聚乙烯地膜的光老化行为及相关性研究*

尤里武，杨颖楠，乔富永，王 力，丁晓锋，徐 伟，郭春云

（1 新疆吐鲁番自然环境试验研究中心，新疆吐鲁番 838000；2 吐鲁番市质量与计量检测所，新疆吐鲁番 838000；3 鄯善县农业技术推广中心，新疆吐鲁番 838000；4 新疆大学化工学院，新疆乌鲁木齐 830000）

地膜是农业生产不可或缺的重要生产资料，地膜技术在有效提高农作物产量和品质、农民增产增收等方面发挥了显著作用[1-2]。但是随着农用地膜用量和使用年限的不断增加，以及追求成本使用超薄农膜等现象的普遍存在，农田残膜愈积愈多[3-4]，造成农田“白色污染”，严重影响农用地膜覆盖栽培技术推广和农业生态环境的保护[5]，目前已经引起政府部门高度重视。2014年11月，原新疆维吾尔自治区质量技术监督局发布了DB65 3189-2014《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》强制性地方标准；2016年5月，《新疆维吾尔自治区农田地膜管理条例》正式发布实施；2017年10月，原国家质检总局发布了GB 13735-2017《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》。2017年12月，工业和信息化部公布《农用薄膜行业规范条件（2017年本）》（2017年第53号公告），通过规范行业管理，以促进地膜质量满足各方需要，减少农用地膜对土地和环境的污染，重点在可回收利用[6]。地膜的拉伸性能直接影响回收，所以研究地膜产品干热大气暴露试验与实验室光源暴露试验力学性相关性[7]，有着重要意义。大气暴露试验方法有真实、成本低、易于操作的优势，但大部分制造商不愿意等上几年时间来观察新产品配方是否真正得到改进并符合国家标准要求[8]。因此，通过实验室光源暴露试验进行加速老化，可以在较短的时间内作出评价地膜耐候性能，成为更高效的选择。

1 试验部分

1.1 试验样品

选取8种不同规格型号的聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜，编号1#~4#为新疆昌吉回族自治州某塑业有限公司，编号5#~8#为新疆库尔勒市某塑业有限公司，样品参数见表1。

表1 样品参数Table 1 Sample parameters

续表1

1.2 主要仪器与设备

电子万能材料试验机，规格型号：Instron 3367，测量范围：0~30 kN，精度：0.5级，速度范围：0.005~500 mm/min。氙灯老化试验箱，规格型号：Ci4000，光谱范围：全光谱300~420 nm，辐照强度：0.17~1.91 W/(m2•nm)，辐照精度±0.01W/m2。紫外灯老化试验箱，规格型号：UVTest，辐照度：0.35~1.55 W/m2，温度范围：35~80 ℃，喷淋压力：25~40 psi。塑料薄膜切样机，规格型号：XBM-II。

1.3 样品状态调节与制备

1.3.1 样品状态调节

按GB/T 2918-2018规定进行，在(23±2)℃下状态调节不少于4h再进行试验。

1.3.2 样品制备

大气暴露试验样品，根据农用地膜农业生产实际直接铺设，按暴露周期到现场截取样品。按GB 13735-2017《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》、DB65 3189-2014《聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜》、GB/T 1040.3-2006《塑料 拉伸性能的测定 第3部分：薄膜和薄片的试验条件》规定，采用2型试样，试样宽度为10mm，长度至少150mm。

1.4 测试与表征

1.4.1 干热大气暴露试验

选择在吐鲁番模拟农业生产实际使用情况进行铺设，研究随着大气暴露时间的增加其力学性能的变化。平地浇水后将农用地膜按样品编号1#~8#，每种膜铺15m，模拟实际农业生产每周浇水一次，保持土壤湿润。试验周期为180天，分别在0、5、10、20、30、60、90、120、180 天，共分9次取样，每次试验用量1.5m。

1.4.2 实验室光源暴露试验（氙灯）

按GB 13735-2017中耐候性试验方法，执行GB/T 16422.2-2014《塑料 实验室光源暴露试验方法 第2部分：氙弧灯》，采用方法A，辐照度为0.51W/(m2•nm) （窄带340nm）,投试16组横纵向拉伸样条，黑标温度65℃，试验箱温度38℃，湿度50%RH，102min干燥、18min喷淋循环交替进行。试验周期为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次取样。

1.4.3 实验室光源暴露试验（紫外灯）

按DB65 3189-2014中人工气候老化试验方法，执行GB/T 16422.3-2014《塑料 实验室光源暴露试验方法第3部分：荧光紫外灯》，光源采用II型UV-A340，投试16组横纵向拉伸样条，光照温度60℃，辐射时间4h，冷凝温度50℃，冷凝时间4h循环交替进行。试验周期为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次取样。

1.4.4 力学性能测试

按GB 13735-2017、DB65 3189-2014、GB/T 1040.3-2006规定进行，夹具间初始距离50mm，实验速度（500±50）mm/min，拉伸至试样断裂，测出拉伸负荷和断裂标称应变，结果精确到0.01N。

2 结果与分析

2.1 数据统计

干热大气暴露试验和实验室光源暴露试验（氙灯、紫外灯）数据结果分析如图1和图2所示。其中，图1是不同老化条件下（干热大气暴露、氙灯老化、紫外灯老化）地膜纵/横向拉伸负荷变化图，图2是不同老化条件下（干热大气暴露、氙灯老化、紫外灯老化）地膜纵/横向断裂标称应变变化图。

图1 不同老化条件下地膜纵/横向拉伸负荷变化Fig.1 Variation of longitudinal/transverse tensile load of mulch film under different aging conditions

图2 不同老化条件下地膜纵/横向断裂标称应变变化Fig.2 Nominal strain changes of mulch film longitudinal/transverse fracture under different aging conditions

2.2 数据分析

2.2.1 相关性分析

相关性是指两个变量之间的关联程度，利用minitab 2017软件，统计分析干热大气暴露试验、实验室光源暴露试验（氙灯、紫外灯）不同暴露时间与样品力学性能之间的相关性，结果见表2。

表2 暴露时间与力学性能的相关性Table 2 Correlation between exposure time and mechanical properties

2.2.2 回归分析

由于暴露时间与力学性能的相关系数的绝对值近似等于1，说明老化时间和力学性能之间存在一元线性相关性，因此可通过式(1)来表示老化时间与力学性能之间的关系：

式（1）中，Y代表力学性能；X代表老化时间（X为干热大气暴露试验时间；X1为光源暴露（氙灯）时间；X2为光源暴露（紫外灯）时间）。

利用最小二乘法得到a和b的值。通过力学性能的回归系数分析，地膜力学性能的一元线性回归方程拟合效果比较理想。因此，不同老化试验条件下农用地膜力学性能的一元线性回归方程可表示为：

其中：式(2)~(4)分别为干热大气暴露试验、实验室光源（氙灯）暴露试验、实验室光源（紫外灯）暴露试验的纵向拉伸负荷一元线性回归方程，式(5)~(7)分别为干热大气暴露试验、实验室光源（氙灯）暴露试验、实验室光源（紫外灯）暴露试验的横向拉伸负荷一元线性回归方程；式(8)~(10)分别为干热大气暴露试验、实验室光源（氙灯）暴露试验、实验室光源（紫外灯）暴露试验的纵向断裂标称应变一元线性回归方程，式(11)~(13)分别为干热大气暴露试验、实验室光源（氙灯）暴露试验、实验室光源（紫外灯）暴露试验的横向断裂标称应变一元线性回归方程。

2.2.3 倍率分析

分析干热大气暴露试验和实验室光源暴露（氙灯、紫外灯）试验后不同暴露时间与样品力学性能，通过式(2)~(13)得到X1、X2值与X的倍率关系。表3为暴露试验后纵向拉伸负荷的倍率关系，表4为暴露试验后横向拉伸负荷的倍率关系，表5为暴露试验后纵向断裂标称应变的倍率关系，表6为暴露试验后横向断裂标称应变的倍率关系。

表3 暴露试验后纵向拉伸负荷的倍率关系Table 3 Multiplication ratio of longitudinal tensile load after exposure test

表4 暴露试验后横向拉伸负荷的倍率关系Table 4 Multiplication ratio of transverse tensile load after exposure test

表5 暴露试验后纵向断裂标称应变的倍率关系Table 5 Multiplication ratio of nominal strain at longitudinal fracture after exposure test

表6 暴露试验后横向断裂标称应变的倍率关系Table 6 Multiplication ratio of nominal strain at transverse fracture after exposure test

通过表3至表6暴露试验后力学性能的倍率关系，力学性能拟合曲线如图3所示。

图3 不同老化的力学性能拟合曲线Fig.3 Fitting curve of mechanical properties

由表3和图3(a)分析可知，在纵向拉伸负荷指标方面，氙灯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和图3(b)分析可知，在横向拉伸负荷指标方面，氙灯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和图3(c)分析可知，在纵向断裂标称应变指标方面，氙灯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和图3(d)分析可知，在横向断裂标称应变指标方面，氙灯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。由于荧光紫外灯的光学效应比氙灯强，更容易使高分子材料的化学结构和性能改变，使之快速老化。

3 结论

(1)地膜经过干热大气暴露试验和实验室光源暴露试验（氙灯、紫外灯）后，力学性能与暴露时间呈负相关性。

(2)地膜在纵向拉伸负荷方面，氙灯老化速率是干热大气暴露的3.91倍，紫外老化速率是干热大气暴露的4.81倍；在横向拉伸负荷方面，氙灯老化速率是干热大气暴露的3.05倍，紫外老化速率是干热大气暴露的4.39倍；在纵向断裂标称应变方面，氙灯老化速率是干热大气暴露的4.34倍，紫外老化速率是干热大气暴露的6.82倍；在横向断裂标称应变方面，氙灯老化速率是干热大气暴露的3.72倍，紫外老化速率是干热大气暴露的5.50倍。

(3)通过建立地膜老化后力学性能与暴露时间的一元线性回归方程，可为地膜的生产质量控制和农业生产提供科学指导。