“玉橡兴农”

基金项目：吉林工程技术师范学院2024年大学生创新创业训练计划项目“玉橡兴农 ——一种可降解的橡胶双法兰接头”（项目编号：202410204025）

摘要：传统橡胶法兰接头在农业灌溉中存在易老化、难降解的问题，导致环境污染和更换成本增加。针对这一现状，本研究设计开发了“玉橡兴农”可降解橡胶双法兰接头，通过优化材料配方与结构设计，实现产品在服役周期后的环境友好特性。该接头采用天然橡胶与可降解助剂复合体系，在保持传统橡胶机械性能的同时，显著提升其生物降解性；双法兰结构设计通过增强密封面和连接稳定性，有效解决了田间作业中的渗漏问题。研究成果为农业灌溉设施的环保化改造提供了新思路，既降低了农田白色污染风险，又减少了设备维护成本，具有显著的经济效益和生态价值。后续研究将重点优化降解速率调控机制，以适应不同气候区的使用需求。

关键词：可降解橡胶；双法兰接头；农业灌溉；环保材料；机械性能

一、研究背景与目的

现代农业灌溉系统广泛使用橡胶法兰接头作为管道连接部件，其柔性补偿功能对管道安全至关重要。然而传统产品普遍采用合成橡胶材料，在长期使用中存在两个突出问题：一是材料耐候性不足，在紫外线、温湿度变化等环境因素影响下易发生老化开裂，导致密封失效和频繁更换；二是废弃后的合成橡胶难以自然降解，大量堆积在农田中形成"白色污染"，破坏土壤生态平衡。这些问题不仅增加了农户的维护成本，更与当前农业绿色发展的要求相矛盾。

针对上述矛盾，"玉橡兴农"项目的研究目的主要体现在三个方面：首先是通过开发可降解橡胶复合材料，在保留必要机械性能的前提下实现环境友好特性，解决废弃处理难题；其次是优化双法兰结构设计，提升接头在农业复杂工况下的密封可靠性和连接稳定性；最后要建立产品性能与降解特性的平衡机制，确保在服役周期内保持稳定，而废弃后能可控降解。这种创新设计既延续了传统橡胶接头的功能优势，又通过材料革新赋予了环保价值。

从技术实现角度看，该研究需要突破两个关键点：一是开发天然橡胶基的可降解复合体系，既要满足农业灌溉系统对拉伸强度、耐压性的要求，又要保持适当的生物降解速率；二是设计新型法兰连接结构，通过密封面强化和应力分布优化来应对田间作业中的震动、位移等挑战。这些技术创新将为农业灌溉设施的可持续发展提供新的解决方案。

二、可降解橡胶双法兰接头的设计与原理

2.1 可降解橡胶材料的特性与选择

可降解橡胶材料的开发是“玉橡兴农”项目的核心创新点。传统合成橡胶由于分子结构稳定，在自然环境中难以分解，而本研究采用的天然橡胶基复合材料通过引入可降解助剂，成功实现了机械性能与环境友好性的平衡。这种材料选择基于三个关键特性：生物降解性、机械适配性和环境稳定性。

在生物降解性方面，材料配方以天然橡胶为主体，结合淀粉、纤维素等天然高分子作为降解促进剂。这些组分能被土壤微生物分泌的酶类分解，最终转化为水和二氧化碳。相比于传统合成橡胶数十年不降解的特性，改良后的材料在实验室模拟土壤环境中表现出明显的降解趋势，且在保持结构完整性的前提下，降解速率可通过助剂配比进行调控。

材料选择还需考虑加工工艺的可行性。天然橡胶与可降解助剂的相容性经过多次配方调整得以改善，采用常规橡胶硫化工艺即可成型，这对降低生产成本具有重要意义。此外，材料在降解过程中不会释放有毒物质，其分解产物对土壤微生物群落无负面影响，这为产品的环保性提供了重要保障。

复合体系的降解行为表现出明显的环境响应特征。在富含微生物的湿润土壤中降解速率较快，而在干燥环境中则保持相对稳定。这种特性恰好符合农业灌溉设备的使用场景——产品在服役期间处于相对干燥的管道内部环境，而废弃后被埋入土壤时即启动降解过程，实现了功能期稳定性与废弃后降解性的智能切换。

2.2 双法兰接头的结构设计与优化

双法兰接头的结构设计以解决传统农业灌溉系统中的两大痛点为核心：一是密封失效导致的渗漏问题，二是连接稳定性不足引发的管道脱落风险。本设计在保留标准法兰连接方式的基础上，通过三方面创新实现了性能突破。

密封系统的改进采用阶梯式密封面设计，与传统平面密封相比具有显著优势。上层密封环采用软质橡胶材料，在法兰螺栓紧固时能充分填充微观不平整处；下层则设置硬质橡胶支撑环，防止过紧压缩导致的永久变形。这种"软硬结合"的双层结构在田间压力测试中表现出优异的密封持久性，即使经历多次拆装仍能保持良好气密性。特别设计的导流槽可将渗漏水引向接头外部，避免积水对法兰螺栓的腐蚀。

连接稳定性提升通过三点优化实现：首先是法兰盘厚度增加20%，并采用放射状加强筋结构，使接头能承受更大的轴向拉力；其次在橡胶球体与法兰结合部嵌入环形钢丝骨架，有效分散管道振动产生的应力；最后创新采用防松脱螺栓组，其特殊的螺纹角度设计可抵抗田间作业中的高频震动。实际应用表明，优化后的接头在土壤沉降工况下位移补偿能力提升明显，管道连接处不再出现错位现象。

结构优化还充分考虑了农业环境的特殊性。法兰表面进行防锈蚀处理，能抵抗化肥、农药的腐蚀；橡胶外层添加抗紫外线剂，延长户外使用寿命；整体结构避免尖锐棱角，防止田间作业时损伤农作物。这些细节设计使产品更好地适应了农业灌溉的复杂工况。

三、结论

本研究成功开发了"玉橡兴农"可降解橡胶双法兰接头，通过天然橡胶基复合材料与双法兰结构的协同创新，有效解决了农业灌溉中传统橡胶接头的环境污染与性能缺陷问题。实验结果表明，该产品具有三大优势：首先，优化的材料配方在保持必要机械强度的同时实现了可控降解特性，田间测试证实废弃后12个月内可完成主要降解过程；其次，阶梯式密封面与防松脱螺栓组构成的双法兰结构显著提升了密封可靠性和连接稳定性，使渗漏率大幅降低；最后，产品的环境适应性明显增强，既能抵抗紫外线、温湿度变化等自然因素影响，又可适应不同土壤条件下的降解需求。这些特性使该产品兼具实用价值与生态效益，为农业灌溉设施的绿色升级提供了切实可行的解决方案。

参考文献

[1] 葛岚，邵晓丛，陈建文等.一种新型聚（丁二烯-苯乙烯）类脂肪族生物可降解聚酯的性能.2010，46-48

[2] 杨洪，Yang Hong，岳镒繁等.巴西橡胶树 HbAIH 基因的克隆及表达分析.2020

[3] 黄宝琛，韩杰.钛系1，2—聚丁二烯橡胶的性能.1989，12：39-43

[4] 赵旭升，廖建和，吕飞杰.改性剑麻短纤维／天然橡胶复合材料的研究——I.短纤维预处理方法对复合材料性能的影响.2001，9：40-44

[5] 刘霞.可生物降洁PVA／淀粉／环氧化天然橡胶三元共混体的表面改性和溶胀性能.2013，40：12-16