构的破坏。因此选取150～300目的石英砂作为制备微孔陶瓷灌水器的主要原料。

实施例四：

将实施例一中的原料配方按照1150℃、1250℃和1350℃的烧结温度分别对微孔陶瓷灌水器进行烧结，并对其性能进行测试，得到如表3结果：

表3烧结温度与灌水器性能关系

通过表3中结果可以看出，在1250℃下烧结的微孔陶瓷灌水器不仅具有较高的强度和孔隙率，而且设计流量适中，性能最佳。因此1250℃可以作为微孔陶瓷灌水器的烧结温度。

Claims (7)

1.一种微孔陶瓷灌水器的制备方法，其特征在于，制备原料包括骨架材料、烧结助剂、粘接改良剂和粘接剂，所述的骨架材料为石英砂，烧结助剂为滑石粉，粘接改良剂为糊精，粘接剂为硅溶胶，将上述制备原料混合模压成型后经烧结得到微孔陶瓷灌水器；

所述的制备原料按质量百分比计，石英砂为50％～70％、滑石粉为20％～40％、糊精为5％和硅溶胶为5％，制备原料的百分比总和为100％；

所述的石英砂的粒径为150～300目。

2.如权利要求1所述的微孔陶瓷灌水器的制备方法，其特征在于，所述的烧结温度为1200～1300℃，烧结时间为4h。

3.如权利要求1所述的微孔陶瓷灌水器的制备方法，其特征在于，所述的制备原料混合包括先将石英砂、滑石粉和糊精混合得到混合粉体，再将硅溶胶加入混合粉体中在200r/min的转速下球磨10h，得到模压成型的粉料。

4.一种微孔陶瓷灌水器，其特征在于，该微孔陶瓷灌水器采用权利要求1、2或3所述的微孔陶瓷灌水器的制备方法制备得到。

5.如权利要求4所述的微孔陶瓷灌水器，其特征在于，所述的微孔陶瓷灌水器为管间式微孔陶瓷灌水器，管间式微孔陶瓷灌水器为两端带有嵌入式安装口的管体，使用时，通过管间式微孔陶瓷灌水器两端的嵌入式安装口与地下的输水管连通。

6.如权利要求5所述的微孔陶瓷灌水器，其特征在于，所述的管间式微孔陶瓷灌水器的长度L为70mm，管间式微孔陶瓷灌水器的内径φ₁为16mm，管间式微孔陶瓷灌水器的外径φ₃为30mm，两端的嵌入式安装口的直径φ₂为20mm，嵌入式安装口的深度d为5mm。

7.如权利要求5或6所述的微孔陶瓷灌水器，其特征在于，所述的管间式微孔陶瓷灌水器利用模具模压成型进行制备，所述的模具包括外筒、底座和内芯，外筒的一端和内芯的一端同轴嵌套在底座上，内芯与外筒形成浇筑空间。