聚乙烯地膜的光老化行為及相關性研究*

尤里武，楊穎楠，喬富永，王 力，丁曉鋒，徐 偉，郭春云

（1 新疆吐魯番自然環境試驗研究中心，新疆吐魯番 838000；2 吐魯番市質量與計量檢測所，新疆吐魯番 838000；3 鄯善縣農業技術推廣中心，新疆吐魯番 838000；4 新疆大學化工學院，新疆烏魯木齊 830000）

地膜是農業生產不可或缺的重要生產資料，地膜技術在有效提高農作物產量和品質、農民增產增收等方面發揮了顯著作用[1-2]。但是隨著農用地膜用量和使用年限的不斷增加，以及追求成本使用超薄農膜等現象的普遍存在，農田殘膜愈積愈多[3-4]，造成農田“白色污染”，嚴重影響農用地膜覆蓋栽培技術推廣和農業生態環境的保護[5]，目前已經引起政府部門高度重視。2014年11月，原新疆維吾爾自治區質量技術監督局發布了DB65 3189-2014《聚乙烯吹塑農用地面覆蓋薄膜》強制性地方標準；2016年5月，《新疆維吾爾自治區農田地膜管理條例》正式發布實施；2017年10月，原國家質檢總局發布了GB 13735-2017《聚乙烯吹塑農用地面覆蓋薄膜》。2017年12月，工業和信息化部公布《農用薄膜行業規范條件（2017年本）》（2017年第53號公告），通過規范行業管理，以促進地膜質量滿足各方需要，減少農用地膜對土地和環境的污染，重點在可回收利用[6]。地膜的拉伸性能直接影響回收，所以研究地膜產品干熱大氣暴露試驗與實驗室光源暴露試驗力學性相關性[7]，有著重要意義。大氣暴露試驗方法有真實、成本低、易于操作的優勢，但大部分制造商不愿意等上幾年時間來觀察新產品配方是否真正得到改進并符合國家標準要求[8]。因此，通過實驗室光源暴露試驗進行加速老化，可以在較短的時間內作出評價地膜耐候性能，成為更高效的選擇。

1 試驗部分

1.1 試驗樣品

選取8種不同規格型號的聚乙烯吹塑農用地面覆蓋薄膜，編號1#~4#為新疆昌吉回族自治州某塑業有限公司，編號5#~8#為新疆庫爾勒市某塑業有限公司，樣品參數見表1。

表1 樣品參數Table 1 Sample parameters

續表1

1.2 主要儀器與設備

電子萬能材料試驗機，規格型號：Instron 3367，測量范圍：0~30 kN，精度：0.5級，速度范圍：0.005~500 mm/min。氙燈老化試驗箱，規格型號：Ci4000，光譜范圍：全光譜300~420 nm，輻照強度：0.17~1.91 W/(m2?nm)，輻照精度±0.01W/m2。紫外燈老化試驗箱，規格型號：UVTest，輻照度：0.35~1.55 W/m2，溫度范圍：35~80 ℃，噴淋壓力：25~40 psi。塑料薄膜切樣機，規格型號：XBM-II。

1.3 樣品狀態調節與制備

1.3.1 樣品狀態調節

按GB/T 2918-2018規定進行，在(23±2)℃下狀態調節不少于4h再進行試驗。

1.3.2 樣品制備

大氣暴露試驗樣品，根據農用地膜農業生產實際直接鋪設，按暴露周期到現場截取樣品。按GB 13735-2017《聚乙烯吹塑農用地面覆蓋薄膜》、DB65 3189-2014《聚乙烯吹塑農用地面覆蓋薄膜》、GB/T 1040.3-2006《塑料 拉伸性能的測定 第3部分：薄膜和薄片的試驗條件》規定，采用2型試樣，試樣寬度為10mm，長度至少150mm。

1.4 測試與表征

1.4.1 干熱大氣暴露試驗

選擇在吐魯番模擬農業生產實際使用情況進行鋪設，研究隨著大氣暴露時間的增加其力學性能的變化。平地澆水后將農用地膜按樣品編號1#~8#，每種膜鋪15m，模擬實際農業生產每周澆水一次，保持土壤濕潤。試驗周期為180天，分別在0、5、10、20、30、60、90、120、180 天，共分9次取樣，每次試驗用量1.5m。

1.4.2 實驗室光源暴露試驗（氙燈）

按GB 13735-2017中耐候性試驗方法，執行GB/T 16422.2-2014《塑料 實驗室光源暴露試驗方法 第2部分：氙弧燈》，采用方法A，輻照度為0.51W/(m2?nm) （窄帶340nm）,投試16組橫縱向拉伸樣條，黑標溫度65℃，試驗箱溫度38℃，濕度50%RH，102min干燥、18min噴淋循環交替進行。試驗周期為25天（600h）。在0天(0h)、2天（48h）、4天(96h)、5天(120h)、8天(192h)、10天（240h）、12天（288h）、15天（360h）、20天（480h）、23天（552h）、25天（600h），共分11次取樣。

1.4.3 實驗室光源暴露試驗（紫外燈）

按DB65 3189-2014中人工氣候老化試驗方法，執行GB/T 16422.3-2014《塑料 實驗室光源暴露試驗方法第3部分：熒光紫外燈》，光源采用II型UV-A340，投試16組橫縱向拉伸樣條，光照溫度60℃，輻射時間4h，冷凝溫度50℃，冷凝時間4h循環交替進行。試驗周期為10天（240h）。在0天（0h）、2天（48h）、4天(96h)、5天(120h)、8天(192h)、10天（240h），共分6次取樣。

1.4.4 力學性能測試

按GB 13735-2017、DB65 3189-2014、GB/T 1040.3-2006規定進行，夾具間初始距離50mm，實驗速度（500±50）mm/min，拉伸至試樣斷裂，測出拉伸負荷和斷裂標稱應變，結果精確到0.01N。

2 結果與分析

2.1 數據統計

干熱大氣暴露試驗和實驗室光源暴露試驗（氙燈、紫外燈）數據結果分析如圖1和圖2所示。其中，圖1是不同老化條件下（干熱大氣暴露、氙燈老化、紫外燈老化）地膜縱/橫向拉伸負荷變化圖，圖2是不同老化條件下（干熱大氣暴露、氙燈老化、紫外燈老化）地膜縱/橫向斷裂標稱應變變化圖。

圖1 不同老化條件下地膜縱/橫向拉伸負荷變化Fig.1 Variation of longitudinal/transverse tensile load of mulch film under different aging conditions

圖2 不同老化條件下地膜縱/橫向斷裂標稱應變變化Fig.2 Nominal strain changes of mulch film longitudinal/transverse fracture under different aging conditions

2.2 數據分析

2.2.1 相關性分析

相關性是指兩個變量之間的關聯程度，利用minitab 2017軟件，統計分析干熱大氣暴露試驗、實驗室光源暴露試驗（氙燈、紫外燈）不同暴露時間與樣品力學性能之間的相關性，結果見表2。

表2 暴露時間與力學性能的相關性Table 2 Correlation between exposure time and mechanical properties

2.2.2 回歸分析

由于暴露時間與力學性能的相關系數的絕對值近似等于1，說明老化時間和力學性能之間存在一元線性相關性，因此可通過式(1)來表示老化時間與力學性能之間的關系：

式（1）中，Y代表力學性能；X代表老化時間（X為干熱大氣暴露試驗時間；X1為光源暴露（氙燈）時間；X2為光源暴露（紫外燈）時間）。

利用最小二乘法得到a和b的值。通過力學性能的回歸系數分析，地膜力學性能的一元線性回歸方程擬合效果比較理想。因此，不同老化試驗條件下農用地膜力學性能的一元線性回歸方程可表示為：

其中：式(2)~(4)分別為干熱大氣暴露試驗、實驗室光源（氙燈）暴露試驗、實驗室光源（紫外燈）暴露試驗的縱向拉伸負荷一元線性回歸方程，式(5)~(7)分別為干熱大氣暴露試驗、實驗室光源（氙燈）暴露試驗、實驗室光源（紫外燈）暴露試驗的橫向拉伸負荷一元線性回歸方程；式(8)~(10)分別為干熱大氣暴露試驗、實驗室光源（氙燈）暴露試驗、實驗室光源（紫外燈）暴露試驗的縱向斷裂標稱應變一元線性回歸方程，式(11)~(13)分別為干熱大氣暴露試驗、實驗室光源（氙燈）暴露試驗、實驗室光源（紫外燈）暴露試驗的橫向斷裂標稱應變一元線性回歸方程。

2.2.3 倍率分析

分析干熱大氣暴露試驗和實驗室光源暴露（氙燈、紫外燈）試驗后不同暴露時間與樣品力學性能，通過式(2)~(13)得到X1、X2值與X的倍率關系。表3為暴露試驗后縱向拉伸負荷的倍率關系，表4為暴露試驗后橫向拉伸負荷的倍率關系，表5為暴露試驗后縱向斷裂標稱應變的倍率關系，表6為暴露試驗后橫向斷裂標稱應變的倍率關系。

表3 暴露試驗后縱向拉伸負荷的倍率關系Table 3 Multiplication ratio of longitudinal tensile load after exposure test

表4 暴露試驗后橫向拉伸負荷的倍率關系Table 4 Multiplication ratio of transverse tensile load after exposure test

表5 暴露試驗后縱向斷裂標稱應變的倍率關系Table 5 Multiplication ratio of nominal strain at longitudinal fracture after exposure test

表6 暴露試驗后橫向斷裂標稱應變的倍率關系Table 6 Multiplication ratio of nominal strain at transverse fracture after exposure test

通過表3至表6暴露試驗后力學性能的倍率關系，力學性能擬合曲線如圖3所示。

圖3 不同老化的力學性能擬合曲線Fig.3 Fitting curve of mechanical properties

由表3和圖3(a)分析可知，在縱向拉伸負荷指標方面，氙燈老化的速率是自然老化的3.91倍，紫外老化的速率是自然老化的4.81倍；由表4和圖3(b)分析可知，在橫向拉伸負荷指標方面，氙燈老化的速率是自然老化的3.05倍，紫外老化的速率是自然老化的4.39倍；由表5和圖3(c)分析可知，在縱向斷裂標稱應變指標方面，氙燈老化的速率是自然老化的4.34倍，紫外老化的速率是自然老化的6.82倍；由表6和圖3(d)分析可知，在橫向斷裂標稱應變指標方面，氙燈老化的速率是自然老化的3.72倍，紫外老化的速率是自然老化的5.50倍。由于熒光紫外燈的光學效應比氙燈強，更容易使高分子材料的化學結構和性能改變，使之快速老化。

3 結論

(1)地膜經過干熱大氣暴露試驗和實驗室光源暴露試驗（氙燈、紫外燈）后，力學性能與暴露時間呈負相關性。

(2)地膜在縱向拉伸負荷方面，氙燈老化速率是干熱大氣暴露的3.91倍，紫外老化速率是干熱大氣暴露的4.81倍；在橫向拉伸負荷方面，氙燈老化速率是干熱大氣暴露的3.05倍，紫外老化速率是干熱大氣暴露的4.39倍；在縱向斷裂標稱應變方面，氙燈老化速率是干熱大氣暴露的4.34倍，紫外老化速率是干熱大氣暴露的6.82倍；在橫向斷裂標稱應變方面，氙燈老化速率是干熱大氣暴露的3.72倍，紫外老化速率是干熱大氣暴露的5.50倍。

(3)通過建立地膜老化后力學性能與暴露時間的一元線性回歸方程，可為地膜的生產質量控制和農業生產提供科學指導。