静电对残膜吸附作用的影响因素试验研究

曹文龙,许光明,于振华,王浩宇,李 娜

(吉林省农业机械研究院，长春 130022)

静电对残膜吸附作用的影响因素试验研究

曹文龙,许光明,于振华,王浩宇,李 娜

(吉林省农业机械研究院，长春 130022)

静电对农田残膜具有吸附作用，可以用来进行残膜回收，以提高残膜回收机的收净率。为此，采用静电对残膜的吸附力作为评价指标，对静电残膜吸附力的影响因素进行了试验研究，考虑的影响因素主要有环境温度、环境湿度、电极和残膜间距、残膜污浊度及电场强度等。通过试验给出了以上各影响因素和静电残膜吸附力间关系的经验公式，分析了各因素的影响程度。本研究可供采用静电吸附作用原理开发残膜回收机的研发人员及其他科研人员参考。

静电吸附；残留地膜；曲线拟合

0 引言

由于大田覆膜技术大面积应用，随着时间的增长，残留地膜回收率低，土壤中残膜量逐渐增加，造成极其严重的污染，因而对高性能残膜回收机械的需求日益迫切[1-2]。目前的残膜回收机均采用机械回收，如采用齿耙结构、输送带结构、空气吹送结构等各种机械作用机理的残膜回收机械已经陆续出现；但机械作用残膜回收机有一个共同的缺点，就是对回收的残膜形状和尺寸均有相应的要求，在残膜呈碎片化且尺寸较小时残膜回收率不够高，且在回收残膜的过程中对残膜进行了毁损，令残膜破碎，收净率仅在60%多。残留的地膜对农田造成伤害，影响田地的水、肥、气、热活动，降低肥力，限制作物的生长，造成作物减产，其有害成分会危害人体健康[3-4]。

现有残膜回收机的形式主要有伸缩杆齿式、伸缩弹齿式、挑膜辊式和卷绕式。收膜部件是由滚筒和挑膜齿组成的收膜部件，在滚动旋转过程中，地膜沿着滚筒外径自下而上进行空间转移，达到收膜目的[5]。

弹齿式残膜回收机结构相对简单，地膜收净率高，是国内残膜回收机的主要研究方向[6]。弹齿式残膜回收机在挑起地膜方面具有一定的优势，但如果弹齿入土速度与整机行进速度匹配不合适，就会将风化的地膜挑碎，从而影响残膜的收净率。为解决此问题，课题组探索了采用静电吸附作用进行残膜回收的方法，并围绕静电对残膜吸附作用的影响因素进行了试验研究，其数据及相关结果可供拟利用静电对残膜吸附作用进行相关科研或开发工作的技术人员参考。

1 试验方法

1.1 静电吸附原理

本试验利用静电吸附原理进行残膜吸附。所谓静电吸附原理，即当一个带有静电的物体靠近另一个不带静电的物体时，由于静电感应，没有静电的物体内部靠近带静电物体的一边会集聚与带电物体所携带电荷相反极性的电荷(另一侧产生相同数量的同极性电荷)，由于异性电荷相互吸引，就会表现出静电吸附现象[7-10]。本试验中，带电体采用进口高压静电发生仪产生最大可达30kV的高压静电，不带静电的物体即为碎片状的残留地膜[11]。

1.2 试验装置

1.2.1 试验仪器

1)静电发生仪。采用英国 FRASER 公司生产的7320型静电发生仪，该仪器可输出高压为0～30kV、电流为0～3mA的静电，静电电压连续可调，并可快速升降压。该仪器采用恒流恒压控制。7320型静电发生仪与 7130型静电发生棒通过导线相连，静电发生棒中的发射极为间距10mm的钨丝保证电场均匀。

2)高速摄影仪。高速摄影仪是SVSI公司生产的Stream View LR型高速摄影仪，可在1s中得30帧图像，并通过100M网卡传输到与之相连的电脑中，记录存储。

3)其他仪器。

(1)温度计：采用FLUKE-F59型红外测温仪，测量范围是-18～275℃，精度±1℃。

(2)湿度计：LANDTEK数显式温湿度计，测量范围是10%～95%，精度±1%。

(3)电子天平：BSA223S型电子天平，测量范围是0～220g，精度1mg。

1.2.2 专用试验装置设计

为实现对试验中需要调整要素的控制，设计了专用的试验装置。为保证试验过程中的电场近似为均强电场且受外界干扰较小，以绝缘性好的电木板作为试验用工作台。该装置把静电发生棒固定在操作台上面作为静电的阴极，两侧与两圆柱形绝缘的聚四氟乙烯管支撑相连，每根聚四氟乙烯管上刻有5条凹槽，凹槽的间距5cm，两侧之间嵌入高度可调的不锈钢板，不锈钢板和静电发生仪的阳极相连。在阴极和阳极之间形成电场，电场强度可以通过静电发生仪调节。

1.3 试验材料制备

试验材料为在吉林省通榆县詹榆镇田间收集的各类地膜，用剪刀剪成各种要求尺寸的矩形，每种尺寸的地膜50块；把50块一起称重，而后把总质量除以50可得每一块地膜的平均质量。

1.4 吸附力测量方法

由于地膜体积小、质量轻，对其所受的电场力直接进行测量难度很大，本文采用了间接测量的办法。对地膜在电场中的运动过程进行高速摄影，两次拍摄中的时间间隔由仪器读出。地膜在两次拍摄间的运动位移在照片中读出，照片中的比例尺可由实物尺寸和照片中物体尺寸的比值确定，照片的位移和比例尺相乘即得到实际的位移。

设两次拍照时间间隔为t，两次拍照间地膜位移为s，则地膜运动的加速度为a，则加速度为

设地膜块的质量为m，地膜块所受的力为F，则F=ma，这样就得到了单块地膜在电场中所受的力。

1.5 环境温度的设定方法

试验时利用空调改变环境温度的同时用红外线测温仪对静电发生装置和实验用残膜样品分别测温。当静电发生装置和残膜样品温度都达到所需温度值时，开始进行试验。

1.6 环境湿度的设定方法

利用空气加湿器对空气进行加湿，并测量湿度，以便设定空气湿度。

2 试验步骤

残膜回收机在田间作业时，空气的湿度、静电发生棒和地膜的距离、作业时的温度条件及地膜的污浊度都会对残膜吸附力产生影响。本文对以上几种影响因素对残膜静电吸附的作用进行了试验。首先，在环境湿度为40%、静电电压为20kV、静电发生棒与残膜的距离为20cm及采用中等污浊度残膜条件下，改变环境温度，测量温度在15～26℃区间变化时，静电发生棒对残膜吸附力的变化；第2，在环境湿度为40%、静电发生棒与残膜的距离为20cm，环境温度在20℃及采用中等污浊度残膜条件下，改变静电发生仪的电压，测量静电电压在10～30kV时，静电发生棒对残膜吸附力的变化；第3，在静电发生棒与残膜的距离为20cm，环境温度为20℃、静电发生仪电压为20kV及采用中等污浊度残膜条件下，改变环境湿度，测量环境湿度在30%～50%区间变化时，静电发生棒对残膜吸附力的变化；第4，在环境湿度为40%、温度在20℃、静电电压为20kV及采用中等污浊度残膜条件下，改变静电发生棒与残膜的距离，测量静电发生棒与残膜的距离在10～20cm时，静电发生棒对残膜吸附力的变化；第5，在环境湿度为40%、静电电压为20kV、静电发生棒与残膜的距离为20cm及环境温度为20℃条件下，改变残膜的污浊度，测量污浊度变化时，静电发生棒对残膜吸附力的变化。

3 试验评价指标

由于在残膜回收的过程中，静电发生棒对残膜的吸附力大小直接决定了是否能把残膜从地面回收入机，故把静电发生棒对残膜吸附力作为本试验的评价指标。

4 试验结果

温度对静电残膜吸附力的影响如表1所示。

表1 温度对静电残膜吸附力的影响

(湿度40%，距离20cm，电压2kV，中污)

试验序号环境温度T/℃温度对静电残膜吸附力/10-5N115.07.07216.57.37317.97.37420.08.97522.57.79

续表1

对表1的数据用二次曲线拟合并绘图(如图1所示)，可得吸附力和温度的近似关系式为F=-0.66×T2+2.76×T-19。

图1 吸附力与温度拟合曲线

湿度对静电残膜吸附力的影响如表2所示。对表2数据用二次曲线拟合并绘图(见图2)，可得吸附力和湿度的近似关系式为F=2e-08A2-2e-06A。

表2 湿度对静电残膜吸附力的影响

(温度20℃，距离20cm，电压20kV，中污)

试验序号环境湿度A/%吸附力/10-5N1451.522351.813302.19

图2 吸附力与湿度拟合曲线

温度20℃、湿度30%、16cm2新膜条件下，静电电压对静电残膜吸附力的影响如表3所示。对表3的数据用二次曲线拟合并绘图(见图3)，得出近似关系式为F=3e-07U2-1e-05U。

表3 静电电压对静电残膜吸附力的影响

(温度20℃，湿度30%，16cm2新膜)

试验序号电压U/kV吸附力/10-5N1152.462202.533252.534302.92

图3 吸附力与电压拟合曲线

温度20℃、湿度30%、25cm2新膜条件下，静电电压对静电残膜吸附力的影响如表4所示。对表4的数据用二次曲线拟合并绘图(见图4)，得出近似关系式为F=-3e-07U2+2e-05U。

表4 静电电压对静电残膜吸附力的影响

(温度20℃，湿度30%，25cm2新膜)

试验序号电压/kV吸附力/10-5N1152.462203.723253.934303.97

图4 吸附力与电压拟合曲线

5 结论

本文围绕农田残膜静电吸附的主要影响因素进行了试验研究，采用静电吸附力作为电极对残膜静电吸附作用的评价指标。试验结果表明：环境温度、环境湿度、电极和残膜间距、残膜污浊度及电场强度对静电残膜吸附力影响显著。通过对试验进行拟合处理后发现，环境温度的改变对静电吸附力的影响最大，并且变化曲线呈抛物线。由此可知：利用静电吸附装置回收残膜其作业时的环境温度是不可忽视的因素。本文给出了以上各因素数值和静电残膜吸附力之间关系的经验公式，为相关科研及开发工作提供了参考依据。

[1] 吴永飞,宋建峰.谈农业残膜污染及其有效治理[J].现代农业科技,2009(12):299-300.

[2] 王频.残膜污染治理的对策和措施[J].农业工程学报,1998(3):185-188.

[3] 罗东升.IMS-1型地膜回收机的改进试验研究[D].北京:中国农业大学,2001.

[4] 张佳喜,谢建华,薛党勤,等.国内外地膜应用及回收装备的发展现状[J].农机化研究,2013，35(12):237-240.

[5] 徐弘博,胡志超,吴峰,等.残膜回收收膜部件研析[J].农机化研究,2016，38(8):242-249.

[6] 谢建华,侯书林,付宇,等.残膜回收机弹齿式拾膜机构运动分析与试验[J].农业机械学报,2013(10):94-99.

[7] 白亚乡,胡玉才.高压静电场对农作物种子生物学效应原发机制的探讨[J].农业工程学报,2003(2):19-22.

[8] 李里特,李法德.高压静电场对蒸馏水蒸发的影响[J].农业工程学报,2001(2):17-19.

[9] 白亚乡,栾忠奇.高压静电场解冻机理分析[J].农业工程学报,2010(4):26-30.

[10] 张俐,申勋业,杨方.高压静电场对生物效应影响的研究发展[J].东北农业大学学报,2000(3):307-312.

[11] 王丹,杨方,冯江,等.高压静电场与残膜吸附高度的相关性研究[J].农机化研究,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”国家科技支撑计划项目(2014BAD12B00)

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

S125

A

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