熱區溫室大棚塑料薄膜耐候性分析初探

劉　建，孫芳媛，王寶龍，楊丹彤

(1.海南大學 熱帶農林學院，海口　570228； 2.華南農業大學 工程學院，廣州　510642)

0　引言

我國國內溫室常用的覆蓋材料種類很多，熱帶地區主要為塑料薄膜、防蟲網、遮陽網、陽光板及玻璃等。覆蓋材料在一棟溫室的造價中占比非常大[1]。相對于溫室其他構件，覆蓋材料使用壽命較短，需要定期更換。在各類溫室覆蓋材料中，低密度聚乙烯塑料薄膜(Low density polyethylene，簡稱LDPE)使用最為頻繁[2]。同國外塑料覆蓋材料5～10年的使用壽命相比，因生產技術、使用環境及維護保養等原因，國內塑料覆蓋材料的使用壽命只有2～3年，聚乙烯塑料薄膜的使用年限從1季到3年不等，且透光性和保溫性等重要功能隨使用時間的延長而逐步衰減、喪失[3]。其中，紫外線照射帶來的光熱氧化是促使塑料制品老化的關鍵因素[2, 4]，而溫室結構(如構造尺寸、覆蓋材料的固定形式、薄膜與溫室結構接觸點的保護措施)也對薄膜的老化起到重要影響。早期的研究表明：聚乙烯薄膜光氧化反應的速率與溫度密切相關，溫度每升高10℃，反應速率增加1倍[5]。有調查指出，覆蓋材料與溫室金屬結構連接處，夏日溫度可高達70℃[6]，與溫室結構連接處的薄膜無疑成了整片覆蓋材料中最易老化的部分。

考察發現塑料覆蓋的自然老化破損多由卡簧卡槽處開始，如圖1所示。

圖1　溫室薄膜的自然老化

前人對薄膜耐候性的研究多集中在制造工藝或添加劑對薄膜的改性上[7]，而未從溫室施工、日常維護的角度對薄膜進行研究。本文將從實驗的角度分析薄膜的老化性能，為溫室的日常使用和維護提供參考。

1　理論分析

低密度聚乙烯塑料薄膜屬于高分子聚合物，聚合物的力學性能與材料的微觀結構和化學組成密切相關，強度和分子量密切相關，而塑料薄膜的分子量是一個平均值[8]。不完全均勻的分子量造成了聚合物的實際強度遠低于理論強度。塑料薄膜的內部有許多微孔洞和微裂縫，這些微缺陷有的產生于材料的加工制造，有的產生于使用過程中的外力和環境因素。微缺陷在荷載、溫度或環境效應等因素持續作用下進一步增長、擴展、合并，形成一定尺度的宏觀裂紋[9]。導致材料的力學性能劣化的微觀結構變化稱為損傷，損傷過程的終點是宏觀裂紋的形成[9-10]。

式中a—裂縫長度之半；

ρ—尖端的曲率半徑。

將薄膜拉伸也可觀察到，表面光滑未見細紋的薄膜，拉伸到一定程度后，出現針頭大的小孔，隨即迅速擴大，直至斷裂；而表面有細紋損傷的薄膜，無一例外由損傷處斷裂。塑料薄膜與卡簧卡槽接觸處的頻繁摩擦及晝夜高溫差，會加劇薄膜的損傷，導致結構的強度下降，最終引起薄膜的破壞。

2　試驗設計

為了對塑料薄膜的老化程度進行評估，并重點研究卡簧卡槽夾持處的薄膜老化程度，對使用不同年限的塑料薄膜進行拉伸力測試。以最大荷載(Maximum load)、斷點延伸率(Elongation at Break)、拉伸強度(Tensile Strength)為評價指標，從試驗角度探尋溫室薄膜最易老化的部位及老化原因，以期延長薄膜的使用年限。

2.1　材料選擇

農用低密度聚乙烯塑料薄膜種類很多，常按其化學組成和制作工藝進行分類。應用較為廣泛的是PEP利得膜，它是將PE和EVA按照3層共擠式(PE+EVA+PE)制成的復合膜。其中，醋酸乙烯(EVA)作為添加劑的含量在4%～10%之間，PEP利得膜現有配方300種以上[11]。其兼具PE膜的耐溫性及EVA膜的強韌性，不僅能抗高溫及強風，還兼有透光率高、保溫性好、防塵及防流滴等優點[12-13]。目前，國內市場上塑料薄膜按厚度來銷售，厚度為8～15絲，1絲≈1mm。本試驗選取兩種常見的規格：0.10mm厚和0.15mm厚的PEP利得膜。

2.1.1測試點分布

取樣位置如圖2所示。圖2中，0.15mm厚薄膜單層安裝固定；0.10mm厚薄膜采用多層覆蓋的形式，與遮陽網一并安裝固定，遮陽網在外，薄膜在內。固定用的卡槽由鍍鋅板材制成，卡簧為浸塑處理的鐵絲。

取樣位置A位于0.15mm厚的薄膜的非卡簧卡槽夾持處，B位于0.15mm厚的薄膜的卡簧卡槽夾持處。C位于遮陽網覆蓋下的0.10mm厚的薄膜的非卡簧卡槽夾持處，D位于遮陽網覆蓋下的0.10mm厚的薄膜的卡簧卡槽夾持處。

圖2　取樣位置圖

2.1.2樣條制備

兩種厚度的薄膜按未使用、使用8個月(2013.06-2014.01)；使用近3年(2011.10-2013.03)分組。每組按照實際情況取卡簧卡槽夾持處與非卡簧卡槽夾持處(未使用過的全新料不予區分)分別進行5次重復。Demetres Briassoulis[8]在早期的研究中指出，橫向或縱向取樣無明顯拉力區別。

樣條制備參考GB/T1040.3《塑料 拉伸性能的測定 第三部分：薄膜和薄片的試驗條件》，選取“2型試樣”(見圖3)，將材料裁剪為寬20mm、長150mm的長條，確保試樣邊緣光滑且無缺口[14]。試樣中部有間隔50mm的兩條平行標線，便于夾具夾持。

b.寬度(10～25mm)；h.厚度(≤l mm)；L0.標距長度(50±0.5mm)；

L.夾具間的初始距離(100±5mm)；L3.總長度(≥150mm,0.1mm厚薄膜安裝形式)

圖3“2”型試樣

Fig.3Type 2 sample

2.2　設備儀器

選用濟南金測試試驗機設備有限公司生產的LD-5B-3型電子拉力試驗機。經預測試，塑料薄膜的拉伸試驗選擇第3個檔，最大測試力為200N，試驗速度50mm/min。試驗在室溫20～25℃、相對濕度60%～70%的環境下進行。拉伸試驗自動記錄各時間點的力值與形變量，樣條斷裂后自動停機輸出數據，至此完成了一次重復。

3　試驗過程與數據處理

3.1　新薄膜的拉伸試驗

新膜的5次重復試驗記錄如下。每次試驗輸出試驗過程中任意時間點的拉伸力與形變量，并附最大力值與最大強度。將數據整理為形變量與拉伸力的關系圖，如圖4所示。

觀察圖4可知：拉伸過程明顯地分為彈性變形階段和塑性變形階段；初始階段拉伸力為零，隨著試驗的繼續，樣條由松弛狀態漸變為緊繃狀態，而后發生彈性變形。通常為簡化分析，假設塑料薄膜為理想彈性體，彈性變形過程中應力應變存在一對應的線性關系。當外力超出彈性極限荷載后，進入短暫的屈服階段，變形增加較快，此時除了產生彈性變形外，還產生部分塑性變形[15]。隨著拉伸的繼續，塑性應變急劇增加，應力應變出現微小波動。這一階段材料發生屈服，原組織被破壞。薄膜沿著外力作用方向進行分子取向、結晶重排及鏈段滑移[9]；而越過屈服點后的塑性變形階段，除了伴隨著原組織有序和無序區之間發生一定程度的交換，分子主鏈之間還會發生部分斷裂[16]。塑料薄膜屬于韌性固體，塑性變形能力強，當力不斷增大達到斷裂負荷(即最大力值)時，應力為拉伸強度(MPa)。觀察圖4可知：新膜的斷點伸長量約為464mm(0.15mm厚)和351mm(0.10mm厚)。

圖4　新膜拉伸力與形變量圖

3.2　使用8個月的0.15mm厚薄膜拉伸試驗

試驗過程中(見圖5)，使用過的薄膜有明顯折痕或細紋損傷的，均在損傷處斷裂。表面光滑未見細紋的薄膜，拉伸到一定程度后，出現針頭大的小孔，隨即迅速擴大，直至斷裂。

使用8個月后，取樣位置A處的薄膜(非卡簧卡槽夾持部分的薄膜)在拉伸過程中受力和形變量均無明顯下降，即試樣的拉伸強度和斷裂伸長率未有明顯衰減；而取樣位置B處的薄膜(卡簧卡槽夾持部分的薄膜)在拉伸過程中斷裂伸長率衰減了61%，由新膜的927.2%衰減為362.0%。

試驗過程中，試樣的每個介質點均受拉力，同時將拉力向相鄰的介質點傳遞，則能量以該種形式在介質中傳播。塑料薄膜這類聚合物的強度和分子量密切相關，分子量均勻、排布整齊的薄膜各介質點能將受力均勻分散[17]。實際上，試樣的每個介質點都有變形差異，那么即使每個介質點受到相同的拉力，變形率也會不同；而被卡簧卡槽夾持的部分，材料因高溫過早老化變硬，延展性驟降，介質點受力時無法將能量傳遞分散，所以此處優先變形。

圖5　使用8個月的0.15mm厚薄膜拉伸力與形變量圖

3.3　使用8個月的0.10mm厚薄膜拉伸試驗

使用8個月的0.10mm厚薄膜拉伸力與形變量圖如圖6所示。由圖6可知：0.15mm厚的薄膜重復試驗的一致性較好，圖形重疊率高；而0.1mm厚的薄膜的5次重復一致性較差，圖形離散程度高。使用8個月后，取樣位置C處的薄膜斷裂伸長率衰減了12.8%，由新膜的701.6%衰減為611.8%；取樣位置D處的薄膜斷裂伸長率衰減了27.3%，衰減為510.0%。薄膜與遮陽網一并安裝，薄膜在內，遮陽網在外的方式可延緩薄膜因接觸卡簧卡槽而老化。

圖6　使用8個月的0.10mm厚薄膜拉伸力與形變量圖

3.4　使用近3年的0.15mm厚薄膜拉伸試驗

0.15mm薄膜使用近3年后老化嚴重，延展性大大降低，新膜的斷裂伸長率為927.2%。使用3年后，取樣位置A處的薄膜(非卡簧卡槽夾持部分的薄膜)斷裂伸長率衰減為611.2%，取樣位置B處的薄膜(卡簧卡槽夾持部分的薄膜)斷裂伸長率衰減為63.2%。

圖7　使用近3年0.15mm厚薄膜拉伸力與形變量

4　結果分析

拉伸強度(拉伸斷裂應力)以σ(MPa)表示，則

式中F—最大力值(斷裂負荷)(N)；

b—試樣寬度，b=20mm；

h—試樣厚度(mm)。

斷裂伸長率或屈服伸長率以ε(%)表示，則

ε=100L0/L(%)

式中L0—試樣原始標線，50mm；

L—試樣斷裂時或屈服時標線間距離(mm)。

機械拉伸性能的是評價薄膜老化程度的一項重要指標。拉伸強度及斷點伸長率統計如表1所示，由拉伸強度及斷點伸長率制成的應力應變曲線如圖8所示。

表1　使用不同時限的薄膜的拉伸強度

續表1

0.15mmA—0.15mm厚，取樣位置A，取自非卡簧卡槽夾持處；0.15mmB—0.15mm厚，取樣位置B，取非卡簧卡槽夾持處；0.10mmC—0.10mm厚，取樣位置C，取自非卡簧卡槽夾持處；0.10mmD—0.10mm厚，取樣位置D，取自卡簧卡槽夾持處。

圖8　薄膜的應力應變曲線

不同規格的塑料薄膜在使用過后斷點伸長率都會下降。對于0.15mm厚的塑料薄膜，取樣位置B比取樣位置A的斷點伸長率下降嚴重；對于0.10mm厚的塑料薄膜，取樣位置D比取樣位置C下降嚴重，可知卡簧卡槽的夾持會加速塑料薄膜的老化。

拉伸強度為單位截面薄膜在拉伸斷裂時的拉力，表示物質抵抗拉伸的能力。塑料薄膜在使用過后，拉伸強度整體變化趨勢是下降的，取樣位置A處0.15mm的薄膜還呈現拉伸強度先上升后下降的趨勢，取樣位置D處的拉伸強度高于取樣位置C處。王小滿在《農業用塑料薄膜耐老化性能測試技術》中也提到，薄膜在自然氣候暴曬初期拉伸性能有提升的傾向[18]。文獻[17]將其定義為高分子材料早期老化時的“退火效應”，分子鏈發生了重組、聚合以消除材料的部分內應力和材料的內部缺陷，導致抗拉強度值略有上升[19]。

決定塑料薄膜拉伸性能的是薄膜的分子量及結晶度，支鏈越規則，結晶度就越高，拉伸強度越高[5,20]。老化將導致分子鏈斷裂，分子量減小，分子的支鏈規則度下降，分子間作用力下降，所以使用過后薄膜的拉伸強度的整體趨勢是下降的。

5　結論與討論

1)覆蓋材料與溫室金屬結構連接處，即卡簧卡槽夾持處薄膜易老化，拉伸性能較其他部位差。

2)薄膜與溫室結構接觸點的保護措施對薄膜的老化起到重要影響，墊層的存在可阻擋部分紫外線，也可在夏日避免薄膜與高溫金屬卡槽直接接觸，可減弱薄膜因卡簧卡槽的夾持帶來的加速老化。

3)0.15mm厚的薄膜的拉伸性能較0.10mm厚的薄膜穩定。

本文雖已得出一些較為直觀的結論，但實驗設計還不夠嚴謹，未能對老化的機理結合環境因素做深層的剖析。實際上，老化是很復雜的過程，受到各種環境因素的影響，熱區溫室薄膜不僅受紫外線、高溫的光熱氧化，還受到各級風及臺風等影響。為延長覆蓋薄膜的使用年限，還有待進一步更細致的研究。