农用大棚塑料薄膜材料发展综述

王欣 王克俭（北京化工大学机电工程学院成型制造研究中心）

一、概述

中国自古以来是以“农”立国，作为一个农业大国，中国始终把农业的发展放在首位。而农用薄膜在利用国土资源、增加作物产量和提高经济效益等方面有着极大的优势，对现代化农业发展起着重要的作用。在20世纪50年代，农业开始运用塑料薄膜，在60年代中国开始制造使用薄膜。目前我国已经成为世界上使用农业薄膜最多的国家。其产量和覆盖率位居世界第一。大力发展塑料薄膜应用技术对我国经济增益、粮食作物产量有着很好地帮助。农业薄膜按其分类分为地膜和棚膜两种。随着农业的飞速发展，开发及使用棚膜的技术也逐渐提高。

本文简单介绍近年来国内外塑料棚膜的发展概况、农用棚膜所应用的材料以及使用情况，并对我国塑料棚膜发展存在的问题进行了分析，并提出发展建议。

二、国内外农用棚膜现状及发展

目前我国已成为世界上棚膜覆盖率的最高的国家，据最新资料显示，农用棚膜的覆盖面积近20万公顷，我国每年各种棚膜的使用量约140多万吨，棚膜每年的需求量约70多万吨[1]。通过近30年的努力和发展，我国研制出的农用塑料棚膜逐渐与国外的塑料棚膜减小差距。对于一些发达国家如北美、荷兰和日本等国已经形成了相对成熟的农用棚膜市场，在这些地区的市场占很大比例的是具有多种功能、有效使用寿命长的三层共挤棚膜。而像印度、越南、菲律宾等人口高度密集的国家，棚膜的使用量剧增，增长速度很快。我国在塑料棚膜技术上不断跟踪国外先进技术，PVE、PE、EVA无滴膜已在 90年代逐步普及应用，近两年开发成功的PVC、PE、EVA消雾型无滴膜将在3、5年内逐步取代普通无滴膜在冬暖式大棚上的推广和使用[2]。消雾型无滴膜是配方中加入了防雾气的特殊塑料助剂（有机氟或有机硅），生产出这种消雾无滴膜不仅具备了普通无滴膜的透光、保温、防老化及无滴功能，而且能使靠近棚膜的空气中的水汽吸附在膜的表面，形成水膜向下流沿，从而防止和消除棚内的雾气，降低了空气相对湿度，并增加了棚内光照强度，从而达到了升高棚内气温和地温，减轻病害发生，提高作物产量的目的。这种PVC、PE、EVA等树脂生产的消雾膜从功能性和价格等多方面非常适合我国现阶段设施园艺发展水平的需要，应加大推广开发力度[3]。BOPET（双向拉伸聚酯薄膜）是一种新型高分子薄膜材料，具有机械强度高、光学性能好、使用温度范围宽、耐折、耐腐蚀等优良的综合性能，它已广泛用于包装材料等诸多领域。在国外 BOPET在农用大棚膜方面已得到较为广泛应用。BOPET大棚膜其抗拉强度是PE膜的9倍且透光性更好、寿命更长、无污染等优点。据报道，PET棚膜在美国和日本发展较快、应用较多。PET棚膜在我国目前尚未得到应用，但是 BOPET的优良的综合性能已受到有关方面的关注，随着我国国民经济的发展和科学技术的进步，我国农业的发展潜力巨大，前景无限，与发达国家相比，中国农用塑料棚膜依然有很大的发展空间[4]。表1是我国棚膜发展历史。

表1 棚膜发展

三、农用塑料棚膜的选材

生产农用棚膜之前我们应该对选用原材料的主要性能有所了解，为了使制备出的塑料棚膜具有更加稳定的产品性能以及有利于农作物的生长，原材料基础树脂的选择是制备农用棚膜的关键因素。目前国内农用塑料棚膜所用原材料主要为聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（LDPE，LLDPE，HDPE，mLLDPE）和乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）这三种树脂。国内外正在开发的树脂有聚酯、离子型交换树脂、PET及ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚树脂）等树脂[5][6]。

3.1 聚氯乙烯（PVC）树脂

聚氯乙烯（PVC）是线型分子无定形结构，没有明显的熔点。一般相对密度为1.4 g/cm3，折光率为1.544。聚氯乙烯（PVC）棚膜具有保温性、透光性、耐候性好，易造型等特性，初期透光率高，有弹性适合作为温室、大棚及中小拱棚的外覆盖材料[14]。PVC是非结晶性高聚物，一般仅有5%左右的少量结晶，其透明性优于PE、EVA等树脂。PVC的最大优点是具有难燃性和自熄性。缺点是薄膜比重大，一定重量的棚膜覆盖面积比PE少1/3且成本增加。在低温下易脆化、易变硬，在高温下易软化、易松弛、耐老化性也变差，这是由于增塑剂等助剂的析出防尘性不好，相对使用期较短，对应力敏感，故变形后不能完全复原。因为PVC棚膜配方工艺较复杂、存在着增塑剂毒性及增塑剂迁移等问题，特别是PVC不易回收，残膜不能燃烧处理，焚烧时会产生有毒的氯化氢气体，严重污染环境，所以现在其应用范围越来越小，用量逐渐减少。因为PVC的熔融温度接近于其分解温度，会使PVC的热稳定性不好，成型加工性能不好，加工温度控制不好易于降解、糊料[7][8]。

3.2 聚乙烯树脂

聚乙烯树脂包含PE、LDPE（高压聚乙烯）、LLDPE（线型低密度聚乙烯）、HDPE（高密度聚乙烯膜）等。聚乙烯棚膜质地轻，柔软，易造型，透光性好，无毒，适于做各种棚膜，是我国主要的棚膜品种。其缺点是：耐候性及保温性差，不易粘接。如果生产大棚薄膜，必须加入耐老化剂、无滴剂、保温剂等添加剂，才能适于生产的要求。目前国内棚膜以PE膜为主，由于PE耐老化性较差，我国PE厚度0.05 mm长寿膜（用于中小棚）和0.08 mm（用于大棚）膜使用寿命仅为1～2年。国际上近年新开发的茂金属线形低密度聚乙烯（mLLDPE），则以优异的高透光率、低雾度（与纯 EVA薄膜、PVC棚膜相近）的光学性能及突出的高拉伸、高穿刺强度的力学性能，赢得国内农膜企业的青睐[9][13][15]。

3.3 乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）树脂

EVA树脂是近年来用于农业上的新的棚膜材料，用其制造的棚膜，透光性、保温性及耐候性都强于PVC或PE棚膜。EVA棚膜覆盖可较其他棚膜增产10%左右，可连续使用2年以上，老化前不变形，用后可方便回收，不易造成土壤或环境污染。EVA树脂是乙烯-醋酸乙烯共聚物，它的性能与醋酸乙烯酯（VA）的含量高低有很大关系：VA越小，性能越近似高压聚乙烯，而VA越多越像橡胶。

若VA含量一定，MFR增加则软化点下降而加工性能及光泽性得以改善，但强度低；反之MFR减小，则分子量增大，能提高它的耐冲击性及应力开裂性。若VA增加，则EVA树脂的结晶度下降，密度增加，透光性好，保温性好。由于EVA树脂具有弱极性，所以与流滴剂、防雾剂的相容性好于聚乙烯，其耐寒性、耐冲击性、透明性、可焊接性都优于PE树脂[10][16]。表2是几种EVA的分子结构参数[11]。

表2 EVA的分子结构参数

表3 棚膜的分类

3.4 棚膜的分类

控制性功能塑料棚膜是21世纪发展的热点，是人工环境温室发展和现代农业发展的需要。内添加法是指把各种功能助剂，比如耐老化、流滴、保温、消雾等，与载体树脂制成母粒，然后与基础树脂通过共混熔融、挤出、冷却定型、收卷等过程制成成品。涂覆法是指通过专用的涂覆设备将涂覆液均匀一致地涂在棚膜表面，解决因材料的疏水性强，冬季覆盖易出现水滴和雾气的问题。涂覆法生产的农膜在流滴消雾性和透明度方面有很大改进。单层共挤是将所有原料和助剂通过一台挤出机共混挤出成型，多层共挤是将不同的助剂按照科学的配方设计，在每台挤出机中搭配不一样的功能助剂和树脂，以避免不同助剂间的功能冲突，达到最优化协同效果的目的[12][17][18]。

3.5 棚膜生产的工艺流程

将树脂、防老剂和加工助剂三者高速搅动混合在一起，再将混合均匀的物料加入挤出机料斗，分别进行单螺杆、双螺杆造粒，在螺杆的加热、输送、剪切作用下，熔融料从机头圆形的口模连续挤出，呈厚度均匀的圆形膜管；从机头下部吹入适量的压缩空气，使其径向吹胀；同时被上牵引夹辊纵向牵伸；位于机头上部的冷却风环将冷风吹向膜泡外表面，使膜泡冷却定型；通过人字板压叠或插叠，进入上牵引夹辊，成为扁平状；在下牵引作用下，薄膜经导向辊、印字装置、剖刀、展平辊等，进入中心或表面收卷装置，通过吹塑机组进行制造，最后被切割的膜卷即为薄膜成品[19]。

图1 棚膜生产的简易流程图

图2生产的棚膜

3.6 棚膜的质量标准

目前国内农用棚膜的国标有2个，一是《农业用聚乙烯吹塑棚膜》GB4455-2006，二是《农业用乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EVA）吹塑棚膜》GB/T20202-2006。这2个标准是对棚膜最基本的要求，生产企业必须按照标准的要求进行生产。为提高产品竞争力，指标一般远远高于国家标准的要求。以厚度为例，按照GB4455-2006的要求，幅宽＞8 m，厚度＞0.08 mm的棚膜，厚度极限偏差为±25%，平均厚度偏差为±12%；以生产高端棚膜的上海普拉斯克塑料有限公司的内控标准为例，厚度极限偏差±15%（实际控制指标可在±10%左右），平均厚度偏差为±5%。棚膜的使用寿命或功能丧失往往从最薄点开始。因此，在棚膜的质量指标当中，其关键点就是对厚薄均匀度的控制，这往往体现了生产企业的设备精密程度和管理水平。对于质量的控制，严格的质量控制，能保证棚膜质量的稳定，但很多厂家并没有真正建立起自己的质量控制体系，有的甚至连基本的检测设备都没有，基本凭经验、靠人工判断，给客户带来的不必要损失。棚膜生产的基本要求为：工厂既要有完备的检测检验设备，又要有严格的质量保证体系[20]。

四、发展推广塑料棚膜的建议措施

开发适合当前市场需要的新一代功能性棚膜生态膜，既能提高产品的功能性，如长寿耐老化、高保温等还要增加作物产量，最主要能有效改善作物品质、减轻作物病虫害，这已成为农膜行业的当务之急[20][21]。我国农用塑料棚膜虽然发展了近30年，但是还存在许多问题：

（1）棚膜制造厂规模小没有过硬的品牌，企业技术开发投入少、规模经济效益差，导致棚膜质量不稳定造成大棚过早破坏，给农民带来经济损失。

（2）我国农膜生产使用的原材料树脂不多且不能满足生产需要；农膜使用助剂生产水平也低于世界发达国家水平，很难满足要求。目前国内采用代用品树脂较多，加上助剂质量不稳定或差，也引起大棚过早破坏，造成经济损失。

（3）使用者过分追求经济效益、选购棚膜的厚度逐年下降带来安全系数较小的问题，加上使用不当，也引起大棚过早破坏，造成经济损失。多层共挤对功能性棚膜的改进有更多的选择，对每层原材料配方的科学合理设计是竞争力核心的体现。更为重要的是，设备的精密程度又决定了生产过程能否按照配方的要求将母料/助剂均匀分布于棚膜的每一个点上。

所以政府应积极向农民推广新棚膜及配套技术，也可适当给予经济补助，采取经济补贴或减免生产新型棚膜产品税的政策激励生产企业开发生产新型棚膜；要充分利用电视、报刊等宣传渠道，加大宜传力度。

最近国家农业部将新型膜的开发推广列人了全国丰收计划后备技术项目进行配套技术研究和推广，这将促进新型多功能大棚膜技术的研究发展[22][23]。

五、结论

农用棚膜的广泛应用，对农膜生产企业的要求越来越多。生产出高性能（如高透光、高保温、长流滴持久期、长防雾效果、高透明、超长寿等功能）、高质量、低成本的农用棚膜是每个农膜生产企业所致力的方向。功能化、无毒化、专用化是农用棚膜的发展趋势。未来的棚膜在功能化方面将继续发展、提高；加强对有色薄膜的研究；能够适应不同作物对温度需求的薄膜将有很大的发展空间。在如今经济和科技技术飞速发展的环境下，要以注重细节和不断创新的进取精神不断前进，只有这样，中国的农用棚膜市场必能快速发展。