紫外老化和熱老化對農(nóng)用薄膜性能影響的對比分析

李琛 肖生苓

摘要 [目的]研究老化行為是解決農(nóng)用薄膜的老化現(xiàn)象、防止老化的基本手段。[方法]采用加速紫外老化和熱老化2種方法，對老化前后聚氯乙烯（PVC）薄膜和高密度聚乙烯（HDPE）薄膜的拉伸性能、透氣性能和透濕性能等進行對比分析。[結(jié)果]在2種老化方式下，HDPE薄膜的拉伸強度都下降，在老化120 h時，熱老化拉伸強度降低6.07%，而紫外老化拉伸強度下降15.08%；PVC薄膜在老化120 h時，熱老化拉伸強度上升33%，而紫外老化拉伸強度下降13.8%。在2種老化方式下，HDPE薄膜透氣量都上升，老化120 h時，熱老化透氣量增加107.64%，而紫外老化透氣量增加219.39%；PVC薄膜在達到最大透氣量后緩慢降低。2種老化方式下，在老化120 h內(nèi)，HDPE薄膜透濕量都是先降低后上升，而PVC薄膜透濕量都下降。[結(jié)論]該研究可以為合理使用農(nóng)用塑料膜，降低老化的影響提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞農(nóng)用薄膜；聚氯乙烯；高密度聚乙烯；紫外老化；熱老化

中圖分類號S188文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）14-04179-04

Comparison and Analysis of Performance of Agricultural Plastic Film in Ultraviolet Aging and Thermal Aging

LI Chen，XIAO Shengling（Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040；Key Laboratory of Forest Sustainable Management and Microbioengineering in Heilongjiang Province，Harbin，Heilongjiang 150040）

Abstract[Objective] Researching on the degradation behavior of mulch plastic film is a basic method for solving degradation phenomena and preventing degradation. [Method]Using artificial accelerated ultraviolet aging and thermal aging， the properties of tensile strength， air permeability and moisture permeability before and after aging were compared and analyzed， taking PVC film and HDPE film as objects. [Result]The tensile strength of HDPE in thermal aging decreased by 6.07% and the value was 15.08% in ultraviolet aging for 120 hours. The tensile strength of PVC in ultraviolet aging fell 13.8%， on the contrary， it raised 33% in thermal aging at 50 ℃ for 120 hours. The airpermeability of HDPE in thermal aging increased by 107.64%， while it increased by 219.39% in ultraviolet aging， the airpermeability of PVC reached to the maximum then declined slowly in two kinds of aging methods. Similarly in these two kinds of aging methods， the moisturepermeability of HDPE all decreased and then increased， nevertheless the moisturepermeability of PVC declined entirely. [Conclusion]The research could provide reference basis for the rational utilization of agricultural mulch plastic film and the reduction of the aging effects.

Key wordsAgricultural plastic film； Polyvinyl chloride polymer film； High density polyethylene film； Ultraviolet aging； Thermal aging

農(nóng)用薄膜主要指用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的塑料薄膜，主要包括農(nóng)用棚膜和農(nóng)用地膜，其主要原料為高密度聚乙烯（HDPE），也有棚膜采用聚氯乙烯（PVC）。在使用過程中，農(nóng)用薄膜受到使用環(huán)境的影響，不可避免發(fā)生老化現(xiàn)象。老化是一種不可逆的氧化反應(yīng)。它能使塑料薄膜性能下降，最終喪失使用價值[1]。為了縮短老化測試時間，使得測試條件能跟實際老化條件近似，并且使得試驗結(jié)果能達到重復和重現(xiàn)的目的。研究者們主要采用實驗室人工加速老化試驗?zāi)M實際老化過程，通過人工模擬自然環(huán)境中的光、熱、氧、水等因素對試樣產(chǎn)生作用而得到試驗結(jié)果，而且可以強化某一因素或幾種因素的作用而獲得加快試驗進程的效果[2]。

聚乙烯（HDPE）的鏈節(jié)有碳原子和氫原子2種原子。碳-氫鍵鍵能為413 kJ/mol，氫原子尺寸很小，很難把碳鏈牢固地包圍住，因此HDPE材料的耐老化性能較差[3-4]。此外，HDPE的鏈結(jié)構(gòu)中還含有C=C雙鍵。支鏈和雙鍵是HDPE鏈結(jié)構(gòu)上的主要弱點，也是HDPE易老化的主要原因。經(jīng)過熱和光誘導氧化后，將聚合物轉(zhuǎn)變成激發(fā)態(tài)，被激發(fā)的C-H鍵易與氧反應(yīng)，形成氫過氧化物，然后分解成自由基，按氧化機理降解。光氧化和熱氧化發(fā)生的反應(yīng)有交聯(lián)和斷裂，反應(yīng)后羰基、羧基、不飽和物含量和交聯(lián)結(jié)構(gòu)增加，雖然老化開始時交聯(lián)占優(yōu)勢，但隨后斷裂反應(yīng)占主導，最終導致聚合物分子量減小，因而使得機械性能降低[5-6]。

聚氯乙烯（PVC）的熱穩(wěn)定性差，易分解脫氯化氫而使分子鏈上形成活性很大的雙鍵，并且PVC主鏈上含有鏈內(nèi)雙鍵、支鏈、端基雙鍵、共軛雙鍵等，形成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。環(huán)境外因如熱、水、光、氧等都可加速PVC的分解。由于氧的存在，PVC發(fā)生氧化反應(yīng)。PVC的老化過程中既有分解脫HCl，又有氧化斷鏈和交聯(lián)反應(yīng)，其中分解脫HCl是PVC老化的主要原因，先脫去的HCl對PVC進一步脫HCl是有催化作用的。2個長鏈游離基相互碰撞或與主鏈上雙鍵相互作用時2個分鏈會發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。另外，PVC分子鏈上的活性部位如雙鍵、支鏈等受光和熱的作用時易產(chǎn)生游離基，進而與氧作用發(fā)生氧化斷鏈反應(yīng)，使PVC的柔性下降而變脆，力學性能損失[7-8]。該研究采用人工紫外老化和熱老化2種方式分別對PVC和HDPE農(nóng)用薄膜進行加速老化測試，分析老化前后PVC和HDPE 2種薄膜性能的變化規(guī)律，為研究防止薄膜老化措施提供參考依據(jù)。

1材料與方法

2結(jié)果與分析

2.1拉伸試驗由圖1可知，隨著拉伸荷重的增加，HDPE的拉伸變形位移量增大，在位移為0～10 mm時荷重與位移呈線彈性變形階段[11]，位移為10～30 mm時曲線為下降階段，位移為30～370 mm時曲線為緩慢上升階段，HDPE產(chǎn)生彈性變形，位移為370～500 mm時曲線為快速上升階段，HDPE產(chǎn)生塑性變形，而使HDPE達到變形極限被拉斷。從曲線可以看出，在不同老化時間，曲線的變化趨勢基本一致，隨著老化時間的延長，曲線向下偏移?？梢?，隨著熱老化時間延長，材料的拉伸性能下降。

圖1熱老化的HDPE薄膜拉伸荷重-位移曲線由圖2可知，紫外老化后得到的荷重-位移曲線的變化趨勢類似于熱老化所得到的曲線，也就是說，隨著紫外老化時間的延長，HDPE薄膜的荷重-位移曲線向下移動，即HDPE薄膜的拉伸性能呈下降趨勢[12]。

圖2紫外老化的HDPE拉伸荷重-位移曲線由圖3可知，熱老化與紫外老化對HDPE薄膜的拉伸性能影響并不相同。熱老化48 h時，HDPE薄膜的拉伸強度達到最大，為18.68 N，此后隨著老化時間的延長而緩慢降低。當老化時間為120 h時，HDPE薄膜拉伸強度降低6.07%。紫外老化使得HDPE薄膜的拉伸強度幾乎呈線性下降，老化48 h時拉伸強度下降5.13%，老化120 h時拉伸強度下降15.08%?？梢姡贤饫匣瘜DPE薄膜拉伸強度的影響更顯著，紫外老化后HDPE薄膜拉伸強度下降迅速，薄膜更易斷裂。

圖3紫外老化和熱老化對HDPE拉伸強度的影響由圖4可知，PVC薄膜的荷重-位移曲線呈現(xiàn)出上升趨勢，且老化時間越長，拉伸變形越大，載荷的上升趨勢越明顯。未老化試樣與老化72 h的試樣相比，當形變?yōu)?0 mm時載荷增加9.2%，當形變?yōu)?00 mm時載荷增加14.75%。未老化試樣與老化120 h的試樣相比，當形變?yōu)?0 mm時載荷增加19.63%，當形變?yōu)?00 mm時載荷增加24.29%。可以看出，熱老化溫度按照國標設(shè)置為50 ℃，該溫度在120 h內(nèi)并未使PVC發(fā)生老化而影響其性能，反而增加其柔韌性，使得拉伸強度增強。

圖4熱老化處理的PVC的拉伸荷重-位移曲線由圖5可知，隨著紫外老化時間的延長，PVC試樣荷重-位移曲線向下偏移，說明發(fā)生相同變形時所需要的荷重降低，材料的拉伸強度下降。老化72 h與未老化的試樣相比，在形變相同的條件下，位移為50 mm時載荷降低12.9%，位移為100 mm時載荷下降10.69%；未老化與老化120 h試樣相比，位移為50 mm時載荷降低27.14%，位移為100 mm時載荷降低25.85%?？梢?，紫外老化對PVC拉伸強度影響顯著，隨著紫外老化時間的延長，PVC的拉伸強度下降。

圖5紫外老化的PVC拉伸荷重-位移曲線由圖6可知，熱老化與紫外老化對PVC拉伸性能的影響趨勢相反。隨著老化時間的延長，紫外老化使得PVC拉伸強度下降，而熱老化使得PVC拉伸強度增強[13]。在老化120 h時，PVC薄膜的熱老化拉伸強度上升33%，而紫外老化拉伸強度下降13.8%?？梢?，在50 ℃的熱老化條件下，在120 h內(nèi)沒有使PVC薄膜發(fā)生老化而降低拉伸強度，反而在此溫度下增加塑料的柔韌性，拉伸強度增強。紫外老化使得PVC薄膜的拉伸強度下降，隨著時間的延長，性能損失增大[14]。

圖6紫外老化和熱老化對PVC拉伸強度的影響由此可知，熱老化與紫外老化對HDPE和PVC的拉伸性能的影響趨勢不同。2種紫外老化的拉伸強度變化趨勢都為減弱。紫外老化會使塑料薄膜的拉伸強度下降，而且紫外老化對PVC的影響更加明顯。在50 ℃條件下熱老化的處理使得塑料薄膜的拉伸強度呈增強的趨勢，熱老化48 h后HDPE薄膜的拉伸強度由上升趨勢轉(zhuǎn)為緩慢下降趨勢，而PVC薄膜在測試的120 h內(nèi)拉伸強度持續(xù)為增大趨勢。

3結(jié)論

采用人工加速紫外老化和熱老化2種試驗方法，測試了HDPE和PVC 2種農(nóng)用薄膜在2種老化方式下拉伸性能、透氣性能和透濕性能的變化規(guī)律。研究表明，熱老化與紫外老化都使HDPE薄膜的拉伸強度下降，但對PVC薄膜的拉伸強度影響不同，即紫外老化使PVC拉伸強度下降，而熱老化使PVC拉伸強度增強。2種老化方式都使得HDPE薄膜的透氣性上升，而PVC薄膜的透氣性呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。2種老化方式對HDPE薄膜的透濕量都是先下降后上升，而對PVC薄膜透濕量呈下降趨勢。對于2種薄膜性能的變化規(guī)律可以看出，HDPE薄膜比PVC薄膜更易發(fā)生老化，性能下降顯著，紫外老化方式比熱老化方式更易引起塑料薄膜老化降解。紫外光是引發(fā)塑料薄膜產(chǎn)生老化的主要因素。

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