紫外老化和热老化对农用薄膜性能影响的对比分析

李琛 肖生苓

摘要 [目的]研究老化行为是解决农用薄膜的老化现象、防止老化的基本手段。[方法]采用加速紫外老化和热老化2种方法，对老化前后聚氯乙烯（PVC）薄膜和高密度聚乙烯（HDPE）薄膜的拉伸性能、透气性能和透湿性能等进行对比分析。[结果]在2种老化方式下，HDPE薄膜的拉伸强度都下降，在老化120 h时，热老化拉伸强度降低6.07%，而紫外老化拉伸强度下降15.08%；PVC薄膜在老化120 h时，热老化拉伸强度上升33%，而紫外老化拉伸强度下降13.8%。在2种老化方式下，HDPE薄膜透气量都上升，老化120 h时，热老化透气量增加107.64%，而紫外老化透气量增加219.39%；PVC薄膜在达到最大透气量后缓慢降低。2种老化方式下，在老化120 h内，HDPE薄膜透湿量都是先降低后上升，而PVC薄膜透湿量都下降。[结论]该研究可以为合理使用农用塑料膜，降低老化的影响提供参考依据。

关键词农用薄膜；聚氯乙烯；高密度聚乙烯；紫外老化；热老化

中图分类号S188文献标识码A文章编号0517-6611（2014）14-04179-04

Comparison and Analysis of Performance of Agricultural Plastic Film in Ultraviolet Aging and Thermal Aging

LI Chen，XIAO Shengling（Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040；Key Laboratory of Forest Sustainable Management and Microbioengineering in Heilongjiang Province，Harbin，Heilongjiang 150040）

Abstract[Objective] Researching on the degradation behavior of mulch plastic film is a basic method for solving degradation phenomena and preventing degradation. [Method]Using artificial accelerated ultraviolet aging and thermal aging， the properties of tensile strength， air permeability and moisture permeability before and after aging were compared and analyzed， taking PVC film and HDPE film as objects. [Result]The tensile strength of HDPE in thermal aging decreased by 6.07% and the value was 15.08% in ultraviolet aging for 120 hours. The tensile strength of PVC in ultraviolet aging fell 13.8%， on the contrary， it raised 33% in thermal aging at 50 ℃ for 120 hours. The airpermeability of HDPE in thermal aging increased by 107.64%， while it increased by 219.39% in ultraviolet aging， the airpermeability of PVC reached to the maximum then declined slowly in two kinds of aging methods. Similarly in these two kinds of aging methods， the moisturepermeability of HDPE all decreased and then increased， nevertheless the moisturepermeability of PVC declined entirely. [Conclusion]The research could provide reference basis for the rational utilization of agricultural mulch plastic film and the reduction of the aging effects.

Key wordsAgricultural plastic film； Polyvinyl chloride polymer film； High density polyethylene film； Ultraviolet aging； Thermal aging

農用薄膜主要指用于农业生产的塑料薄膜，主要包括农用棚膜和农用地膜，其主要原料为高密度聚乙烯（HDPE），也有棚膜采用聚氯乙烯（PVC）。在使用过程中，农用薄膜受到使用环境的影响，不可避免发生老化现象。老化是一种不可逆的氧化反应。它能使塑料薄膜性能下降，最终丧失使用价值[1]。为了缩短老化测试时间，使得测试条件能跟实际老化条件近似，并且使得试验结果能达到重复和重现的目的。研究者们主要采用实验室人工加速老化试验模拟实际老化过程，通过人工模拟自然环境中的光、热、氧、水等因素对试样产生作用而得到试验结果，而且可以强化某一因素或几种因素的作用而获得加快试验进程的效果[2]。

聚乙烯（HDPE）的链节有碳原子和氢原子2种原子。碳-氢键键能为413 kJ/mol，氢原子尺寸很小，很难把碳链牢固地包围住，因此HDPE材料的耐老化性能较差[3-4]。此外，HDPE的链结构中还含有C=C双键。支链和双键是HDPE链结构上的主要弱点，也是HDPE易老化的主要原因。经过热和光诱导氧化后，将聚合物转变成激发态，被激发的C-H键易与氧反应，形成氢过氧化物，然后分解成自由基，按氧化机理降解。光氧化和热氧化发生的反应有交联和断裂，反应后羰基、羧基、不饱和物含量和交联结构增加，虽然老化开始时交联占优势，但随后断裂反应占主导，最终导致聚合物分子量减小，因而使得机械性能降低[5-6]。

聚氯乙烯（PVC）的热稳定性差，易分解脱氯化氢而使分子链上形成活性很大的双键，并且PVC主链上含有链内双键、支链、端基双键、共轭双键等，形成结构不稳定。环境外因如热、水、光、氧等都可加速PVC的分解。由于氧的存在，PVC发生氧化反应。PVC的老化过程中既有分解脱HCl，又有氧化断链和交联反应，其中分解脱HCl是PVC老化的主要原因，先脱去的HCl对PVC进一步脱HCl是有催化作用的。2个长链游离基相互碰撞或与主链上双键相互作用时2个分链会发生交联反应。另外，PVC分子链上的活性部位如双键、支链等受光和热的作用时易产生游离基，进而与氧作用发生氧化断链反应，使PVC的柔性下降而变脆，力学性能损失[7-8]。该研究采用人工紫外老化和热老化2种方式分别对PVC和HDPE农用薄膜进行加速老化测试，分析老化前后PVC和HDPE 2种薄膜性能的变化规律，为研究防止薄膜老化措施提供参考依据。

1材料与方法

2结果与分析

2.1拉伸试验由图1可知，随着拉伸荷重的增加，HDPE的拉伸变形位移量增大，在位移为0～10 mm时荷重与位移呈线弹性变形阶段[11]，位移为10～30 mm时曲线为下降阶段，位移为30～370 mm时曲线为缓慢上升阶段，HDPE产生弹性变形，位移为370～500 mm时曲线为快速上升阶段，HDPE产生塑性变形，而使HDPE达到变形极限被拉断。从曲线可以看出，在不同老化时间，曲线的变化趋势基本一致，随着老化时间的延长，曲线向下偏移。可见，随着热老化时间延长，材料的拉伸性能下降。

图1热老化的HDPE薄膜拉伸荷重-位移曲线由图2可知，紫外老化后得到的荷重-位移曲线的变化趋势类似于热老化所得到的曲线，也就是说，随着紫外老化时间的延长，HDPE薄膜的荷重-位移曲线向下移动，即HDPE薄膜的拉伸性能呈下降趋势[12]。

图2紫外老化的HDPE拉伸荷重-位移曲线由图3可知，热老化与紫外老化对HDPE薄膜的拉伸性能影响并不相同。热老化48 h时，HDPE薄膜的拉伸强度达到最大，为18.68 N，此后随着老化时间的延长而缓慢降低。当老化时间为120 h时，HDPE薄膜拉伸强度降低6.07%。紫外老化使得HDPE薄膜的拉伸强度几乎呈线性下降，老化48 h时拉伸强度下降5.13%，老化120 h时拉伸强度下降15.08%。可见，紫外老化对HDPE薄膜拉伸强度的影响更显著，紫外老化后HDPE薄膜拉伸强度下降迅速，薄膜更易断裂。

图3紫外老化和热老化对HDPE拉伸强度的影响由图4可知，PVC薄膜的荷重-位移曲线呈现出上升趋势，且老化时间越长，拉伸变形越大，载荷的上升趋势越明显。未老化试样与老化72 h的试样相比，当形变为50 mm时载荷增加9.2%，当形变为100 mm时载荷增加14.75%。未老化试样与老化120 h的试样相比，当形变为50 mm时载荷增加19.63%，当形变为100 mm时载荷增加24.29%。可以看出，热老化温度按照国标设置为50 ℃，该温度在120 h内并未使PVC发生老化而影响其性能，反而增加其柔韧性，使得拉伸强度增强。

图4热老化处理的PVC的拉伸荷重-位移曲线由图5可知，随着紫外老化时间的延长，PVC试样荷重-位移曲线向下偏移，说明发生相同变形时所需要的荷重降低，材料的拉伸强度下降。老化72 h与未老化的试样相比，在形变相同的条件下，位移为50 mm时载荷降低12.9%，位移为100 mm时载荷下降10.69%；未老化与老化120 h试样相比，位移为50 mm时载荷降低27.14%，位移为100 mm时载荷降低25.85%。可见，紫外老化对PVC拉伸强度影响显著，随着紫外老化时间的延长，PVC的拉伸强度下降。

图5紫外老化的PVC拉伸荷重-位移曲线由图6可知，热老化与紫外老化对PVC拉伸性能的影响趋势相反。随着老化时间的延长，紫外老化使得PVC拉伸强度下降，而热老化使得PVC拉伸强度增强[13]。在老化120 h时，PVC薄膜的热老化拉伸强度上升33%，而紫外老化拉伸强度下降13.8%。可见，在50 ℃的热老化条件下，在120 h内没有使PVC薄膜发生老化而降低拉伸强度，反而在此温度下增加塑料的柔韧性，拉伸强度增强。紫外老化使得PVC薄膜的拉伸强度下降，随着时间的延长，性能损失增大[14]。

图6紫外老化和热老化对PVC拉伸強度的影响由此可知，热老化与紫外老化对HDPE和PVC的拉伸性能的影响趋势不同。2种紫外老化的拉伸强度变化趋势都为减弱。紫外老化会使塑料薄膜的拉伸强度下降，而且紫外老化对PVC的影响更加明显。在50 ℃条件下热老化的处理使得塑料薄膜的拉伸强度呈增强的趋势，热老化48 h后HDPE薄膜的拉伸强度由上升趋势转为缓慢下降趋势，而PVC薄膜在测试的120 h内拉伸强度持续为增大趋势。

3结论

采用人工加速紫外老化和热老化2种试验方法，测试了HDPE和PVC 2种农用薄膜在2种老化方式下拉伸性能、透气性能和透湿性能的变化规律。研究表明，热老化与紫外老化都使HDPE薄膜的拉伸强度下降，但对PVC薄膜的拉伸强度影响不同，即紫外老化使PVC拉伸强度下降，而热老化使PVC拉伸强度增强。2种老化方式都使得HDPE薄膜的透气性上升，而PVC薄膜的透气性呈现出先上升后下降的趋势。2种老化方式对HDPE薄膜的透湿量都是先下降后上升，而对PVC薄膜透湿量呈下降趋势。对于2种薄膜性能的变化规律可以看出，HDPE薄膜比PVC薄膜更易发生老化，性能下降显著，紫外老化方式比热老化方式更易引起塑料薄膜老化降解。紫外光是引发塑料薄膜产生老化的主要因素。

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