農(nóng)用大棚塑料薄膜材料發(fā)展綜述

王欣 王克儉（北京化工大學機電工程學院成型制造研究中心）

一、概述

中國自古以來是以“農(nóng)”立國，作為一個農(nóng)業(yè)大國，中國始終把農(nóng)業(yè)的發(fā)展放在首位。而農(nóng)用薄膜在利用國土資源、增加作物產(chǎn)量和提高經(jīng)濟效益等方面有著極大的優(yōu)勢，對現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展起著重要的作用。在20世紀50年代，農(nóng)業(yè)開始運用塑料薄膜，在60年代中國開始制造使用薄膜。目前我國已經(jīng)成為世界上使用農(nóng)業(yè)薄膜最多的國家。其產(chǎn)量和覆蓋率位居世界第一。大力發(fā)展塑料薄膜應用技術對我國經(jīng)濟增益、糧食作物產(chǎn)量有著很好地幫助。農(nóng)業(yè)薄膜按其分類分為地膜和棚膜兩種。隨著農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展，開發(fā)及使用棚膜的技術也逐漸提高。

本文簡單介紹近年來國內外塑料棚膜的發(fā)展概況、農(nóng)用棚膜所應用的材料以及使用情況，并對我國塑料棚膜發(fā)展存在的問題進行了分析，并提出發(fā)展建議。

二、國內外農(nóng)用棚膜現(xiàn)狀及發(fā)展

目前我國已成為世界上棚膜覆蓋率的最高的國家，據(jù)最新資料顯示，農(nóng)用棚膜的覆蓋面積近20萬公頃，我國每年各種棚膜的使用量約140多萬噸，棚膜每年的需求量約70多萬噸[1]。通過近30年的努力和發(fā)展，我國研制出的農(nóng)用塑料棚膜逐漸與國外的塑料棚膜減小差距。對于一些發(fā)達國家如北美、荷蘭和日本等國已經(jīng)形成了相對成熟的農(nóng)用棚膜市場，在這些地區(qū)的市場占很大比例的是具有多種功能、有效使用壽命長的三層共擠棚膜。而像印度、越南、菲律賓等人口高度密集的國家，棚膜的使用量劇增，增長速度很快。我國在塑料棚膜技術上不斷跟蹤國外先進技術，PVE、PE、EVA無滴膜已在 90年代逐步普及應用，近兩年開發(fā)成功的PVC、PE、EVA消霧型無滴膜將在3、5年內逐步取代普通無滴膜在冬暖式大棚上的推廣和使用[2]。消霧型無滴膜是配方中加入了防霧氣的特殊塑料助劑（有機氟或有機硅），生產(chǎn)出這種消霧無滴膜不僅具備了普通無滴膜的透光、保溫、防老化及無滴功能，而且能使靠近棚膜的空氣中的水汽吸附在膜的表面，形成水膜向下流沿，從而防止和消除棚內的霧氣，降低了空氣相對濕度，并增加了棚內光照強度，從而達到了升高棚內氣溫和地溫，減輕病害發(fā)生，提高作物產(chǎn)量的目的。這種PVC、PE、EVA等樹脂生產(chǎn)的消霧膜從功能性和價格等多方面非常適合我國現(xiàn)階段設施園藝發(fā)展水平的需要，應加大推廣開發(fā)力度[3]。BOPET（雙向拉伸聚酯薄膜）是一種新型高分子薄膜材料，具有機械強度高、光學性能好、使用溫度范圍寬、耐折、耐腐蝕等優(yōu)良的綜合性能，它已廣泛用于包裝材料等諸多領域。在國外 BOPET在農(nóng)用大棚膜方面已得到較為廣泛應用。BOPET大棚膜其抗拉強度是PE膜的9倍且透光性更好、壽命更長、無污染等優(yōu)點。據(jù)報道，PET棚膜在美國和日本發(fā)展較快、應用較多。PET棚膜在我國目前尚未得到應用，但是 BOPET的優(yōu)良的綜合性能已受到有關方面的關注，隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術的進步，我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展?jié)摿薮?，前景無限，與發(fā)達國家相比，中國農(nóng)用塑料棚膜依然有很大的發(fā)展空間[4]。表1是我國棚膜發(fā)展歷史。

表1 棚膜發(fā)展

三、農(nóng)用塑料棚膜的選材

生產(chǎn)農(nóng)用棚膜之前我們應該對選用原材料的主要性能有所了解，為了使制備出的塑料棚膜具有更加穩(wěn)定的產(chǎn)品性能以及有利于農(nóng)作物的生長，原材料基礎樹脂的選擇是制備農(nóng)用棚膜的關鍵因素。目前國內農(nóng)用塑料棚膜所用原材料主要為聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（LDPE，LLDPE，HDPE，mLLDPE）和乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）這三種樹脂。國內外正在開發(fā)的樹脂有聚酯、離子型交換樹脂、PET及ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚樹脂）等樹脂[5][6]。

3.1 聚氯乙烯（PVC）樹脂

聚氯乙烯（PVC）是線型分子無定形結構，沒有明顯的熔點。一般相對密度為1.4 g/cm3，折光率為1.544。聚氯乙烯（PVC）棚膜具有保溫性、透光性、耐候性好，易造型等特性，初期透光率高，有彈性適合作為溫室、大棚及中小拱棚的外覆蓋材料[14]。PVC是非結晶性高聚物，一般僅有5%左右的少量結晶，其透明性優(yōu)于PE、EVA等樹脂。PVC的最大優(yōu)點是具有難燃性和自熄性。缺點是薄膜比重大，一定重量的棚膜覆蓋面積比PE少1/3且成本增加。在低溫下易脆化、易變硬，在高溫下易軟化、易松弛、耐老化性也變差，這是由于增塑劑等助劑的析出防塵性不好，相對使用期較短，對應力敏感，故變形后不能完全復原。因為PVC棚膜配方工藝較復雜、存在著增塑劑毒性及增塑劑遷移等問題，特別是PVC不易回收，殘膜不能燃燒處理，焚燒時會產(chǎn)生有毒的氯化氫氣體，嚴重污染環(huán)境，所以現(xiàn)在其應用范圍越來越小，用量逐漸減少。因為PVC的熔融溫度接近于其分解溫度，會使PVC的熱穩(wěn)定性不好，成型加工性能不好，加工溫度控制不好易于降解、糊料[7][8]。

3.2 聚乙烯樹脂

聚乙烯樹脂包含PE、LDPE（高壓聚乙烯）、LLDPE（線型低密度聚乙烯）、HDPE（高密度聚乙烯膜）等。聚乙烯棚膜質地輕，柔軟，易造型，透光性好，無毒，適于做各種棚膜，是我國主要的棚膜品種。其缺點是：耐候性及保溫性差，不易粘接。如果生產(chǎn)大棚薄膜，必須加入耐老化劑、無滴劑、保溫劑等添加劑，才能適于生產(chǎn)的要求。目前國內棚膜以PE膜為主，由于PE耐老化性較差，我國PE厚度0.05 mm長壽膜（用于中小棚）和0.08 mm（用于大棚）膜使用壽命僅為1～2年。國際上近年新開發(fā)的茂金屬線形低密度聚乙烯（mLLDPE），則以優(yōu)異的高透光率、低霧度（與純 EVA薄膜、PVC棚膜相近）的光學性能及突出的高拉伸、高穿刺強度的力學性能，贏得國內農(nóng)膜企業(yè)的青睞[9][13][15]。

3.3 乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）樹脂

EVA樹脂是近年來用于農(nóng)業(yè)上的新的棚膜材料，用其制造的棚膜，透光性、保溫性及耐候性都強于PVC或PE棚膜。EVA棚膜覆蓋可較其他棚膜增產(chǎn)10%左右，可連續(xù)使用2年以上，老化前不變形，用后可方便回收，不易造成土壤或環(huán)境污染。EVA樹脂是乙烯-醋酸乙烯共聚物，它的性能與醋酸乙烯酯（VA）的含量高低有很大關系：VA越小，性能越近似高壓聚乙烯，而VA越多越像橡膠。

若VA含量一定，MFR增加則軟化點下降而加工性能及光澤性得以改善，但強度低；反之MFR減小，則分子量增大，能提高它的耐沖擊性及應力開裂性。若VA增加，則EVA樹脂的結晶度下降，密度增加，透光性好，保溫性好。由于EVA樹脂具有弱極性，所以與流滴劑、防霧劑的相容性好于聚乙烯，其耐寒性、耐沖擊性、透明性、可焊接性都優(yōu)于PE樹脂[10][16]。表2是幾種EVA的分子結構參數(shù)[11]。

表2 EVA的分子結構參數(shù)

表3 棚膜的分類

3.4 棚膜的分類

控制性功能塑料棚膜是21世紀發(fā)展的熱點，是人工環(huán)境溫室發(fā)展和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。內添加法是指把各種功能助劑，比如耐老化、流滴、保溫、消霧等，與載體樹脂制成母粒，然后與基礎樹脂通過共混熔融、擠出、冷卻定型、收卷等過程制成成品。涂覆法是指通過專用的涂覆設備將涂覆液均勻一致地涂在棚膜表面，解決因材料的疏水性強，冬季覆蓋易出現(xiàn)水滴和霧氣的問題。涂覆法生產(chǎn)的農(nóng)膜在流滴消霧性和透明度方面有很大改進。單層共擠是將所有原料和助劑通過一臺擠出機共混擠出成型，多層共擠是將不同的助劑按照科學的配方設計，在每臺擠出機中搭配不一樣的功能助劑和樹脂，以避免不同助劑間的功能沖突，達到最優(yōu)化協(xié)同效果的目的[12][17][18]。

3.5 棚膜生產(chǎn)的工藝流程

將樹脂、防老劑和加工助劑三者高速攪動混合在一起，再將混合均勻的物料加入擠出機料斗，分別進行單螺桿、雙螺桿造粒，在螺桿的加熱、輸送、剪切作用下，熔融料從機頭圓形的口模連續(xù)擠出，呈厚度均勻的圓形膜管；從機頭下部吹入適量的壓縮空氣，使其徑向吹脹；同時被上牽引夾輥縱向牽伸；位于機頭上部的冷卻風環(huán)將冷風吹向膜泡外表面，使膜泡冷卻定型；通過人字板壓疊或插疊，進入上牽引夾輥，成為扁平狀；在下牽引作用下，薄膜經(jīng)導向輥、印字裝置、剖刀、展平輥等，進入中心或表面收卷裝置，通過吹塑機組進行制造，最后被切割的膜卷即為薄膜成品[19]。

圖1 棚膜生產(chǎn)的簡易流程圖

圖2生產(chǎn)的棚膜

3.6 棚膜的質量標準

目前國內農(nóng)用棚膜的國標有2個，一是《農(nóng)業(yè)用聚乙烯吹塑棚膜》GB4455-2006，二是《農(nóng)業(yè)用乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EVA）吹塑棚膜》GB/T20202-2006。這2個標準是對棚膜最基本的要求，生產(chǎn)企業(yè)必須按照標準的要求進行生產(chǎn)。為提高產(chǎn)品競爭力，指標一般遠遠高于國家標準的要求。以厚度為例，按照GB4455-2006的要求，幅寬＞8 m，厚度＞0.08 mm的棚膜，厚度極限偏差為±25%，平均厚度偏差為±12%；以生產(chǎn)高端棚膜的上海普拉斯克塑料有限公司的內控標準為例，厚度極限偏差±15%（實際控制指標可在±10%左右），平均厚度偏差為±5%。棚膜的使用壽命或功能喪失往往從最薄點開始。因此，在棚膜的質量指標當中，其關鍵點就是對厚薄均勻度的控制，這往往體現(xiàn)了生產(chǎn)企業(yè)的設備精密程度和管理水平。對于質量的控制，嚴格的質量控制，能保證棚膜質量的穩(wěn)定，但很多廠家并沒有真正建立起自己的質量控制體系，有的甚至連基本的檢測設備都沒有，基本憑經(jīng)驗、靠人工判斷，給客戶帶來的不必要損失。棚膜生產(chǎn)的基本要求為：工廠既要有完備的檢測檢驗設備，又要有嚴格的質量保證體系[20]。

四、發(fā)展推廣塑料棚膜的建議措施

開發(fā)適合當前市場需要的新一代功能性棚膜生態(tài)膜，既能提高產(chǎn)品的功能性，如長壽耐老化、高保溫等還要增加作物產(chǎn)量，最主要能有效改善作物品質、減輕作物病蟲害，這已成為農(nóng)膜行業(yè)的當務之急[20][21]。我國農(nóng)用塑料棚膜雖然發(fā)展了近30年，但是還存在許多問題：

（1）棚膜制造廠規(guī)模小沒有過硬的品牌，企業(yè)技術開發(fā)投入少、規(guī)模經(jīng)濟效益差，導致棚膜質量不穩(wěn)定造成大棚過早破壞，給農(nóng)民帶來經(jīng)濟損失。

（2）我國農(nóng)膜生產(chǎn)使用的原材料樹脂不多且不能滿足生產(chǎn)需要；農(nóng)膜使用助劑生產(chǎn)水平也低于世界發(fā)達國家水平，很難滿足要求。目前國內采用代用品樹脂較多，加上助劑質量不穩(wěn)定或差，也引起大棚過早破壞，造成經(jīng)濟損失。

（3）使用者過分追求經(jīng)濟效益、選購棚膜的厚度逐年下降帶來安全系數(shù)較小的問題，加上使用不當，也引起大棚過早破壞，造成經(jīng)濟損失。多層共擠對功能性棚膜的改進有更多的選擇，對每層原材料配方的科學合理設計是競爭力核心的體現(xiàn)。更為重要的是，設備的精密程度又決定了生產(chǎn)過程能否按照配方的要求將母料/助劑均勻分布于棚膜的每一個點上。

所以政府應積極向農(nóng)民推廣新棚膜及配套技術，也可適當給予經(jīng)濟補助，采取經(jīng)濟補貼或減免生產(chǎn)新型棚膜產(chǎn)品稅的政策激勵生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)新型棚膜；要充分利用電視、報刊等宣傳渠道，加大宜傳力度。

最近國家農(nóng)業(yè)部將新型膜的開發(fā)推廣列人了全國豐收計劃后備技術項目進行配套技術研究和推廣，這將促進新型多功能大棚膜技術的研究發(fā)展[22][23]。

五、結論

農(nóng)用棚膜的廣泛應用，對農(nóng)膜生產(chǎn)企業(yè)的要求越來越多。生產(chǎn)出高性能（如高透光、高保溫、長流滴持久期、長防霧效果、高透明、超長壽等功能）、高質量、低成本的農(nóng)用棚膜是每個農(nóng)膜生產(chǎn)企業(yè)所致力的方向。功能化、無毒化、專用化是農(nóng)用棚膜的發(fā)展趨勢。未來的棚膜在功能化方面將繼續(xù)發(fā)展、提高；加強對有色薄膜的研究；能夠適應不同作物對溫度需求的薄膜將有很大的發(fā)展空間。在如今經(jīng)濟和科技技術飛速發(fā)展的環(huán)境下，要以注重細節(jié)和不斷創(chuàng)新的進取精神不斷前進，只有這樣，中國的農(nóng)用棚膜市場必能快速發(fā)展。