農(nóng)用多功能聚乙烯棚膜的研究

汪曉鵬

(甘肅省皮革塑料研究所， 甘肅 蘭州 730046)

農(nóng)用多功能聚乙烯棚膜的研究

汪曉鵬

(甘肅省皮革塑料研究所， 甘肅 蘭州 730046)

摘要介紹了農(nóng)用多功能聚乙烯棚膜的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。使用納米二氧化硅制備了多功能聚乙烯棚膜，并研究了其性能。結(jié)果表明：多功能聚乙烯棚膜的力學(xué)性能、紅外線吸收及透光率均得到提高，具有提高棚溫和增產(chǎn)作用。

關(guān)鍵詞保溫； 聚乙烯； 棚膜； 研究開發(fā)

0前言

我國(guó)農(nóng)業(yè)正在由傳統(tǒng)的粗放型向精細(xì)化現(xiàn)代化轉(zhuǎn)變。在農(nóng)業(yè)發(fā)展中，農(nóng)用塑料薄膜的作用越來越顯著。2013年，我國(guó)農(nóng)用塑料薄膜的消費(fèi)量達(dá)1 873.6 kt，地膜覆蓋面積超過13 000 khm2,已成為全球生產(chǎn)和消費(fèi)第一大國(guó)。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)農(nóng)用塑料薄膜的要求也越來越高，亟需開發(fā)高透光、高保溫、高強(qiáng)度、長(zhǎng)壽和防霧滴等功能化的農(nóng)用棚膜，以及保溫、保墑、除草、防蟲等功能化的地膜，以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的需求。

1聚乙烯保溫薄膜的發(fā)展

太陽光白天到達(dá)地球表面照射能量的98%集中在0.3～3.0 μm的波長(zhǎng)；夜間從地球表面向大氣層散熱的輻照能量的90%集中在7～25 μm的波長(zhǎng)，其峰值為11～13 μm。農(nóng)作物光合作用的有效波長(zhǎng)為0.4～0.7 μm，與可見光的基本一致?？刹扇√岣吲锬ぴ?.4～0.7 μm波長(zhǎng)內(nèi)可見光透光率，提高棚內(nèi)溫度，促進(jìn)農(nóng)作物的光合作用；以及降低棚膜在7～25 μm的透光率，減少棚內(nèi)熱能以傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流等形式透過棚膜向外散射，保持棚內(nèi)溫度。另外，增加膜的厚度也可提高棚內(nèi)溫度，但是該方法所起的保溫作用有限，且增加了膜厚必然增加成本。而紅外線阻隔劑成為提高PE棚膜保溫性能的最佳選擇。由于一些無機(jī)填料對(duì)紅外線具有屏蔽作用，可作為棚膜的紅外線阻隔劑。德國(guó)CONSTAB聚合物化學(xué)有限公司采用粒徑為2 μm的具有特殊性能的黏土作為紅外線阻隔劑，厚度為0.12 mm的PE棚膜在7～14 μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紅外線透過率減少到25%。北京市塑料研究所、杭州市新光塑料廠、河南省焦作市第一塑料廠、中國(guó)輕工總會(huì)塑料加工應(yīng)用科研所等均采用無機(jī)云母、高嶺土、滑石粉、碳酸鈣、氫氧化鎂、碳酸鎂、硅藻土等填充改性PE棚膜，取得了較好的紅外線阻隔效果。PE棚膜在7～25μm波長(zhǎng)的紅外線透過率為36%～50%、可見光透過率為75%～90%、散射光透過率為25%～55%。國(guó)外采用的無機(jī)填料生產(chǎn)的紅外線阻隔劑在7～25μm波長(zhǎng)的透過率為20%～53%。

紅外線阻隔劑能有效反射紅外線，一方面,可透過可見光；另一方面，可以將來自土壤的紅外線反射回大棚內(nèi)。目前納米SiO2應(yīng)用于棚膜保溫的報(bào)道仍然鮮見。硅化合物獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)紅外線具有較強(qiáng)的屏蔽阻隔作用，其阻隔效果優(yōu)于不含硅的無機(jī)物的。將改性納米SiO2添加于PE棚膜中生產(chǎn)保溫棚膜，經(jīng)農(nóng)田試驗(yàn)，棚溫可提高3℃～5℃，有效促進(jìn)農(nóng)作物成長(zhǎng)和提高產(chǎn)量[2]。

2實(shí)驗(yàn)

2.1　原料

納米級(jí)SiO2MNIP-02、MNIP-01，平均粒徑10 nm，比表面積640 m2/g，純度>99.9%,舟山明日納米材料有限公司;

LDPE1I7B，20.4 A,北京燕山石化;

EVA14/0.7,北京有機(jī)化工廠;

聚氧乙烯(PEO，Mw=900 000)、聚乙二醇、硅烷偶聯(lián)劑ZS-1、乙醇蘭州助劑廠;

高嶺土、滑石粉、碳酸鈣青海樂都新興粉體材料廠。

2.2　儀器及設(shè)備

高速攪拌機(jī)10L，北京塑料機(jī)械廠；雙螺桿擠出機(jī)蘭泰塑料機(jī)械有限公司；吹膜機(jī)組SJ-65-30型，大連橡塑機(jī)械有限公司；造粒機(jī)組SJ65/28型(雙壓縮排氣式)，佳木斯市塑料機(jī)械廠；25t平板硫化機(jī)大連橡塑有限公司;CMT 8502型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)深圳市新三思材料檢測(cè)有限公司；Tensor-27紅外光譜儀美國(guó)布魯克斯公司； WGW光電霧度儀上海第二光學(xué)儀器廠;HZ-7004橡膠低溫脆性試驗(yàn)儀恒準(zhǔn)儀器科技有限公司;紫外光譜儀HITACHI，日本日立公司。

2.3　成型工藝條件

擠出機(jī)料筒的直徑φ為65 mm～150 mm；螺桿長(zhǎng)徑比(L/D)為(20～26)∶1；螺桿形式計(jì)量型；壓縮比為(3～4)∶1；模具為圓型模，φ300～2 000 mm。采用擠出上吹塑法，三段式料筒。加料段溫度140℃～160℃，熔融段160℃～170℃，均化段170℃～180℃；模具溫度150℃～170℃；吹塑比為(1.2～2.5)∶1；牽引速度10～60 m/min。

2.4　試樣制備

試樣制備按照棚膜配方進(jìn)行,如表1所示。

1#試樣將納米SiO2/HDPE加入球磨機(jī)中，球磨6 h后，置入雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒，制得母料A。將母粒A與LDPE按1∶9的質(zhì)量比混合均勻，加入EVA，擠出吹膜。

2#試樣將LDPE、納米填料和添加劑，在高速混合機(jī)中混合3 min后，置入雙螺桿擠出機(jī)，制得母粒B。將母粒B與LDPE按1∶9的質(zhì)量比混合均勻，加入EVA，然后吹塑成膜。

3#試樣純LDPE棚膜。

4#試樣普通PE棚膜。

工藝流程：

表1　保溫棚膜的配方

2.5　性能測(cè)試

試樣按照聚乙烯棚膜和地膜的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 4455—2006和GB 13735—1992測(cè)試。

拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率按GB 13022—1991測(cè)試；

撕裂強(qiáng)度按QB/T 1130—1991測(cè)試。

紅外線吸收和透光率采用紅外光譜儀，KBr壓片，薄膜在4 000~200 cm-1范圍內(nèi)取譜。

霧度和透光率采用光電霧度儀測(cè)定。

紫外線吸收和透射采用紫外線光譜儀，薄膜試樣在190~1 100 nm范圍內(nèi)取譜。

3結(jié)果與討論

3.1　復(fù)合材料的共混

1#試樣中無機(jī)納米微粒在基體中的分散相的粒徑在200～300 nm，納米微粒有團(tuán)聚現(xiàn)象，分散不均勻，可能是由于球磨機(jī)未能將無機(jī)微粒加工到納米級(jí)。2#試樣中無機(jī)納米微粒在基體中的分散相的粒徑在100～200 nm，分散性好于1#試樣的，但無機(jī)微粒的分散性也不均勻。1#試樣中無機(jī)微粒與基體的相界面模糊，說明微粒與基體有較好的相容性。2#試樣中無機(jī)微粒與基體的相界面明顯，表明相容性不好，黏結(jié)力稍差。對(duì)納米微粒表面改性，可增強(qiáng)納米復(fù)合材料的性能。

3.2　偶聯(lián)劑對(duì)力學(xué)性能的影響

表2為不同配方試樣的力學(xué)性能。由表2可見：1#、2#、3#試樣的力學(xué)性能差別不大，各項(xiàng)指標(biāo)均超過GB 4455—2006標(biāo)準(zhǔn)，與普通PE棚膜4#的力學(xué)性能相近。1#和2#試樣的拉伸強(qiáng)度和直角撕裂強(qiáng)度與3#試樣的相比，分別下降了12.6%和4.0%。隨著納米無機(jī)微粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，發(fā)生了團(tuán)聚，使得與樹脂之間的黏結(jié)力下降，力學(xué)性能下降，粒徑在100 nm～300 nm為佳。比較1#、2#試樣發(fā)現(xiàn)：納米SiO2微粒的處理方法對(duì)其分散性影響顯著。MNIP-02的分散性優(yōu)于MNIP-01的?？赡苡捎谥圃旃に嚥煌?，其中，MNIP-02是通過硅烷干法制得，硅烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%左右；MNIP-02是通過濕法工藝制得，先將納米微粒分散于氯仿溶劑中，加入硅烷濕法處理，硅烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)20%。使用SEM觀察1#、2#試樣，團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重，力學(xué)性能低于3#試樣的。

3.3　紅外線吸收和透過率性能分析

7～14 μm的紅外線吸收和透過率對(duì)農(nóng)用塑料薄膜的保溫性具有決定性的作用。表3為不同配方試樣的紅外線吸收率；表4為不同配方試樣的紅外線透過率。由表3、4可見：2#試樣的紅外線透過率低于1#、3#試樣的，而1#試樣的紅外線透過率又低于3#試樣的，說明1#和2#試樣的保溫性能優(yōu)于3#試樣的。4#試樣的紅外線透過率很低。這是因?yàn)?#試樣的膜厚度達(dá)到0.13 mm，而且未添加納米保溫劑，比1#、2#、3#試樣的膜厚度0.070 mm，高出近1倍。

表2　不同配方試樣的力學(xué)性能

表3　紅外線吸收率(%)

表4　紅外線透過率/(%)

3.4　紫外線和可見光的透過率性能分析

試樣紫外線和可見光的透過率，如表5所示。1#、2#、3#試樣的可見光透過率相差無幾，可是1#、2#試樣的紫外線屏蔽能力明顯優(yōu)于3#試樣的，表明納米SiO2的加入確實(shí)對(duì)紫外線有屏蔽作用，可有效防止紫外線對(duì)農(nóng)作物的傷害。從表5還可發(fā)現(xiàn)1#、2#和4#試樣的紫外線透過率相近。這是由于4#試樣的膜厚度遠(yuǎn)較1#、2#試樣的厚。

表5　紫外線和可見光的透過率

3.5　填料對(duì)棚膜力學(xué)性能的影響

表6為無機(jī)填料對(duì)棚膜力學(xué)性能的影響。粒徑為10 nm的納米SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，可達(dá)到GB 4455—2006標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)棚膜的力學(xué)性能沒有影響。但從成本效益分析，納米SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～20%更合理,可減少樹脂用量，降低成本。試驗(yàn)結(jié)果表明：無機(jī)物粒徑的形狀嚴(yán)重影響棚膜的力學(xué)性能，尤其是針狀結(jié)構(gòu)、鱗片結(jié)構(gòu)的無機(jī)填料，在吹塑成型過程中不可能沿著薄膜拉伸牽引方向完全取向，對(duì)薄膜的力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。粒徑減小可提高力學(xué)性能，納米SiO2具有量子隧道、表面效應(yīng)，可與高分子基體良好復(fù)合，提高棚膜的力學(xué)性能[3]。

表6　無機(jī)填料對(duì)棚膜力學(xué)性能的影響

4結(jié)語

(1) 農(nóng)用棚膜在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用日益顯著，其用量和品種不斷增加，但對(duì)功能膜的開發(fā)比較薄弱。因此，開發(fā)保溫膜，在盡量減少對(duì)可見光透過率的影響下，大幅度提高棚膜的紅外線阻隔性、霧度和光散射率，提高棚膜的保溫性能。

(2) 利用硅烷偶聯(lián)劑處理納米SiO2微粒，然后與LDPE進(jìn)行共混復(fù)合制得功能性聚乙烯棚膜，并測(cè)試了其力學(xué)性能。聚乙烯棚膜的拉伸強(qiáng)度為22.9～26.2 MPa、斷裂伸長(zhǎng)率為586%～932%、直角撕裂強(qiáng)度為87.5～110.8 N/mm，均超過國(guó)標(biāo)規(guī)定技術(shù)要求。與其他無機(jī)填料相比，具有較強(qiáng)的紅外線阻隔能力。

(3) 納米SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～20%的聚乙烯棚膜性能較好，可大幅提高棚膜的保溫性能，并有效屏蔽紫外線，提高了棚內(nèi)溫度，減少了紫外線對(duì)農(nóng)作物的傷害，提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉英俊，張培專，康軍.無機(jī)填料對(duì)聚乙烯農(nóng)用棚膜光學(xué)性能的影響[J]. 塑料科技,1997， 25(6):46-50.

[2]劉英俊. 煅燒煤系高嶺土在農(nóng)用塑料薄膜中的應(yīng)用[J]. 塑料科技,2002，30(2):22-26.

[3]楊明山. 塑料改性工藝、配方與應(yīng)用[M]. 2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2013： 188-206.

塑料包裝薄膜行業(yè)發(fā)展前景可觀

2007年到現(xiàn)在，我國(guó)塑料薄膜產(chǎn)量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，到2014年6月達(dá)到最高，為117.8萬噸。目前聚乙烯主要用于生產(chǎn)塑料薄膜。隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)材料的功能多樣化也越來越高。今后需求增長(zhǎng)預(yù)計(jì)仍集中在包裝領(lǐng)域，薄膜所占份額可能進(jìn)一步擴(kuò)大。

常見的塑料薄膜通過吹膜或者流延制成。塑料薄膜具有一定程度的透明性、氣密性、防潮性、熱塑性等其它包裝材料所不具備的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于商品包裝領(lǐng)域。近年來食品、醫(yī)療及個(gè)人護(hù)理用品成為塑料薄膜行業(yè)需求的主要方面；而亞太地區(qū)成為全球最大的包裝薄膜市場(chǎng)，需求的日益增長(zhǎng)帶來的是出口的機(jī)遇。在食品包裝成為包裝薄膜最大終端應(yīng)用市場(chǎng)的同時(shí)，藥物及醫(yī)療領(lǐng)域也緊隨其后，對(duì)包裝薄膜的需求逐年增加。近年來中國(guó)和印度的食品及醫(yī)療藥物行業(yè)迅速崛起，這在很大程度上推高了包裝薄膜市場(chǎng)走勢(shì)。預(yù)計(jì)未來幾年，中國(guó)和印度有望成為亞太包裝薄膜市場(chǎng)進(jìn)一步繁榮的主要驅(qū)動(dòng)力。

伴隨我國(guó)消費(fèi)水平的不斷升級(jí)，包裝行業(yè)需求總量仍有大幅提升的空間。企業(yè)應(yīng)加大技術(shù)投入，合理利用資源，盡快彌補(bǔ)在生產(chǎn)技術(shù)和材料供應(yīng)方面存在的不足，從而在塑料薄膜市場(chǎng)贏得更多的市場(chǎng)份額。

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)

作者簡(jiǎn)介：汪曉鵬(1965—)，男，高級(jí)工程師，從事塑料改性和質(zhì)檢等研究。

中圖分類號(hào)：TQ 320

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-5993(2015)02-0046-04