农用多功能聚乙烯棚膜的研究

汪晓鹏

(甘肃省皮革塑料研究所， 甘肃 兰州 730046)

农用多功能聚乙烯棚膜的研究

汪晓鹏

(甘肃省皮革塑料研究所， 甘肃 兰州 730046)

摘要介绍了农用多功能聚乙烯棚膜的特点和发展趋势。使用纳米二氧化硅制备了多功能聚乙烯棚膜，并研究了其性能。结果表明：多功能聚乙烯棚膜的力学性能、红外线吸收及透光率均得到提高，具有提高棚温和增产作用。

关键词保温； 聚乙烯； 棚膜； 研究开发

0前言

我国农业正在由传统的粗放型向精细化现代化转变。在农业发展中，农用塑料薄膜的作用越来越显著。2013年，我国农用塑料薄膜的消费量达1 873.6 kt，地膜覆盖面积超过13 000 khm2,已成为全球生产和消费第一大国。随着农业生产的发展，对农用塑料薄膜的要求也越来越高，亟需开发高透光、高保温、高强度、长寿和防雾滴等功能化的农用棚膜，以及保温、保墒、除草、防虫等功能化的地膜，以满足现代农业的需求。

1聚乙烯保温薄膜的发展

太阳光白天到达地球表面照射能量的98%集中在0.3～3.0 μm的波长；夜间从地球表面向大气层散热的辐照能量的90%集中在7～25 μm的波长，其峰值为11～13 μm。农作物光合作用的有效波长为0.4～0.7 μm，与可见光的基本一致。可采取提高棚膜在0.4～0.7 μm波长内可见光透光率，提高棚内温度，促进农作物的光合作用；以及降低棚膜在7～25 μm的透光率，减少棚内热能以传导、辐射、对流等形式透过棚膜向外散射，保持棚内温度。另外，增加膜的厚度也可提高棚内温度，但是该方法所起的保温作用有限，且增加了膜厚必然增加成本。而红外线阻隔剂成为提高PE棚膜保温性能的最佳选择。由于一些无机填料对红外线具有屏蔽作用，可作为棚膜的红外线阻隔剂。德国CONSTAB聚合物化学有限公司采用粒径为2 μm的具有特殊性能的黏土作为红外线阻隔剂，厚度为0.12 mm的PE棚膜在7～14 μm波长范围内的红外线透过率减少到25%。北京市塑料研究所、杭州市新光塑料厂、河南省焦作市第一塑料厂、中国轻工总会塑料加工应用科研所等均采用无机云母、高岭土、滑石粉、碳酸钙、氢氧化镁、碳酸镁、硅藻土等填充改性PE棚膜，取得了较好的红外线阻隔效果。PE棚膜在7～25μm波长的红外线透过率为36%～50%、可见光透过率为75%～90%、散射光透过率为25%～55%。国外采用的无机填料生产的红外线阻隔剂在7～25μm波长的透过率为20%～53%。

红外线阻隔剂能有效反射红外线，一方面,可透过可见光；另一方面，可以将来自土壤的红外线反射回大棚内。目前纳米SiO2应用于棚膜保温的报道仍然鲜见。硅化合物独特的晶体结构对红外线具有较强的屏蔽阻隔作用，其阻隔效果优于不含硅的无机物的。将改性纳米SiO2添加于PE棚膜中生产保温棚膜，经农田试验，棚温可提高3℃～5℃，有效促进农作物成长和提高产量[2]。

2实验

2.1　原料

纳米级SiO2MNIP-02、MNIP-01，平均粒径10 nm，比表面积640 m2/g，纯度>99.9%,舟山明日纳米材料有限公司;

LDPE1I7B，20.4 A,北京燕山石化;

EVA14/0.7,北京有机化工厂;

聚氧乙烯(PEO，Mw=900 000)、聚乙二醇、硅烷偶联剂ZS-1、乙醇兰州助剂厂;

高岭土、滑石粉、碳酸钙青海乐都新兴粉体材料厂。

2.2　仪器及设备

高速搅拌机10L，北京塑料机械厂；双螺杆挤出机兰泰塑料机械有限公司；吹膜机组SJ-65-30型，大连橡塑机械有限公司；造粒机组SJ65/28型(双压缩排气式)，佳木斯市塑料机械厂；25t平板硫化机大连橡塑有限公司;CMT 8502型微机控制电子万能试验机深圳市新三思材料检测有限公司；Tensor-27红外光谱仪美国布鲁克斯公司； WGW光电雾度仪上海第二光学仪器厂;HZ-7004橡胶低温脆性试验仪恒准仪器科技有限公司;紫外光谱仪HITACHI，日本日立公司。

2.3　成型工艺条件

挤出机料筒的直径φ为65 mm～150 mm；螺杆长径比(L/D)为(20～26)∶1；螺杆形式计量型；压缩比为(3～4)∶1；模具为圆型模，φ300～2 000 mm。采用挤出上吹塑法，三段式料筒。加料段温度140℃～160℃，熔融段160℃～170℃，均化段170℃～180℃；模具温度150℃～170℃；吹塑比为(1.2～2.5)∶1；牵引速度10～60 m/min。

2.4　试样制备

试样制备按照棚膜配方进行,如表1所示。

1#试样将纳米SiO2/HDPE加入球磨机中，球磨6 h后，置入双螺杆挤出机挤出造粒，制得母料A。将母粒A与LDPE按1∶9的质量比混合均匀，加入EVA，挤出吹膜。

2#试样将LDPE、纳米填料和添加剂，在高速混合机中混合3 min后，置入双螺杆挤出机，制得母粒B。将母粒B与LDPE按1∶9的质量比混合均匀，加入EVA，然后吹塑成膜。

3#试样纯LDPE棚膜。

4#试样普通PE棚膜。

工艺流程：

表1　保温棚膜的配方

2.5　性能测试

试样按照聚乙烯棚膜和地膜的国家标准GB 4455—2006和GB 13735—1992测试。

拉伸强度和断裂伸长率按GB 13022—1991测试；

撕裂强度按QB/T 1130—1991测试。

红外线吸收和透光率采用红外光谱仪，KBr压片，薄膜在4 000~200 cm-1范围内取谱。

雾度和透光率采用光电雾度仪测定。

紫外线吸收和透射采用紫外线光谱仪，薄膜试样在190~1 100 nm范围内取谱。

3结果与讨论

3.1　复合材料的共混

1#试样中无机纳米微粒在基体中的分散相的粒径在200～300 nm，纳米微粒有团聚现象，分散不均匀，可能是由于球磨机未能将无机微粒加工到纳米级。2#试样中无机纳米微粒在基体中的分散相的粒径在100～200 nm，分散性好于1#试样的，但无机微粒的分散性也不均匀。1#试样中无机微粒与基体的相界面模糊，说明微粒与基体有较好的相容性。2#试样中无机微粒与基体的相界面明显，表明相容性不好，黏结力稍差。对纳米微粒表面改性，可增强纳米复合材料的性能。

3.2　偶联剂对力学性能的影响

表2为不同配方试样的力学性能。由表2可见：1#、2#、3#试样的力学性能差别不大，各项指标均超过GB 4455—2006标准，与普通PE棚膜4#的力学性能相近。1#和2#试样的拉伸强度和直角撕裂强度与3#试样的相比，分别下降了12.6%和4.0%。随着纳米无机微粒的质量分数增加，发生了团聚，使得与树脂之间的黏结力下降，力学性能下降，粒径在100 nm～300 nm为佳。比较1#、2#试样发现：纳米SiO2微粒的处理方法对其分散性影响显著。MNIP-02的分散性优于MNIP-01的。可能由于制造工艺不同所致，其中，MNIP-02是通过硅烷干法制得，硅烷的质量分数为2%左右；MNIP-02是通过湿法工艺制得，先将纳米微粒分散于氯仿溶剂中，加入硅烷湿法处理，硅烷的质量分数高达20%。使用SEM观察1#、2#试样，团聚现象严重，力学性能低于3#试样的。

3.3　红外线吸收和透过率性能分析

7～14 μm的红外线吸收和透过率对农用塑料薄膜的保温性具有决定性的作用。表3为不同配方试样的红外线吸收率；表4为不同配方试样的红外线透过率。由表3、4可见：2#试样的红外线透过率低于1#、3#试样的，而1#试样的红外线透过率又低于3#试样的，说明1#和2#试样的保温性能优于3#试样的。4#试样的红外线透过率很低。这是因为4#试样的膜厚度达到0.13 mm，而且未添加纳米保温剂，比1#、2#、3#试样的膜厚度0.070 mm，高出近1倍。

表2　不同配方试样的力学性能

表3　红外线吸收率(%)

表4　红外线透过率/(%)

3.4　紫外线和可见光的透过率性能分析

试样紫外线和可见光的透过率，如表5所示。1#、2#、3#试样的可见光透过率相差无几，可是1#、2#试样的紫外线屏蔽能力明显优于3#试样的，表明纳米SiO2的加入确实对紫外线有屏蔽作用，可有效防止紫外线对农作物的伤害。从表5还可发现1#、2#和4#试样的紫外线透过率相近。这是由于4#试样的膜厚度远较1#、2#试样的厚。

表5　紫外线和可见光的透过率

3.5　填料对棚膜力学性能的影响

表6为无机填料对棚膜力学性能的影响。粒径为10 nm的纳米SiO2的质量分数为5%时，可达到GB 4455—2006标准，对棚膜的力学性能没有影响。但从成本效益分析，纳米SiO2的质量分数为10%～20%更合理,可减少树脂用量，降低成本。试验结果表明：无机物粒径的形状严重影响棚膜的力学性能，尤其是针状结构、鳞片结构的无机填料，在吹塑成型过程中不可能沿着薄膜拉伸牵引方向完全取向，对薄膜的力学性能产生较大影响。粒径减小可提高力学性能，纳米SiO2具有量子隧道、表面效应，可与高分子基体良好复合，提高棚膜的力学性能[3]。

表6　无机填料对棚膜力学性能的影响

4结语

(1) 农用棚膜在农业生产中的作用日益显著，其用量和品种不断增加，但对功能膜的开发比较薄弱。因此，开发保温膜，在尽量减少对可见光透过率的影响下，大幅度提高棚膜的红外线阻隔性、雾度和光散射率，提高棚膜的保温性能。

(2) 利用硅烷偶联剂处理纳米SiO2微粒，然后与LDPE进行共混复合制得功能性聚乙烯棚膜，并测试了其力学性能。聚乙烯棚膜的拉伸强度为22.9～26.2 MPa、断裂伸长率为586%～932%、直角撕裂强度为87.5～110.8 N/mm，均超过国标规定技术要求。与其他无机填料相比，具有较强的红外线阻隔能力。

(3) 纳米SiO2的质量分数为10%～20%的聚乙烯棚膜性能较好，可大幅提高棚膜的保温性能，并有效屏蔽紫外线，提高了棚内温度，减少了紫外线对农作物的伤害，提高了农作物的产量和质量。

参考文献：

[1]刘英俊，张培专，康军.无机填料对聚乙烯农用棚膜光学性能的影响[J]. 塑料科技,1997， 25(6):46-50.

[2]刘英俊. 煅烧煤系高岭土在农用塑料薄膜中的应用[J]. 塑料科技,2002，30(2):22-26.

[3]杨明山. 塑料改性工艺、配方与应用[M]. 2版.北京：化学工业出版社， 2013： 188-206.

塑料包装薄膜行业发展前景可观

2007年到现在，我国塑料薄膜产量呈现上升趋势，到2014年6月达到最高，为117.8万吨。目前聚乙烯主要用于生产塑料薄膜。随着生活水平的不断提高，人们对材料的功能多样化也越来越高。今后需求增长预计仍集中在包装领域，薄膜所占份额可能进一步扩大。

常见的塑料薄膜通过吹膜或者流延制成。塑料薄膜具有一定程度的透明性、气密性、防潮性、热塑性等其它包装材料所不具备的优点，广泛应用于商品包装领域。近年来食品、医疗及个人护理用品成为塑料薄膜行业需求的主要方面；而亚太地区成为全球最大的包装薄膜市场，需求的日益增长带来的是出口的机遇。在食品包装成为包装薄膜最大终端应用市场的同时，药物及医疗领域也紧随其后，对包装薄膜的需求逐年增加。近年来中国和印度的食品及医疗药物行业迅速崛起，这在很大程度上推高了包装薄膜市场走势。预计未来几年，中国和印度有望成为亚太包装薄膜市场进一步繁荣的主要驱动力。

伴随我国消费水平的不断升级，包装行业需求总量仍有大幅提升的空间。企业应加大技术投入，合理利用资源，尽快弥补在生产技术和材料供应方面存在的不足，从而在塑料薄膜市场赢得更多的市场份额。

Research on Multi-functional Polyethylene

Greenhouse Film for Agriculture

WANG Xiao-peng

(Gansu Provincial Leather & Plastics Research Institute, Lanzhou 730046， China)

Abstract：The characteristics and development trend of muti-functional polyethylene green house film for agriculture are introduced. The multi-functional polyethylene greenhouse film for agriculture was prepared with nano SiO2, and the properties of the polyethylene greenhouse film were investigated. The results show that the mechanical properties, infrared absorption and transparent ratio of the multi-functional polyethylene greenhouse film have improved, with raising the shed temperature and increasing yield.

Key words：temperature retention； polyethylene; greenhouse film； research and development

收稿日期：(2015-01-29)

作者简介：汪晓鹏(1965—)，男，高级工程师，从事塑料改性和质检等研究。

中图分类号：TQ 320

文献标志码：A

文章编号：1009-5993(2015)02-0046-04