一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器及其制备方法.pdf

本发明公开了一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器及其制备方法，微孔陶瓷灌水器，包括：桶型灌水器（1），所述桶型灌水器（1）的顶端设置有顶盖（2），所述顶盖（2）与用于向所述桶型灌水器（1）中灌水的微管（3）相连通，所述微管（3）还与毛管相连通；制备方法包括将白水泥和硫酸钙按比例混合得到混合溶液；将上述混合溶液通过开口（5）浇筑到模具（4）中，待混合溶液凝固成型后脱模即得到桶型灌水器（1）。本发明提供的一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器及其制备方法，大大降低了传统灌水器的成产成本，具有很好的消能效果，过滤作用显著，能有效防止物理堵塞，可广泛应用于节水灌溉领域。

1.  一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器，其特征在于：包括：桶型灌水器（1），所述桶型灌水器（1）的顶端设置有顶盖（2），所述顶盖（2）与用于向所述桶型灌水器（1）中灌水的微管（3）相连通，所述微管（3）还与毛管相连通；所述桶型灌水器（1）由模具（4）制成。

2.  根据权利要求1所述的一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器，其特征在于：所述模具（4）的形状为倒置桶型，所述倒置桶型的顶端设置有向上凸起的开口（5）。

3.  根据权利要求1所述的一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器，其特征在于：所述顶盖（2）的材质为硬质尼龙。

4.  根据权利要求1所述的一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器，其特征在于：所述桶型灌水器（1）的高度为70~90mm，外径为30~50mm，内部储水腔直径为15~25mm，内部储水腔深度为65~80mm。

5.  根据权利要求1~4任一项所述的一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将白水泥和硫酸钙按比例混合得到混合溶液，所述硫酸钙的比例为5%~20%；
步骤二：将上述混合溶液通过开口（5）浇筑到模具（4）中，待混合溶液凝固成型后脱模即得到桶型灌水器（1）。

6.  根据权利要求5所述的一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器的制备方法，其特征在于：所述白水泥的成分包括铝酸三钙、硅酸二钙和氧化铝。

7.  根据权利要求5所述的一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器的制备方法，其特征在于：所述混合溶液凝固成型时发生化学反应，生成CSH凝胶和AFT，具体反应如下：
2（3CaO﹒SiO₂）+ 6H₂O → 3CaO﹒SiO₂﹒2H₂O+ Ca(OH)₂                     (1)
3CaO﹒Al₂O₃ + 3（CaSO₄﹒2H₂O）+ 26H₂O →3CaO﹒Al₂O₃﹒3 CaSO₄﹒32 H₂O   (2)
式（1）中的3CaO﹒SiO₂代表硅酸二钙；3CaO﹒SiO₂﹒2H₂O代表CHS凝胶；
式（2）中的3CaO﹒Al₂O₃代表铝酸三钙；CaSO₄﹒2H₂O代表二水硫酸钙；3CaO﹒Al₂O₃﹒3 CaSO₄﹒32 H₂O代表AFT；
所述CHS凝胶和AFT的强度和稳定性均比二水硫酸钙晶体的大，在水中的溶解度也小，软化系数也高于硫酸钙，从而在所述混合溶液凝固成型时形成稳定的网络结构，以改善桶型灌水器（1）的力学性能和耐水性能。

一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器及其制备方法，属于节水灌溉技术领域。
背景技术
微孔陶瓷是一种孔径为微米级的多孔陶瓷材料。目前，国内外关于陶瓷在灌溉领域的应用鲜见报道，仅对多孔陶瓷在负压灌溉中应用有少量理论探索。而微孔陶瓷中相互连通的微孔具有非常好的毛细作用，利用其毛细作用可以对有压灌溉水进行消能，以替代传统灌水器中的复杂的迷宫流道；同时微孔陶瓷内部细小的微孔可以有效的对灌溉水中的物理悬浮物进行过滤，防止物理堵塞。
渗灌技术是当今世界最为先进的节水灌溉技术之一，其可以有效的减少地表水分的蒸发，最大程度上增加灌溉水的利用效率。但是目前渗灌还存在较多的问题，如造价过高，灌水均匀度低，易堵塞等。这些问题极大的阻碍了渗灌技术的发展。因此，急需设计一种造价便宜，实用性强，具有良好的消能效果，有效防止物理堵塞的新型灌水器及其制备方法。本发明基于以上问题设计的一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器及其制备方法，对于未来渗灌技术的推广具有一定的促进作用，对于节水灌溉技术的发展具有一定的推动作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种渗灌面积大，及时补充作物根系的水分的一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器；进一步地，提供一种生产制备微孔陶瓷灌水器的模具，该模具制作简便，成本低，利于微孔陶瓷灌水器的批量制作；更进一步地，提供一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器的制备方法，该法制备的微孔陶瓷灌水器，造价低，灌水均匀度好，能防止物理堵塞且具有消能效果。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器，其特征在于：包括：桶型灌水器，所述桶型灌水器的顶端设置有顶盖，所述顶盖与用于向所述桶型灌水器中灌水 的微管相连通，所述微管还与毛管相连通；所述桶型灌水器由模具制成。
所述顶盖也可不通过微管直接连接在毛管上。
所述模具的形状为倒置桶型，所述倒置桶型的顶端设置有向上凸起的开口。
所述顶盖的材质为硬质尼龙。
所述桶型灌水器外观呈粉红色，表面光滑。
所述桶型灌水器的高度为70～90mm，外径为30～50mm，内部储水腔直径为15～25mm，内部储水腔深度为65～80mm。
所述桶型灌水器的壁厚度根据所要求灌水器的渗水量而定，减小灌水器的壁厚可增大灌水器的渗水量。
一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将白水泥和硫酸钙按比例混合得到混合溶液，所述硫酸钙的比例为5％～20％；
步骤二：将上述混合溶液通过开口浇筑到模具中，待混合溶液凝固成型后脱模即得到桶型灌水器。
所述白水泥的成分包括铝酸三钙、硅酸二钙和氧化铝。
硫酸钙为桶型灌水器的渗水体，用于桶型灌水器的渗水；白水泥的主要成分为铝酸三钙和硅酸二钙，作为桶型灌水器的主要构架，承受来自灌溉水和外部的荷载；这种组合可以同时发挥白水泥强度高与硫酸钙渗水效果较好的优点；而且硫酸钙还可以显著缩短白水泥的凝固时间，降低制造成本。
所述混合溶液凝固成型时，在两者接触的表面会发生化学反应，生成CSH凝胶和AFT，具体反应如下：
2(3CaO﹒SiO₂)+6H₂O→3CaO﹒SiO₂﹒2H₂O+Ca(OH)₂       (1)
3CaO﹒Al₂O₃+3(CaSO₄﹒2H₂O)+26H₂O→3CaO﹒Al₂O₃﹒3CaSO₄﹒32H₂O    (2)
式(1)中的3CaO﹒SiO₂代表硅酸二钙；3CaO﹒SiO₂﹒2H₂O代表CHS凝胶；
式(2)中的3CaO﹒Al₂O₃代表铝酸三钙；CaSO₄﹒2H₂O代表二水硫酸钙；3CaO﹒Al₂O₃﹒3CaSO₄﹒32H₂O代表AFT；
所述CHS凝胶和AFT的强度和稳定性均比二水硫酸钙晶体的大，在水中 的溶解度也小，软化系数也高于硫酸钙，从而在所述混合溶液凝固成型时形成稳定的网络结构，以改善桶型灌水器的力学性能和耐水性能。
将白水泥和硫酸钙按照一定的比例混合，可以充分发挥白水泥强度高和硫酸钙渗水效果好的优点，硫酸钙可以显著缩短白水泥的凝固时间，降低制造成本。CSH凝胶和AFT的强度和稳定性均比二水硫酸钙晶体结构大，在水中的溶解度小，其软化系数高于硫酸钙，在硬化体中形成较稳定的网络结构，两种材料掺合可以显著改善灌水器的力学性能和耐水性能。同时，将桶型灌水器设计为圆柱形，整个圆柱形面都可以渗水，扩大了渗灌面积，及时补充作物根系的水分。
使用时，在作物根系土壤部位埋入所述桶型灌水器，水通过所述微管和所述毛管向所述桶型灌水器内部灌水，水通过所述桶型灌水器侧壁和底壁的微孔渗出，给作物的根系供水，达到节水灌溉的目的。
本发明的桶型灌水器的材料采用一种新型的免烧微孔陶瓷，即将白水泥和硫酸钙按照一定的比例混合，充分发挥白水泥强度高与硫酸钙渗水效果较好的优点；而且硫酸钙还可以显著缩短白水泥的凝固时间，降低制造成本；两种材料掺合可以显著改善灌水器的力学性能和耐水性能。
本发明将微孔陶瓷应用于节水灌溉领域有以下三方面的创新点：采用新型的微孔陶瓷材料，降低了灌水器的制造成本；微孔陶瓷中的微孔具有很好的消能效果，改进了此前各类灌水器所采用的消能方式；微孔陶瓷由于其良好的过滤作用可以有效的防止物理堵塞，提高灌水器的使用年限。微孔陶瓷渗灌灌水器使灌水器的生产成本大大减少，同时也降低了灌水器组装、使用等过程中的难度，节省了劳动力。因此此种微孔陶瓷灌水器对于未来渗灌技术的推广具有一定的促进作用，对于节水灌溉技术的发展有一定的推动作用。
本发明提供的一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器及其制备方法，大大降低了传统灌水器的成产成本，具有很好的消能效果，过滤作用显著，能有效防止物理堵塞，可广泛应用于节水灌溉领域。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中模具的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
实施例1：
如图1～2所示，一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器，其特征在于：包括：桶型灌水器1，所述桶型灌水器1的顶端设置有顶盖2，所述顶盖2与用于向所述桶型灌水器1中灌水的微管3相连通，所述微管3还与毛管相连通；所述桶型灌水器1由模具4制成。
所述模具4的形状为倒置桶型，所述倒置桶型的顶端设置有向上凸起的开口5。
所述顶盖2的材质为硬质尼龙。
所述桶型灌水器1的高度为70mm，外径为30mm，内部储水腔直径为15mm，内部储水腔深度为65mm。
一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将白水泥和硫酸钙按比例混合得到混合溶液，所述硫酸钙的比例为5％；
步骤二：将上述混合溶液通过开口5浇筑到模具4中，待混合溶液凝固成型后脱模即得到桶型灌水器1。
所述白水泥的成分包括铝酸三钙、硅酸二钙和氧化铝。
所述混合溶液凝固成型时发生化学反应，生成CSH凝胶和AFT，具体反应如下：
2(3CaO﹒SiO₂)+6H₂O→3CaO﹒SiO₂﹒2H₂O+Ca(OH)₂       (1)
3CaO﹒Al₂O₃+3(CaSO₄﹒2H₂O)+26H₂O→3CaO﹒Al₂O₃﹒3CaSO₄﹒32H₂O   (2)
式(1)中的3CaO﹒SiO₂代表硅酸二钙；3CaO﹒SiO₂﹒2H₂O代表CHS凝胶；
式(2)中的3CaO﹒Al₂O₃代表铝酸三钙；CaSO₄﹒2H₂O代表二水硫酸钙；3CaO﹒Al₂O₃﹒3CaSO₄﹒32H₂O代表AFT；
所述CHS凝胶和AFT的强度和稳定性均比二水硫酸钙晶体的大，在水中的溶解度也小，软化系数也高于硫酸钙，从而在所述混合溶液凝固成型时形成 稳定的网络结构，以改善桶型灌水器1的力学性能和耐水性能。
桶型灌水器1成型后，材料在经历过自然养护后，采用阿基米德排水法测定其密度和开气孔率。
测试时，取一小块试样，分别测试试样在干燥情况下的重量ms(干重)，充水饱和情况下的质量mw(湿重)，以及在漂浮状况下的质量mf(浮重)后，通过公式(3)和(4)计算得出微孔试样的密度和孔隙率。
      ρ=msmw-mf---(3)]]>      
      e=mw-msmw-mf---(4)]]>      
测试过程中的具体数据如表1所示：
表1材料密度和开孔率测量表
            
由表1可知，该微孔陶瓷的平均开气孔率高达56％。如此高的孔隙率可以满足灌溉水的通过性，充分发挥其渗水特性。
将桶型灌水器安装于水力性能试验台上进行水力性能实验。测试时，在向灌水器中通入压力水后，可以清晰的观察到水流在桶型灌水器的外壁缓慢渗出，并在灌水器的外壁上凝结成水珠，如同人体皮肤出汗一样。随后水珠形成水流，汇集流下。通过拟合，得出渗灌灌水器的压力与流量之间的水力特征曲线公式。
Q＝-0.0046H²+0.2239H-0.1725
由拟合公式可知，随着水头H的增加，桶型灌水器的渗水量Q逐渐增大。对于低压灌溉系统，水头一般小于5m，此时可以通过增加微孔陶瓷的渗透系 数或减小灌水器的壁厚等措施，来提高灌水器的渗水量，以满足相应的灌溉要求。
实施例2：
如图1～2所示，一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器，其特征在于：所述桶型灌水器1的高度为90mm，外径为50mm，内部储水腔直径为25mm，内部储水腔深度为80mm。
一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器的制备方法，其特征在于：所述硫酸钙的比例为20％。
其余内容同实施例1。
实施例3：
如图1～2所示，一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器，其特征在于：所述桶型灌水器1的高度为80mm，外径为40mm，内部储水腔直径为25mm，内部储水腔深度为65mm。
一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器的制备方法，其特征在于：所述硫酸钙的比例为10％。
其余内容同实施例1。
实施例4：
如图1～2所示，一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器的制备方法，其特征在于：所述硫酸钙的比例为15％。
其余内容同实施例1。
实施例5：
如图1～2所示，一种新型渗灌技术的微孔陶瓷灌水器的制备方法，其特征在于：所述硫酸钙的比例为8％。
其余内容同实施例1。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。