我国聚烯烃功能性农膜开发研究

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我国聚烯烃功能性农膜开发研究
http://www.ampcn.com 2005-2-23 18:14:18 浏览：

摘要：介绍和评述了我国聚烯烃功能性农膜在降解、除草、光质调节、耐老化、流滴、消雾、保温、光转换等功能方面的研究开发及应用概况，并提出发展建议。

关键词：聚烯烃；功能性棚膜；功能性地膜；应用研究

     农膜主要是指棚膜、地膜、畜牧养殖用膜等，是当今农业生产不可缺少的生产资料。中国是农业大国，自20世纪50年代末PVC薄膜应用于温室覆盖、60年代开始PVC农膜生产、70年代初开始PE-LD农膜生产以来，其产量和覆盖面积迅速扩大，已跃居世界第一。据统计，至2002年我国农作物地膜覆盖面积已达2．21亿亩，占世界70％以上，年需求量达650kt；设施栽培棚膜覆盖面积在2001~2002年度达到2940多万亩，占世界70％以上，年需求量达730kt，其中耐候功能膜约220kt，约占30％。

     功能性农膜是具有一种以上普通棚膜、地膜所不具备的特殊功能(如耐老化、防雾滴、保温、调光、除草、驱虫、防病等功能)的新型薄膜。其以PE、EVA等聚烯烃(PO)或PVC树脂为主要原料，添加一定量的功能性助剂或母粒，经混合、挤出、吹塑或流延工艺加工而成。

     我国从20世纪80年代中期起，园艺设施的快速大面积发展促使功能性农膜的研究蓬勃展开，各种功能性农膜的使用为农业的增产增收起到了重要作用。

1 地膜的研究及进展

     地膜用于各类农作物和经济作物的栽培及早期育秧的地面覆盖，能起到增温护根、防冻、保墒、调节光照、节水、除草以及控制土壤盐碱度的作用，进而促进作物早熟，提高质量与产量。国内1979年从日本引进地膜覆盖技术，最初用于蔬菜，后扩大到花生、西瓜、甘蔗、烟草等40多种经济作物，都获得了成功。地膜的种类也发展为流滴地膜、除草地膜、降解地膜、转光地膜、各种专色包括黑色、绿色、银灰、黑／白、黑／银双色及配色地膜、打孔地膜、微孔地膜等多种功能性地膜。

1．1 降解地膜

     我国是世界上地膜用量最大、厚度最薄的国家。其中普通地膜占总量的90％以上，厚度多在0．004~0．010mm之间，其中相当部分是0．008mm以下的超薄膜。这样虽然同重下的覆膜面积增加，减少了农民的支出，但因膜薄回收困难带来“白色污染”，造成严重的环境问题。因此，国内对降解地膜的研究同国外一样活跃，水平基本相当，但均在研究开发和试验试用阶段，尚未大规模应用普及。

     传统的降解地膜研究始于20世纪70年代，主要是光降解，80年代和90年代分别出现生物降解和光—生物降解。主要是通过共混法，在聚乙烯树脂中加入光敏剂或可生物降解剂，使制成的地膜在使用中先发生局部破裂，大片的薄膜变成小碎片进入土壤。其中，光降解地膜在光照作用下，一般三个月左右自动解体，相对分子质量降解到5000以下，并可被土壤微生物进一步降解。但此降解方式受地理、气候制约大，降解诱导期的可控性差，且不完全降解；生物降解地膜是使残膜在土壤微生物作用下发生降解及同化。国内以淀粉填充母料为主，有些还配人少量的金属化合物起催化作用。此法带来的问题是大量淀粉的添加造成地膜加工困难，厚度减不下来。也有用甘蔗渣、草纤维制成地膜及纸地膜，其优点是可完全降解，问题是干湿强度、保温、保墒性上还有差距；光—生物降解将光降解和生物降解结合起来，目的是提高降解效率和可控性，使残膜在光解后可继续被天然存在的微生物作用变成低分子化合物、水和二氧化碳。国内外对光—生物降解的研究热点目前集中在完全生物降解上。北京塑料研究所韩昌泰等研制的非淀粉可控光—生物降解膜，120d内可完全降解(碎片小于1cm2)；汽巴精化推出的加拿大EPI公司技术的EnvirocareTM Ag1000降解添加剂，以2％～4％的添加量，通过曝晒的光和热作用产生降解，诱导期基本可控，且降解一旦开始，即使地膜与土壤相混合也会持续直至完全降解，目前已在国内多处试用取得较好效果。但上述的降解方式仍存在问题，主要是大块的PE地膜变成小碎片进入土壤后，在自然界仍需经几百年后方可完全降解(也有观点认为，当碎片相对分子质量小于5000时，易于受到微生物的攻击而加速降解，完全降解的时间可能缩短)，在此之前，土壤仍存在严重污染。

     目前降解地膜在我国各地、各类作物栽培中都有一定数量的应用，但不够普及。其推广困难的原因主要有二，一是价格高(比普通地膜高10％以上)，二是现有技术水平制约及各地土壤、气候、光照等条件的不同导致地膜降解时间可控性及效果难以保证。而降解地膜技术的成熟与完善仍需时间。

1．2 其他功能性地膜

     20世纪80年代后期开始，国内陆续研制成功多种功能性地膜，缩短了与世界先进水平的差距，其中，济南三塑、北京华盾塑料公司等采用添加金都尔等除草剂的方法生产化学除草膜，通过除草剂缓释到土壤中起除草作用，用于西瓜、玉米、大蒜、花生、甜椒、西红柿等的栽培。

     济南三塑研制的黑色及黑白相间的配色地膜除具有普通地膜保墒的基本性能外，还具有调节地温、防除杂草功能，黑色部位除草率93％，比普通地膜增产11％~26％

     山西微通塑料薄膜公司姚建民等采用添加渗水助剂制成的渗水地膜，使薄膜形成微孔结构，具有渗水、保水、增温、调温、微通气功能，可使雨水在重力作用下透过但膜下水分难以蒸发，起到提高小雨资源的利用率、节水，使干旱地区的农作物增产20％的作用。

     中科院广州能源所添加红外线阻透剂制成的漫反射地膜，保温、隔热效果突出，可使阳光以均匀漫射形式透过，作物各部位所获得的辐照度大体相同，提高可利用光比例。
完
     作为物理除草方式使用的绿色地膜，因其能吸收阻挡植物光合作用所需的红橙光和蓝紫光，增加不需要的绿光透过，降低膜下植物的光合作用抑制杂草生长，从而提高作物的产量而受到欢迎。但目前国内因成本和用户接受能力限制，薄膜厚度小于0．015mm，生产难度大且对光的遮蔽性差，抑制杂草能力不强。国外如韩国的绿色除草地膜其颜色的波长范围经过专门选定，厚度都在0．04mm以上，用于茄子、草莓、瓜类等作物，除草效果较好。
2 棚膜功能化的研究进展及应用情况

2．1 功能性棚膜的品种和应用

     棚用薄膜从原料上主要有PE膜、EVA膜、PVC膜，国外还有PET及ETFE(乙烯—四氟乙烯共聚树脂)氟素膜；从薄膜结构上分为单层、双层及多层共挤膜；从功能上分为普通棚膜和以防老化功能为基础的各类单一或多功能膜，包括长寿、流滴、保温、消雾膜，各种专用膜，光质调节膜(转光、反光、调光)，高透光，遮光膜等。主要应用在大中棚、小拱棚和温室覆盖中，详细情况如下：

     日光温室(含普通、节能和加温、连栋温室)在我国现有面积745．9万亩。其中节能日光温室约513万亩，普通日光温室187．5万亩，加温温室43．5万亩。用膜厚度在65～120μm之间。前者多用消雾型EVA多功能复合膜，后两者使用PE或EVA多功能复合膜及消雾型膜。

     连栋温室现有1．9万亩左右，其中多为引进的现代化温室。需用能越3个夏季以上的耐候防尘功能膜，厚度150μm以上。目前进口连栋温室用功能膜大多靠进口。

     大中棚现有1129万亩，用于蔬菜、瓜果、花卉生产，可使作物生育期提前或延后20～30d，膜厚度在江南及江淮地区多为65~80 μm，三北地区多为100～120μm。过去主要使用普通棚膜，近年PE长寿、流滴保温及消雾型多功能复合膜也开始采用。

     小拱棚是面积最大的简易设施，现已达1071万亩。用膜厚度在30～50μm之间。过去主要使用PE膜，近年来用低VA含量的EVA高保温膜作小拱棚覆盖材料很受欢迎。

     功能性棚膜的研究是在园艺生产方式的改进对农膜不断提出新要求的情况下逐渐深入的，其各种功能是从延长使用寿命、提高保温性、保持和提高透光率及光质调节角度出发增加的。

     目前，我国以高耐候、高透光、高保温、长效流滴防雾及改善光质的聚烯烃多功能膜为研究开发的热点。主要是从基础树脂的研究与开发、功能助剂的改进与完善、生产工艺技术的提高、加工设备的技术更新等几方面展开的。

2．2 棚膜用基础树脂的研究与开发

     基础树脂的正确选用，对农膜的耐老化、强度、透光率、流滴性能等技术指标起重要作用。

     过去国内农膜生产企业受国产树脂农膜专用牌号少、数量小及进口树脂的价格、交货期、供应商等因素限制，常因选料不当造成农膜强度低，耐候性差，整批“爆棚”开裂等现象。1996年开始，中国农用塑料应用技术学会农膜分会组织农膜企业与农业、石化、化工行业的有关专家，对用于棚膜的国产、进口PE-LD、PE-LLD、EVA树脂进行了实地扣棚试验及分子结构、催化剂残留量等与产品性能关系的研究，黄皓浩、徐定宇等还建立了评价聚烯烃树脂耐候性的指标和经验公式。结果表明，相对分子质量高、相对分子质量分布窄、催化剂金属残留量小、支链数少、氧化诱导期长、抗黏剂、爽滑剂少的树脂耐老化性能好；结晶度低、结晶尺寸小的树脂成膜后透光率高，雾度低；结晶度高的树脂还会对农膜流滴性产生负面效应。

     据此评价标准，燕山石化的2F0．4A、荷兰的2100TN00、卡塔尔的FB3003等牌号的PE-LD；DOW公司的2045G、齐鲁石化的7042、天津联合化学的9085等牌号的PE-LLD；北京有机化工厂的5-0．3、9-0．7等EVA树脂脱颖而出，被筛选为功能性棚膜的主要原料。自此，国内农膜行业对按上述评价标准并选择熔体流动速率0．3～0．8g／10min的PE-LD、EVA和熔体流动速率0．8～1．0g／10min及含己烯(C6)、辛烯(C8)共聚成分的PE-LLD树脂作为功能性农膜的基础树脂达成共识。国内石化企业也根据农膜行业的要求在开发农膜专用料上取得进展。齐鲁石化引进荷兰DSM公司的PE-LD 2100、天津联合化学公司开发的PE-LLD9085、7028(C6成分)、北京燕山石化引进Exxon公司管式法装置生产的LD165、LD361、大庆石化开发的PE-LD 18B等，都是适合农膜的牌号。中科院长春应化所还与吉林石化研究院合作，通过在PE-LLD树脂上接枝表面活性剂的方法，开发成功带亲水、疏水基团的双亲表面活性剂的长效流滴膜专用料。

     而国际上近年新开发的茂金属线形低密度聚乙烯(mPE-LLD)则以优异的高透光率、低雾度(与纯EVA薄膜、PVC棚膜相近)的光学性能及突出的高拉伸、高穿刺强度的力学性能，赢得国内农膜企业的青睐。诸如Exxon公司的ECD342(原350D60)、日本三井公司SP1520等牌号的mPE-LLD树脂，已成为添加在薄型、高强度、高光效棚膜的首选基础原料之一。

2．3 薄膜耐老化性能的提高

     棚膜的耐老化是所有其他功能的前提。

     20世纪70年代末，为适应节约树脂资源、降低覆盖成本的需要，我国开发出防老化膜，棚膜的使用寿命从原来的4～6个月，延长至1年以上。多年来，在我国由于农民经济能力、企业的技术进步及行业竞争等诸多原因，棚膜的使用宽度不断增加，厚度一降再降，但对耐老化的要求并不降低。至今我国的耐老化大棚膜已是世界上最薄的，厚度一般0．06～0．12mm，连续使用10～12个月。

     在如此苛刻的条件下，国内农膜企业普遍采取选择好的基础树脂、使用多层共挤生产方式、以高比例PE-LLD与PE-LD共混、添加mPE-LLD并使用高效耐老化剂的方法保证产品寿命。

     在聚烯烃农膜耐老化性能上起关键作用的耐老化剂，用量大且性能最优的是受阻胺光稳定剂。20世纪80年代我国普遍使用国内自行研制的低相对分子质量受阻胺光稳定剂GW-540或GW-544／镍盐2002耐老化体系，因易挥发被水抽提和有严重刺激、致敏性及镍污染土壤等问题在90年代末逐渐用无毒聚合型受阻胺光稳定剂与复合型抗氧剂组成的耐老化体系替代。目前北京市化工研究院和北京花山助剂厂的BW-10LD(相当于Tinuvin 622)、783，由于价格合理、性能稳定，大量用于寿命1年的功能膜中。国外的新一代受阻胺光稳定剂如Ciba公司的Chimassorb 944、494、Tinuvin783，Cytec公司的Cyasorb UV-3346、UV-3529，Clariant公司的Hostavin N30等，复合型抗氧剂如B215、B900、B561等虽然价格高，但添加量少、效能高，在国内高档膜中的用量较大。

     针对棚膜的“背板效应”问题，北京市化工研究院通过将高相对分子质量受阻胺光稳定剂和具高效热稳定性、金属离子鳌合性的若干光稳定剂复合研制出兼具高效耐光氧老化、热氧老化性能且价格合理的BW-6911／13215耐老化体系；针对蔬菜及花卉生产普遍使用农药、杀虫剂、熏蒸剂等酸性物质使本身碱性的光稳定剂622、944发生反应降低棚膜耐老化性的情况，20世纪末，Ciba公司和Clariant公司推出了含有初级光热稳定作用的金属氧化物或脂肪酸盐的Tinuvin492、Tinuvin 494和Licovin N391受阻胺光稳定剂，使农膜的耐候性在一定程度上不受明显影响，但副作用是引起农膜透明度下降0．2％～3．4％；本世纪初，Cytec公司、Ciba公司推出最新一代的受阻胺光稳定剂Cyasorb UV-3529、Tinuvin NOR371，它们分别在受阻胺光稳定剂的核心单元——四甲基哌啶环的活性氮原子上进行了烷基、烷氧基取代，降低了活性氮发生反应的可能性(即降低了碱性)，由于其碱性极低且分子中能高效地产生活性基团，在严酷的化学条件下也保持着优异的光稳定活性，因此赋予农膜出色的抗农药性和光稳定性。上述产品被农膜企业用于生产投放在高温、农药、硫磺使用量大的地区的农膜，收到了很好的效果。

     目前部分企业不仅可以按用户要求生产寿命1年以上、抗农药型棚膜，而且可生产寿命二三年以上或用于连栋棚的耐老化膜。如玉溪市旭日塑料公司生产的0．06mm宽幅mPE-LLD耐老化膜在云南昆明玉溪地区覆盖大棚18个月以上；辽宁农用实验厂生产的0．10mm膜在鞍山地区覆盖大棚3年5个月；北京华盾公司生产的厚度0．18mm膜在北京锦绣大地连栋棚上使用达5年。但是，在厚型棚膜寿命与棚膜光学性能的保持上我国与发达国家尚有差距。

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