不同速度下地膜單向拉伸撕裂特性

荊雙偉 張富貴 陳雪

摘要：為研制田間殘膜回收后的膜雜分離設備，須對地膜在不同速度下的拉伸撕裂特性進行研究。通過自制拉伸設備對地膜作單向拉伸試驗，同時用錄像設備對拉伸試驗過程的圖像進行采集，并對采集到的延伸量、位移和時間等參數進行統(tǒng)計分析。結果表明，新地膜的斷裂延伸率與厚度成正比，舊地膜的斷裂延伸率比同厚度的新地膜降低 42.75百分點;地膜拉力和拉伸應力整體隨著拉伸速度的增加而增加，舊地膜的平均拉力比同厚度的新地膜降低40.94%，新地膜拉伸應力受厚度影響較小;地膜拉伸斷裂時間隨著速度的增加而縮短;拉力對地膜的沖量值隨著拉伸速度增加而整體呈指數遞減趨勢，新地膜的沖量值受地膜厚度影響較大，舊地膜比同厚度新地膜的沖量值減少71.98%。結果可以為殘膜碎料機常出現的進料口吞料慢或不吞料現象提供理論支撐，并為膜雜分離設備設計提供理論依據。

關鍵詞：地膜;力學特性;指數函數;拉伸力;拉應力;碎料機

中圖分類號： S223.5 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）01-0225-05

被譽為農業(yè)“白色革命”的地膜覆蓋栽培技術，自20世紀70年代末引入我國以來，以其在改善土壤小氣候，提高地溫，保持土壤濕度，促進種子發(fā)芽和幼苗快速增長以及預防病蟲草害等方面的顯著作用，而深受廣大農民的歡迎，愈來愈多不同農作物陸續(xù)采用地膜覆蓋栽培技術。據統(tǒng)計，2016年我國地膜產量為269萬t，覆蓋面積為0.28億hm2。地膜的廣泛使用在促進作物生長的同時，較低的回收率造成了不同程度的白色污染。加大對殘膜的回收利用是解決白色污染的一個重要途徑，而地膜的撕碎是回收利用的必要環(huán)節(jié)，研究地膜的拉伸撕裂特性對地膜的循環(huán)回收利用具有重要意義。目前國內外對常用聚合物拉伸力學特性的研究及對應試驗設備的開發(fā)已取得初步成果。

在國內，吳明兒等對不同厚度乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜進行單軸拉伸試驗，得到相應抗拉強度、斷裂延伸率、屈服應力以及彈性模量等力學參數的變化規(guī)律[1]。楊麗等通過聚偏二氟乙烯膜單向拉伸和介電性能影響試驗，得出拉伸倍率、材料結晶度、表面特征和介電常數等參數分別與拉伸溫度間的變化規(guī)律[2]。

在國外，Sasso等基于光學方法設計了一種充氣（液）膨脹試驗裝置，通過移動攝像機對焦來準確測量應變，該裝置結構簡單，是研究薄膜雙軸拉伸的典型裝置[3]。Miller設計了一種對開槽的圓形薄片進行徑向拉伸的裝置，可用于等軸拉伸試驗分析，該裝置能很好地控制應變過程，但須要制作專門的開槽圓形試樣，且該試驗結構因夾頭質量及摩擦力等因素會對小剛度的超彈性薄膜材料的試驗精度產生影響[4]。Obata等介紹了一種對方形試樣進行等軸拉伸的裝置，該裝置能直接對膜（片）材料進行雙軸拉伸，模擬理想的雙軸拉伸受力狀態(tài)，因此獲得了廣泛的應用，但該試驗方案屬于非對稱拉伸，在2個拉伸方向上須分別配置1對力傳感器進行拉力測量[5]。

本試驗基于地膜拉伸試驗設備，通過無極調速器調節(jié)電機轉速，使地膜的拉伸撕裂速度分為20個不同檔位，并通過高速相機及拉力傳感器記錄整個試驗的影像數據，以期為地膜撿拾機和碎料機的優(yōu)化設計提供數據支撐。

1 材料與方法

參照GB 13022—91《塑料 薄膜拉伸性能試驗方法》對地膜進行單向拉伸試驗。用AVS Video Editor播放器軟件對拉伸試驗過程的錄像視頻逐幀分析，得出不同拉伸撕裂速度下拉力-速度的變化關系。為減少偶然誤差對采集數據的影響，本試驗在每個拉伸速度階段，分別對厚度為8、10 μm的新地膜和10 μm的舊地膜均重復進行5次拉伸試驗，求其拉力、拉伸時間和延伸率等參數的平均值，并計算相應速度下拉伸力對地膜作用的沖量平均值。

1.1 試驗裝置

在室溫下，地膜延伸率很高，由于市場中的萬能拉伸試驗機拉伸速度低，在其可調的速度范圍內，地膜的拉伸特性變化不明顯，且萬能拉伸試驗機配套的夾具會對地膜產生剪切力，該剪切力影響試樣拉伸變形，因此該設備無法測定速度對地膜拉伸特性的影響。

本試驗通過自制拉伸設備對地膜作單向拉伸撕裂試驗。該設備在由硬質鋼化玻璃做成的光滑導軌上有2組地膜夾持機構，一組夾持機構固定在導軌上，另一組夾持機構在電動機的驅動下可在導軌上沿直線運動。電機在調速器作用下可實現無極調速，電機的調速范圍為0～800 r/min，繩索的移動速度為0～60 m/min。繩索與移動夾持機構間安裝1個S形高精度拉力傳感器，其精度值為0.01 N。傳感器將采集到的試驗數據信號傳送到高頻數顯采樣控制器上，該控制器的采樣頻率為60 Hz，有0.001 s的顯示滯后。由于地膜拉伸速度快、形變時間短且采樣控制器顯示的拉力值變化頻率高于人眼識別范圍，因此拉伸試驗過程由高頻錄像機錄像，再用AVS Video Editor播放器軟件把每秒的試驗視頻分為35幀逐幀播放，以便于觀察分析拉伸力變化與地膜形變間的關系，試驗設備原理見圖1。

1.2 地膜試樣

在我國農用地膜行業(yè)中，農用地膜產量大，生產廠家多，各廠家之間工藝流程、技術水平、設備狀況、人員素質相差較大，經營者管理水平也存在著較大差異，導致各廠家所生產的農用地膜的質量參差不齊[6-11]?？紤]到以上因素，本試驗選擇山東省臨沂市紅潤湖地膜廠家生產的8、10 μm 2種厚度的新地膜作為試驗材料。另外，從貴州省畢節(jié)市的赫章縣、威寧縣分別選取2個基地單元并從中選取5處煙草地進行田間舊地膜（使用期為1年）取樣，經清洗、晾曬、干燥處理作為本試驗的舊地膜試驗材料（圖2），經測量，舊地膜樣品厚度為10 μm。

制作試樣時，用切紙刀將試樣裁切成寬2 cm、長20 cm的矩形小塊。試樣兩端是夾持區(qū)域，夾持區(qū)域長度均為5 cm，拉伸區(qū)域的長度為10 cm（圖3）。

新地膜試樣的外觀要求是表面無劃痕和塑性變形痕，兩側邊裁切整齊，無毛刺和缺口，以避免試驗過程中因樣品裂紋、缺口等外觀缺陷的存在而產生應力集中，從而影響試樣的整體抗拉強度，缺陷處的變形斷裂可致使測量結果大幅波動。保留舊地膜試樣的自然外觀缺陷，這樣測得的數據更具真實性。

1.3 拉伸試驗

本試驗于2017年5月在貴州大學機械學院農機實驗室完成。試驗用地膜夾持機構由環(huán)氧樹脂板材組成，并由2個并排的M4螺栓為夾持機構提供夾持力。地膜屬于黏彈性材料，若夾持機構夾持力過大會導致夾持區(qū)段的地膜變薄，在拉伸試驗中試樣斷裂處易發(fā)生在夾持區(qū)的邊界處;若夾持力過小，處于夾持區(qū)段的膜會參與塑性變形，影響試驗數據，經過多次地膜夾緊力試驗得到螺栓的最佳預緊力為2 N。繩索拉力方向要與導軌方向平行，以防止試樣因受力不均而發(fā)生對角線拉伸變形。在電機啟動前，繩索在纏繞輥上留有 10 cm 的松弛量，啟動電機，在繩索被收緊的過程中電機轉速從0達到穩(wěn)定。電機速度穩(wěn)定后再牽引夾持機構對地膜作勻速拉伸運動，直至地膜被扯斷，以此來模擬碎料機勻速撕碎地膜的過程。

2 結果與分析

由于地膜的生產原材料是聚乙烯顆粒和各種添加劑組成的混合物，高溫加熱后原材料顆粒間分子鏈交錯率低于原顆粒內部分子鏈間的交錯率[12-14]，因此吹塑生產出的地膜產品有眼睛難以辨別的交錯帶，其拉力值低于地膜的其他區(qū)域。在室溫條件下，試樣在拉力作用下易產生延伸率低于50%時就發(fā)生整齊斷裂（以下簡稱常溫脆斷）現象（圖4）。

經計算直徑為0.5 cm的聚乙烯球形顆粒，可生成直徑為13 cm、厚度為10 μm的圓形薄膜。若地膜試樣拉伸區(qū)沒有交錯帶區(qū)域，則在受到單向拉力拉伸時，試樣沿拉力方向發(fā)生均勻塑性變形直至斷裂（圖5）。

本試驗在24 ℃室溫條件下進行。據統(tǒng)計新地膜發(fā)生常溫脆斷的概率為31.5%，舊地膜發(fā)生常溫脆斷的概率為 58.3%。電機經無極調速器調試出20個不同拉伸速度，為降低常溫脆斷現象對試驗結果產生的波動影響，在拉伸速度為某一定值時，分別對厚度為10、8 μm的新地膜和厚度為 10 μm 的舊地膜作5次重復拉伸試驗，對所得的各參數求平均值。

2.1 斷裂延伸率

通過以上分析數據可知，同一生產廠家的新地膜，厚度為8、10 μm地膜試樣的平均拉力分別為2.52、3.39 N。即新地膜厚度減小20%，平均拉力降低25.66%;使用期為1年的舊膜平均拉力為2.00 N，比同厚度的新地膜平均拉力降低40.94%。舊地膜鋪在地表由于受一定時期的陽光照射、風吹、雨淋、土壤腐蝕等環(huán)境的影響，其外表易出現細小裂紋，使其拉力力學性能大幅下降，測得的拉力數據波動性較大[15]，因此舊地膜的拉力方差值遠大于新地膜。

拉伸速度影響拉力的大小，拉力整體隨著拉伸撕裂速度的增加而增加。根據試驗數據的擬合函數可知，厚度為8 μm新地膜拉力隨著速度的變化系數為0.64，厚度為10 μm新地膜拉力隨著速度的變化系數為0.43，厚度為10 μm舊地膜拉力隨著速度的變化系數為0.02。

2.3 抗拉強度

根據長條形試樣的拉伸試驗結果計算得到，厚度為8 μm新地膜的平均拉伸應力為15.75 MPa，厚度為10 μm新地膜的平均拉伸應力為16.94 MPa，厚度為10 μm舊地膜的平均拉伸應力為10.01 MPa。厚度不同的新地膜拉伸應力相差不明顯，舊地膜的平均拉伸應力比同一厚度的新地膜降低40.91%。

由圖7可知，厚度為8、10 μm的新地膜拉伸應力整體隨著拉伸速度的增加而增加。由于舊地膜表面存在拉伸痕和微小裂紋等缺陷，導致不同舊地膜試樣間的拉伸應力值波動大。

2.4 拉伸時間與速度關系

研究對象是厚度為10 μm新地膜，經過計算與分析，將拉伸撕裂速度分別設置為1.43、2.68、8.12、34.48 cm/s，得到拉力和時間關系曲線（圖8）。

由圖8可知，在拉伸試驗過程中，拉伸速度發(fā)生變化，其拉伸力特性也發(fā)生改變。地膜在低速拉伸撕裂的過程中，實時拉力值曲線有2個轉折點。在開始拉伸地膜時，拉力-時間曲線呈直線增長趨勢，此時材料處于彈性變形階段，拉力主要為彈力;在第1和第2轉折點之間，拉力曲線的斜率減小，材料的剛性降低，應變迅速增加，材料在這2點之間發(fā)生屈服變形，主要是因為地膜屬于黏彈性材料，當低速拉伸時，分子鏈可以重新取向和平移，塑料呈現韌性變形行為，試樣外觀逐漸出現多處屈服變形，拉力值呈鋸齒式波動增長;當拉力超過第2應力轉折點時，材料發(fā)生大的塑性流動變形，試樣被迅速拉長，其拉力-時間曲線近似為水平直線，試樣受應力強化作用直至試樣斷裂[16-17]。當拉伸速度增加時，分子鏈的運動速度跟不上外力作用的速度，表現為拉伸強度增大，拉力-時間曲線上的2個轉折點的距離逐漸縮小，拉力達到峰值時間和材料發(fā)生塑性流動變形的時間縮短。當拉伸速度達到 34.48 cm/s 以上時，拉力-時間曲線趨于直線。

2.5 沖量

試樣拉伸速度可直接影響到拉力和拉伸時間，而沖量為力對質點作用一段時間積累效應的物理量，是改變質點機械運動狀態(tài)的原因。通過20組不同的拉伸速度，對厚度為8、10 μm新地膜和厚度為10 μm舊地膜進行拉伸試驗，分析得出沖量-拉伸速度變化曲線和擬合曲線（圖9）。

地膜在拉伸過程中受拉伸力施加的沖量值隨著拉伸速度的遞增呈指數函數遞減趨勢。新地膜厚度從8 μm增加到 10 μm，所受外力的平均沖量值增加85.29%。由于舊地膜的外觀有破損缺陷，與新地膜相比其平均拉力減小，拉伸過程的時間縮短，導致厚度為10 μm的舊地膜的平均拉伸沖量比同等厚度新地膜降低71.98%。

3 結論與討論

受地膜生產工藝的影響，拉伸試驗過程中容易產生低延伸率下的斷裂。新地膜厚度增加25%，平均斷裂延伸率增加 26.65百分點，即延伸率與地膜厚度呈正相關關系;同一厚度的舊地膜比新地膜的平均斷裂延伸率降低42.75百分點。

若增加拉伸速度，拉力值略有增加，厚度為8、10 μm新地膜的拉力值增量與拉伸速度增量的比值分別為0.64、0.43;厚度從 8 μm 增加到10 μm，其拉力值平均增加34.4%。舊地膜的拉伸力隨著速度的變化不明顯，其拉力值的波動性遠大于同厚度的新地膜。