热区温室大棚塑料薄膜耐候性分析初探

刘　建，孙芳媛，王宝龙，杨丹彤

(1.海南大学 热带农林学院，海口　570228； 2.华南农业大学 工程学院，广州　510642)

0　引言

我国国内温室常用的覆盖材料种类很多，热带地区主要为塑料薄膜、防虫网、遮阳网、阳光板及玻璃等。覆盖材料在一栋温室的造价中占比非常大[1]。相对于温室其他构件，覆盖材料使用寿命较短，需要定期更换。在各类温室覆盖材料中，低密度聚乙烯塑料薄膜(Low density polyethylene，简称LDPE)使用最为频繁[2]。同国外塑料覆盖材料5～10年的使用寿命相比，因生产技术、使用环境及维护保养等原因，国内塑料覆盖材料的使用寿命只有2～3年，聚乙烯塑料薄膜的使用年限从1季到3年不等，且透光性和保温性等重要功能随使用时间的延长而逐步衰减、丧失[3]。其中，紫外线照射带来的光热氧化是促使塑料制品老化的关键因素[2, 4]，而温室结构(如构造尺寸、覆盖材料的固定形式、薄膜与温室结构接触点的保护措施)也对薄膜的老化起到重要影响。早期的研究表明：聚乙烯薄膜光氧化反应的速率与温度密切相关，温度每升高10℃，反应速率增加1倍[5]。有调查指出，覆盖材料与温室金属结构连接处，夏日温度可高达70℃[6]，与温室结构连接处的薄膜无疑成了整片覆盖材料中最易老化的部分。

考察发现塑料覆盖的自然老化破损多由卡簧卡槽处开始，如图1所示。

图1　温室薄膜的自然老化

前人对薄膜耐候性的研究多集中在制造工艺或添加剂对薄膜的改性上[7]，而未从温室施工、日常维护的角度对薄膜进行研究。本文将从实验的角度分析薄膜的老化性能，为温室的日常使用和维护提供参考。

1　理论分析

低密度聚乙烯塑料薄膜属于高分子聚合物，聚合物的力学性能与材料的微观结构和化学组成密切相关，强度和分子量密切相关，而塑料薄膜的分子量是一个平均值[8]。不完全均匀的分子量造成了聚合物的实际强度远低于理论强度。塑料薄膜的内部有许多微孔洞和微裂缝，这些微缺陷有的产生于材料的加工制造，有的产生于使用过程中的外力和环境因素。微缺陷在荷载、温度或环境效应等因素持续作用下进一步增长、扩展、合并，形成一定尺度的宏观裂纹[9]。导致材料的力学性能劣化的微观结构变化称为损伤，损伤过程的终点是宏观裂纹的形成[9-10]。

式中a—裂缝长度之半；

ρ—尖端的曲率半径。

将薄膜拉伸也可观察到，表面光滑未见细纹的薄膜，拉伸到一定程度后，出现针头大的小孔，随即迅速扩大，直至断裂；而表面有细纹损伤的薄膜，无一例外由损伤处断裂。塑料薄膜与卡簧卡槽接触处的频繁摩擦及昼夜高温差，会加剧薄膜的损伤，导致结构的强度下降，最终引起薄膜的破坏。

2　试验设计

为了对塑料薄膜的老化程度进行评估，并重点研究卡簧卡槽夹持处的薄膜老化程度，对使用不同年限的塑料薄膜进行拉伸力测试。以最大荷载(Maximum load)、断点延伸率(Elongation at Break)、拉伸强度(Tensile Strength)为评价指标，从试验角度探寻温室薄膜最易老化的部位及老化原因，以期延长薄膜的使用年限。

2.1　材料选择

农用低密度聚乙烯塑料薄膜种类很多，常按其化学组成和制作工艺进行分类。应用较为广泛的是PEP利得膜，它是将PE和EVA按照3层共挤式(PE+EVA+PE)制成的复合膜。其中，醋酸乙烯(EVA)作为添加剂的含量在4%～10%之间，PEP利得膜现有配方300种以上[11]。其兼具PE膜的耐温性及EVA膜的强韧性，不仅能抗高温及强风，还兼有透光率高、保温性好、防尘及防流滴等优点[12-13]。目前，国内市场上塑料薄膜按厚度来销售，厚度为8～15丝，1丝≈1mm。本试验选取两种常见的规格：0.10mm厚和0.15mm厚的PEP利得膜。

2.1.1测试点分布

取样位置如图2所示。图2中，0.15mm厚薄膜单层安装固定；0.10mm厚薄膜采用多层覆盖的形式，与遮阳网一并安装固定，遮阳网在外，薄膜在内。固定用的卡槽由镀锌板材制成，卡簧为浸塑处理的铁丝。

取样位置A位于0.15mm厚的薄膜的非卡簧卡槽夹持处，B位于0.15mm厚的薄膜的卡簧卡槽夹持处。C位于遮阳网覆盖下的0.10mm厚的薄膜的非卡簧卡槽夹持处，D位于遮阳网覆盖下的0.10mm厚的薄膜的卡簧卡槽夹持处。

图2　取样位置图

2.1.2样条制备

两种厚度的薄膜按未使用、使用8个月(2013.06-2014.01)；使用近3年(2011.10-2013.03)分组。每组按照实际情况取卡簧卡槽夹持处与非卡簧卡槽夹持处(未使用过的全新料不予区分)分别进行5次重复。Demetres Briassoulis[8]在早期的研究中指出，横向或纵向取样无明显拉力区别。

样条制备参考GB/T1040.3《塑料 拉伸性能的测定 第三部分：薄膜和薄片的试验条件》，选取“2型试样”(见图3)，将材料裁剪为宽20mm、长150mm的长条，确保试样边缘光滑且无缺口[14]。试样中部有间隔50mm的两条平行标线，便于夹具夹持。

b.宽度(10～25mm)；h.厚度(≤l mm)；L0.标距长度(50±0.5mm)；

L.夹具间的初始距离(100±5mm)；L3.总长度(≥150mm,0.1mm厚薄膜安装形式)

图3“2”型试样

Fig.3Type 2 sample

2.2　设备仪器

选用济南金测试试验机设备有限公司生产的LD-5B-3型电子拉力试验机。经预测试，塑料薄膜的拉伸试验选择第3个档，最大测试力为200N，试验速度50mm/min。试验在室温20～25℃、相对湿度60%～70%的环境下进行。拉伸试验自动记录各时间点的力值与形变量，样条断裂后自动停机输出数据，至此完成了一次重复。

3　试验过程与数据处理

3.1　新薄膜的拉伸试验

新膜的5次重复试验记录如下。每次试验输出试验过程中任意时间点的拉伸力与形变量，并附最大力值与最大强度。将数据整理为形变量与拉伸力的关系图，如图4所示。

观察图4可知：拉伸过程明显地分为弹性变形阶段和塑性变形阶段；初始阶段拉伸力为零，随着试验的继续，样条由松弛状态渐变为紧绷状态，而后发生弹性变形。通常为简化分析，假设塑料薄膜为理想弹性体，弹性变形过程中应力应变存在一对应的线性关系。当外力超出弹性极限荷载后，进入短暂的屈服阶段，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形[15]。随着拉伸的继续，塑性应变急剧增加，应力应变出现微小波动。这一阶段材料发生屈服，原组织被破坏。薄膜沿着外力作用方向进行分子取向、结晶重排及链段滑移[9]；而越过屈服点后的塑性变形阶段，除了伴随着原组织有序和无序区之间发生一定程度的交换，分子主链之间还会发生部分断裂[16]。塑料薄膜属于韧性固体，塑性变形能力强，当力不断增大达到断裂负荷(即最大力值)时，应力为拉伸强度(MPa)。观察图4可知：新膜的断点伸长量约为464mm(0.15mm厚)和351mm(0.10mm厚)。

图4　新膜拉伸力与形变量图

3.2　使用8个月的0.15mm厚薄膜拉伸试验

试验过程中(见图5)，使用过的薄膜有明显折痕或细纹损伤的，均在损伤处断裂。表面光滑未见细纹的薄膜，拉伸到一定程度后，出现针头大的小孔，随即迅速扩大，直至断裂。

使用8个月后，取样位置A处的薄膜(非卡簧卡槽夹持部分的薄膜)在拉伸过程中受力和形变量均无明显下降，即试样的拉伸强度和断裂伸长率未有明显衰减；而取样位置B处的薄膜(卡簧卡槽夹持部分的薄膜)在拉伸过程中断裂伸长率衰减了61%，由新膜的927.2%衰减为362.0%。

试验过程中，试样的每个介质点均受拉力，同时将拉力向相邻的介质点传递，则能量以该种形式在介质中传播。塑料薄膜这类聚合物的强度和分子量密切相关，分子量均匀、排布整齐的薄膜各介质点能将受力均匀分散[17]。实际上，试样的每个介质点都有变形差异，那么即使每个介质点受到相同的拉力，变形率也会不同；而被卡簧卡槽夹持的部分，材料因高温过早老化变硬，延展性骤降，介质点受力时无法将能量传递分散，所以此处优先变形。

图5　使用8个月的0.15mm厚薄膜拉伸力与形变量图

3.3　使用8个月的0.10mm厚薄膜拉伸试验

使用8个月的0.10mm厚薄膜拉伸力与形变量图如图6所示。由图6可知：0.15mm厚的薄膜重复试验的一致性较好，图形重叠率高；而0.1mm厚的薄膜的5次重复一致性较差，图形离散程度高。使用8个月后，取样位置C处的薄膜断裂伸长率衰减了12.8%，由新膜的701.6%衰减为611.8%；取样位置D处的薄膜断裂伸长率衰减了27.3%，衰减为510.0%。薄膜与遮阳网一并安装，薄膜在内，遮阳网在外的方式可延缓薄膜因接触卡簧卡槽而老化。

图6　使用8个月的0.10mm厚薄膜拉伸力与形变量图

3.4　使用近3年的0.15mm厚薄膜拉伸试验

0.15mm薄膜使用近3年后老化严重，延展性大大降低，新膜的断裂伸长率为927.2%。使用3年后，取样位置A处的薄膜(非卡簧卡槽夹持部分的薄膜)断裂伸长率衰减为611.2%，取样位置B处的薄膜(卡簧卡槽夹持部分的薄膜)断裂伸长率衰减为63.2%。

图7　使用近3年0.15mm厚薄膜拉伸力与形变量

4　结果分析

拉伸强度(拉伸断裂应力)以σ(MPa)表示，则

式中F—最大力值(断裂负荷)(N)；

b—试样宽度，b=20mm；

h—试样厚度(mm)。

断裂伸长率或屈服伸长率以ε(%)表示，则

ε=100L0/L(%)

式中L0—试样原始标线，50mm；

L—试样断裂时或屈服时标线间距离(mm)。

机械拉伸性能的是评价薄膜老化程度的一项重要指标。拉伸强度及断点伸长率统计如表1所示，由拉伸强度及断点伸长率制成的应力应变曲线如图8所示。

表1　使用不同时限的薄膜的拉伸强度

续表1

0.15mmA—0.15mm厚，取样位置A，取自非卡簧卡槽夹持处；0.15mmB—0.15mm厚，取样位置B，取非卡簧卡槽夹持处；0.10mmC—0.10mm厚，取样位置C，取自非卡簧卡槽夹持处；0.10mmD—0.10mm厚，取样位置D，取自卡簧卡槽夹持处。

图8　薄膜的应力应变曲线

不同规格的塑料薄膜在使用过后断点伸长率都会下降。对于0.15mm厚的塑料薄膜，取样位置B比取样位置A的断点伸长率下降严重；对于0.10mm厚的塑料薄膜，取样位置D比取样位置C下降严重，可知卡簧卡槽的夹持会加速塑料薄膜的老化。

拉伸强度为单位截面薄膜在拉伸断裂时的拉力，表示物质抵抗拉伸的能力。塑料薄膜在使用过后，拉伸强度整体变化趋势是下降的，取样位置A处0.15mm的薄膜还呈现拉伸强度先上升后下降的趋势，取样位置D处的拉伸强度高于取样位置C处。王小满在《农业用塑料薄膜耐老化性能测试技术》中也提到，薄膜在自然气候暴晒初期拉伸性能有提升的倾向[18]。文献[17]将其定义为高分子材料早期老化时的“退火效应”，分子链发生了重组、聚合以消除材料的部分内应力和材料的内部缺陷，导致抗拉强度值略有上升[19]。

决定塑料薄膜拉伸性能的是薄膜的分子量及结晶度，支链越规则，结晶度就越高，拉伸强度越高[5,20]。老化将导致分子链断裂，分子量减小，分子的支链规则度下降，分子间作用力下降，所以使用过后薄膜的拉伸强度的整体趋势是下降的。

5　结论与讨论

1)覆盖材料与温室金属结构连接处，即卡簧卡槽夹持处薄膜易老化，拉伸性能较其他部位差。

2)薄膜与温室结构接触点的保护措施对薄膜的老化起到重要影响，垫层的存在可阻挡部分紫外线，也可在夏日避免薄膜与高温金属卡槽直接接触，可减弱薄膜因卡簧卡槽的夹持带来的加速老化。

3)0.15mm厚的薄膜的拉伸性能较0.10mm厚的薄膜稳定。

本文虽已得出一些较为直观的结论，但实验设计还不够严谨，未能对老化的机理结合环境因素做深层的剖析。实际上，老化是很复杂的过程，受到各种环境因素的影响，热区温室薄膜不仅受紫外线、高温的光热氧化，还受到各级风及台风等影响。为延长覆盖薄膜的使用年限，还有待进一步更细致的研究。