曹文龍,許光明,于振華,王浩宇,李 娜

(吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院，長春 130022)

靜電對殘膜吸附作用的影響因素試驗研究

曹文龍,許光明,于振華,王浩宇,李 娜

(吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院，長春 130022)

靜電對農(nóng)田殘膜具有吸附作用，可以用來進行殘膜回收，以提高殘膜回收機的收凈率。為此，采用靜電對殘膜的吸附力作為評價指標，對靜電殘膜吸附力的影響因素進行了試驗研究，考慮的影響因素主要有環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、電極和殘膜間距、殘膜污濁度及電場強度等。通過試驗給出了以上各影響因素和靜電殘膜吸附力間關(guān)系的經(jīng)驗公式，分析了各因素的影響程度。本研究可供采用靜電吸附作用原理開發(fā)殘膜回收機的研發(fā)人員及其他科研人員參考。

靜電吸附；殘留地膜；曲線擬合

0 引言

由于大田覆膜技術(shù)大面積應(yīng)用，隨著時間的增長，殘留地膜回收率低，土壤中殘膜量逐漸增加，造成極其嚴重的污染，因而對高性能殘膜回收機械的需求日益迫切[1-2]。目前的殘膜回收機均采用機械回收，如采用齒耙結(jié)構(gòu)、輸送帶結(jié)構(gòu)、空氣吹送結(jié)構(gòu)等各種機械作用機理的殘膜回收機械已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)；但機械作用殘膜回收機有一個共同的缺點，就是對回收的殘膜形狀和尺寸均有相應(yīng)的要求，在殘膜呈碎片化且尺寸較小時殘膜回收率不夠高，且在回收殘膜的過程中對殘膜進行了毀損，令殘膜破碎，收凈率僅在60%多。殘留的地膜對農(nóng)田造成傷害，影響田地的水、肥、氣、熱活動，降低肥力，限制作物的生長，造成作物減產(chǎn)，其有害成分會危害人體健康[3-4]。

現(xiàn)有殘膜回收機的形式主要有伸縮桿齒式、伸縮彈齒式、挑膜輥式和卷繞式。收膜部件是由滾筒和挑膜齒組成的收膜部件，在滾動旋轉(zhuǎn)過程中，地膜沿著滾筒外徑自下而上進行空間轉(zhuǎn)移，達到收膜目的[5]。

彈齒式殘膜回收機結(jié)構(gòu)相對簡單，地膜收凈率高，是國內(nèi)殘膜回收機的主要研究方向[6]。彈齒式殘膜回收機在挑起地膜方面具有一定的優(yōu)勢，但如果彈齒入土速度與整機行進速度匹配不合適，就會將風化的地膜挑碎，從而影響殘膜的收凈率。為解決此問題，課題組探索了采用靜電吸附作用進行殘膜回收的方法，并圍繞靜電對殘膜吸附作用的影響因素進行了試驗研究，其數(shù)據(jù)及相關(guān)結(jié)果可供擬利用靜電對殘膜吸附作用進行相關(guān)科研或開發(fā)工作的技術(shù)人員參考。

1 試驗方法

1.1 靜電吸附原理

本試驗利用靜電吸附原理進行殘膜吸附。所謂靜電吸附原理，即當一個帶有靜電的物體靠近另一個不帶靜電的物體時，由于靜電感應(yīng)，沒有靜電的物體內(nèi)部靠近帶靜電物體的一邊會集聚與帶電物體所攜帶電荷相反極性的電荷(另一側(cè)產(chǎn)生相同數(shù)量的同極性電荷)，由于異性電荷相互吸引，就會表現(xiàn)出靜電吸附現(xiàn)象[7-10]。本試驗中，帶電體采用進口高壓靜電發(fā)生儀產(chǎn)生最大可達30kV的高壓靜電，不帶靜電的物體即為碎片狀的殘留地膜[11]。

1.2 試驗裝置

1.2.1 試驗儀器

1)靜電發(fā)生儀。采用英國 FRASER 公司生產(chǎn)的7320型靜電發(fā)生儀，該儀器可輸出高壓為0～30kV、電流為0～3mA的靜電，靜電電壓連續(xù)可調(diào)，并可快速升降壓。該儀器采用恒流恒壓控制。7320型靜電發(fā)生儀與 7130型靜電發(fā)生棒通過導線相連，靜電發(fā)生棒中的發(fā)射極為間距10mm的鎢絲保證電場均勻。

2)高速攝影儀。高速攝影儀是SVSI公司生產(chǎn)的Stream View LR型高速攝影儀，可在1s中得30幀圖像，并通過100M網(wǎng)卡傳輸?shù)脚c之相連的電腦中，記錄存儲。

3)其他儀器。

(1)溫度計：采用FLUKE-F59型紅外測溫儀，測量范圍是-18～275℃，精度±1℃。

(2)濕度計：LANDTEK數(shù)顯式溫濕度計，測量范圍是10%～95%，精度±1%。

(3)電子天平：BSA223S型電子天平，測量范圍是0～220g，精度1mg。

1.2.2 專用試驗裝置設(shè)計

為實現(xiàn)對試驗中需要調(diào)整要素的控制，設(shè)計了專用的試驗裝置。為保證試驗過程中的電場近似為均強電場且受外界干擾較小，以絕緣性好的電木板作為試驗用工作臺。該裝置把靜電發(fā)生棒固定在操作臺上面作為靜電的陰極，兩側(cè)與兩圓柱形絕緣的聚四氟乙烯管支撐相連，每根聚四氟乙烯管上刻有5條凹槽，凹槽的間距5cm，兩側(cè)之間嵌入高度可調(diào)的不銹鋼板，不銹鋼板和靜電發(fā)生儀的陽極相連。在陰極和陽極之間形成電場，電場強度可以通過靜電發(fā)生儀調(diào)節(jié)。

1.3 試驗材料制備

試驗材料為在吉林省通榆縣詹榆鎮(zhèn)田間收集的各類地膜，用剪刀剪成各種要求尺寸的矩形，每種尺寸的地膜50塊；把50塊一起稱重，而后把總質(zhì)量除以50可得每一塊地膜的平均質(zhì)量。

1.4 吸附力測量方法

由于地膜體積小、質(zhì)量輕，對其所受的電場力直接進行測量難度很大，本文采用了間接測量的辦法。對地膜在電場中的運動過程進行高速攝影，兩次拍攝中的時間間隔由儀器讀出。地膜在兩次拍攝間的運動位移在照片中讀出，照片中的比例尺可由實物尺寸和照片中物體尺寸的比值確定，照片的位移和比例尺相乘即得到實際的位移。

設(shè)兩次拍照時間間隔為t，兩次拍照間地膜位移為s，則地膜運動的加速度為a，則加速度為

設(shè)地膜塊的質(zhì)量為m，地膜塊所受的力為F，則F=ma，這樣就得到了單塊地膜在電場中所受的力。

1.5 環(huán)境溫度的設(shè)定方法

試驗時利用空調(diào)改變環(huán)境溫度的同時用紅外線測溫儀對靜電發(fā)生裝置和實驗用殘膜樣品分別測溫。當靜電發(fā)生裝置和殘膜樣品溫度都達到所需溫度值時，開始進行試驗。

1.6 環(huán)境濕度的設(shè)定方法

利用空氣加濕器對空氣進行加濕，并測量濕度，以便設(shè)定空氣濕度。

2 試驗步驟

殘膜回收機在田間作業(yè)時，空氣的濕度、靜電發(fā)生棒和地膜的距離、作業(yè)時的溫度條件及地膜的污濁度都會對殘膜吸附力產(chǎn)生影響。本文對以上幾種影響因素對殘膜靜電吸附的作用進行了試驗。首先，在環(huán)境濕度為40%、靜電電壓為20kV、靜電發(fā)生棒與殘膜的距離為20cm及采用中等污濁度殘膜條件下，改變環(huán)境溫度，測量溫度在15～26℃區(qū)間變化時，靜電發(fā)生棒對殘膜吸附力的變化；第2，在環(huán)境濕度為40%、靜電發(fā)生棒與殘膜的距離為20cm，環(huán)境溫度在20℃及采用中等污濁度殘膜條件下，改變靜電發(fā)生儀的電壓，測量靜電電壓在10～30kV時，靜電發(fā)生棒對殘膜吸附力的變化；第3，在靜電發(fā)生棒與殘膜的距離為20cm，環(huán)境溫度為20℃、靜電發(fā)生儀電壓為20kV及采用中等污濁度殘膜條件下，改變環(huán)境濕度，測量環(huán)境濕度在30%～50%區(qū)間變化時，靜電發(fā)生棒對殘膜吸附力的變化；第4，在環(huán)境濕度為40%、溫度在20℃、靜電電壓為20kV及采用中等污濁度殘膜條件下，改變靜電發(fā)生棒與殘膜的距離，測量靜電發(fā)生棒與殘膜的距離在10～20cm時，靜電發(fā)生棒對殘膜吸附力的變化；第5，在環(huán)境濕度為40%、靜電電壓為20kV、靜電發(fā)生棒與殘膜的距離為20cm及環(huán)境溫度為20℃條件下，改變殘膜的污濁度，測量污濁度變化時，靜電發(fā)生棒對殘膜吸附力的變化。

3 試驗評價指標

由于在殘膜回收的過程中，靜電發(fā)生棒對殘膜的吸附力大小直接決定了是否能把殘膜從地面回收入機，故把靜電發(fā)生棒對殘膜吸附力作為本試驗的評價指標。

4 試驗結(jié)果

溫度對靜電殘膜吸附力的影響如表1所示。

表1 溫度對靜電殘膜吸附力的影響

(濕度40%，距離20cm，電壓2kV，中污)

試驗序號環(huán)境溫度T/℃溫度對靜電殘膜吸附力/10-5N115.07.07216.57.37317.97.37420.08.97522.57.79

續(xù)表1

對表1的數(shù)據(jù)用二次曲線擬合并繪圖(如圖1所示)，可得吸附力和溫度的近似關(guān)系式為F=-0.66×T2+2.76×T-19。

圖1 吸附力與溫度擬合曲線

濕度對靜電殘膜吸附力的影響如表2所示。對表2數(shù)據(jù)用二次曲線擬合并繪圖(見圖2)，可得吸附力和濕度的近似關(guān)系式為F=2e-08A2-2e-06A。

表2 濕度對靜電殘膜吸附力的影響

(溫度20℃，距離20cm，電壓20kV，中污)

試驗序號環(huán)境濕度A/%吸附力/10-5N1451.522351.813302.19

圖2 吸附力與濕度擬合曲線

溫度20℃、濕度30%、16cm2新膜條件下，靜電電壓對靜電殘膜吸附力的影響如表3所示。對表3的數(shù)據(jù)用二次曲線擬合并繪圖(見圖3)，得出近似關(guān)系式為F=3e-07U2-1e-05U。

表3 靜電電壓對靜電殘膜吸附力的影響

(溫度20℃，濕度30%，16cm2新膜)

試驗序號電壓U/kV吸附力/10-5N1152.462202.533252.534302.92

圖3 吸附力與電壓擬合曲線

溫度20℃、濕度30%、25cm2新膜條件下，靜電電壓對靜電殘膜吸附力的影響如表4所示。對表4的數(shù)據(jù)用二次曲線擬合并繪圖(見圖4)，得出近似關(guān)系式為F=-3e-07U2+2e-05U。

表4 靜電電壓對靜電殘膜吸附力的影響

(溫度20℃，濕度30%，25cm2新膜)

試驗序號電壓/kV吸附力/10-5N1152.462203.723253.934303.97

圖4 吸附力與電壓擬合曲線

5 結(jié)論

本文圍繞農(nóng)田殘膜靜電吸附的主要影響因素進行了試驗研究，采用靜電吸附力作為電極對殘膜靜電吸附作用的評價指標。試驗結(jié)果表明：環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、電極和殘膜間距、殘膜污濁度及電場強度對靜電殘膜吸附力影響顯著。通過對試驗進行擬合處理后發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度的改變對靜電吸附力的影響最大，并且變化曲線呈拋物線。由此可知：利用靜電吸附裝置回收殘膜其作業(yè)時的環(huán)境溫度是不可忽視的因素。本文給出了以上各因素數(shù)值和靜電殘膜吸附力之間關(guān)系的經(jīng)驗公式，為相關(guān)科研及開發(fā)工作提供了參考依據(jù)。

[1] 吳永飛,宋建峰.談農(nóng)業(yè)殘膜污染及其有效治理[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2009(12):299-300.

[2] 王頻.殘膜污染治理的對策和措施[J].農(nóng)業(yè)工程學報,1998(3):185-188.

[3] 羅東升.IMS-1型地膜回收機的改進試驗研究[D].北京:中國農(nóng)業(yè)大學,2001.

[4] 張佳喜,謝建華,薛黨勤,等.國內(nèi)外地膜應(yīng)用及回收裝備的發(fā)展現(xiàn)狀[J].農(nóng)機化研究,2013，35(12):237-240.

[5] 徐弘博,胡志超,吳峰,等.殘膜回收收膜部件研析[J].農(nóng)機化研究,2016，38(8):242-249.

[6] 謝建華,侯書林,付宇,等.殘膜回收機彈齒式拾膜機構(gòu)運動分析與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2013(10):94-99.

[7] 白亞鄉(xiāng),胡玉才.高壓靜電場對農(nóng)作物種子生物學效應(yīng)原發(fā)機制的探討[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2003(2):19-22.

[8] 李里特,李法德.高壓靜電場對蒸餾水蒸發(fā)的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2001(2):17-19.

[9] 白亞鄉(xiāng),欒忠奇.高壓靜電場解凍機理分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2010(4):26-30.

[10] 張俐,申勛業(yè),楊方.高壓靜電場對生物效應(yīng)影響的研究發(fā)展[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2000(3):307-312.

[11] 王丹,楊方,馮江,等.高壓靜電場與殘膜吸附高度的相關(guān)性研究[J].農(nóng)機化研究,2013,35(5):53-56.

Experimental Study on the Influencing Factors of Electrostatic Charge on Residual Mulching Film

Cao Wenlong, Xu Guangming, Yu Zhenhua, Wang Haoyu, Li Na

(Jilin Institute of Agricultural Machinery, Changchun 130022, China)

Static electricity has an adsorption effect on the residual mulching film,and it was proposed to use it to recover residual plastic films, so as to improve the recovery rate of used plastic film collectors. Experimental studies of the factors influencing electrostatic adsorption have been undertaken with the electrostatic adsorption capacity as an evaluation index. The main factors to be considered are the environmental temperature and humidity, the distance between electrode and residual film, the turbidity of residual films, and the strength of electric field. The empirical formulas for the relationships between these factors and the electrostatic adsorption capacity have been drawn through experiments, which can be used as a reference by the professionals for the development of the residual film recycling machine and other researchers for their work.

electrostatic adsorption; residual mulching plastic film; curve fitting

2016-12-07

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD12B00)

曹文龍(1964-)，男，吉林松原人，研究員，(E-mail)8397002@qq.com。

S125

A

1003-188X(2017)12-0161-04