农用薄膜研发及应用研究进展

传统塑料农膜

根据树脂原料的不同,农业生产中常用的塑料薄膜主要有聚氯乙烯(PVC)薄膜、聚乙烯(PE)薄膜、乙烯一酯酸乙烯共聚物(EVA)薄膜等。首先将树脂材料、母料核、改性剂、偶联层和分散层制成塑料母料,通过压延或吹塑工艺制成不同类型的薄膜。农膜覆盖在生产中的主要作用为增温、保墒、调节光照、防草以及调控土壤盐碱度等方面。最早使用的农膜为PVC膜,其保温性、耐候性较好,但比重较大,膜面易吸灰尘,透光性差,且燃烧时产生HCl等有毒气体;PE膜质量轻,柔软易造型,透光性好,是我国主要使用的农膜之一,但耐候性、保温性差,易形成水滴;EVA膜的透光性、保温性、耐候性均优于PVC和PE膜,是近年来应用于农业中的新型薄膜材料。几十年来,地膜覆盖技术促进了农业经济的快速发展,但塑料农膜的降解过程缓慢,需要100年以上,由此带来的土壤质量下降与环境污染问题也逐渐突出。

功能性农膜

随着设施栽培的快速发展.对农膜功能的要求不断提高。功能性农膜应运而生。其以聚烯烃(PO)、低密度聚乙烯(LDPE)或PVC树脂为主要原料,添加功能性助剂.经混合、挤出、吹塑工艺制成。功能性农膜的增产、早熟及改善品质效果更显著。目前主要以高耐候、高透光、长效流滴防雾及改善光质的多功能膜为研究热点。

耐候性农膜

农膜的耐老化性是其他所有功能的前提,棚膜的耐老化要求高于地膜。通过优化树脂材料和稳定剂可适度延长农膜的使用年限。一般采用高分子量及支链较少的材料做为基础树脂,选择高效耐老化剂,使用多层共挤技术生产耐老化农膜。20世纪80年代耐老化农膜树脂主要为LDPE;20世纪90年代采用LDPE和线性低密度聚乙烯(LLDPE)共混树脂;目前采用共混树脂添加mLLDPE为基础树脂。目前已知的性能最优的耐老化剂为受阻胺光稳定剂,20世纪80年代主要用GW一540+2002,20世纪90年代以后开始利用复配抗氧化剂配方,目前国外采用无毒聚合型受阻胺作为主要的耐老化剂,并且进入国内市场,但价格较高。国产的BW6911和6911/B215耐老化剂价格便宜,性能与国外产品相当。

转光膜

由太阳辐射到地表的太阳能中。300.750 nm的光谱辐射能所占比例约为50%,而能被叶绿素大量吸收而有效提高光合作用的光主要是蓝紫光区(400480 nm)和红橙光区(600~680 nln),290~350 nm的紫外光和510。580 nm的黄绿光对光合作用影响较小.作物所需的光谱强度不足,还要吸收不利于生长的大部分光谱,限制了光合速率的提甜131。在农用膜中添加转光剂可实现透过光光谱的转换。可将紫外光或黄绿光转换成光合作用所需的蓝紫光及红橙光,从而增加叶片叶绿素的含量和叶片面积.促进作物生长。目前使用的转光剂主要有稀土无机转光剂、稀土有机转光剂、碱土金属硫化物和荧光染料转光剂等,通过附染法、母料法、三层共挤法等工艺制备农用转光膜。转光膜的基本原理是体系中存在不稳定的离子或磷电子,可被紫外光或绿光的光能激发,处于高能状态,能量传给中心离子后,电子由不稳定的激发态回到稳定的基态,伴随一定波长光谱的发出,发射光的能量低于激发光的能量。较使用普通农用膜的设施蔬菜,转光膜可增加温度3℃~50C.增产20%左右。提前7~10 d上市。

防雾无滴膜

普通棚膜内表面易凝结水滴,易引起作物病害,且降低了设施内的透光率,限制了设施栽培作物产量和品质的提高。20世纪90年代,国内外农膜行业通过试验和应用研究。选择EVA基础树脂添加流滴剂和消雾剂造母粒。通过三层共挤吹塑技术研制出防雾无滴膜。流滴剂以脂肪酸多醇酯、有机胺类和聚氧乙烯类等多种非离子表面活性剂复配物,采用特殊型高表面活性剂作为消雾剂,主要有氟和硅表面活性剂.其中,氟系消雾剂的消雾性能优于硅系。基础树脂、流滴剂、消雾剂及其他活性剂之间有“配合效应”,不同功能性助剂并用存在显著的差异性,必须筛选出最佳流滴一消雾体系。但是,这种添加型防雾流滴膜中的功能性助剂,易从膜分子中析出流失,膜的功能持续期较短。近年来,国内外研究发现,采用涂覆流滴、消雾助剂的方法可实现流滴持效期与膜耐老化性基本同步。并已开发出良好的外涂流滴、消雾体系。目前,国内塑料大棚和13光温室使用的防雾无滴膜,初始透光率I>90%,初始雾度≤25%,流滴持效期可达18个月以上,使用效果显著优于有滴膜阎。

其他功能性农膜

农用膜的透光率是评价膜质量的重要参数,也是农民选择棚膜的首先指标。因此,高透光率的塑料薄膜将是农膜市场的主导产品。选择高透光、添加剂少的基础树脂。并在树脂材料中添加增透剂,增加体系内的晶核数,减少晶核粒径,可有效提高透光率,降低雾度。有研究发现,先将纳米无机复合粒子与其他功能助剂制成母粒,利用三层共挤技术生产的纳米无机粒子改性棚膜,以及添加成核透明剂的LLDPE棚膜.结晶均匀细密,透光率较普通棚膜提高2%。雾度降低38%~46%,有较好保温性能,且耐老化性显著优于普通棚膜。膜下杂草防除问题是限制地膜覆盖栽培技术应用的关键因素.除草地膜的应用可有效防除膜下杂草。主要有2种除草地膜,一种是物理除草地膜,主要是绿色、黑色等有色地膜,通过抑制植物的光合作用达到除草目的:另一种是化学除草地膜,将除草剂添加至地膜中,利用除草剂的缓慢扩散,在土壤表面形成灭草层,添加改良系除草母粒(GXML)的PE地膜除草效果较好例。日本通过浸入植物精油的方法开发出了具有防虫、杀菌作用的多功能农用地膜。随着生产技术的提高.农膜行业在耐候、流滴、防虫除草等功能的基础上,又生产出了利用光质调节的专色膜。

生态可降解型农膜

农膜覆盖技术推动了农业生产的快速发展,同时.由于其自然降解十分缓慢,也导致了农业生态环境的“白色污染”,造成土壤质量下降,降低了作物产量和品质。因此,开发利用可降解的环保型农膜,是今后农膜行业发展的必然趋势,国内外已经研制出了一系列可降解农膜阅。

生物降解农膜

生物降解膜分为完全生物降解膜和添加型生物降解膜。完全降解膜来源于淀粉、纤维素、壳聚糖及其他多糖类天然材料,以玉米淀粉基农膜为主.可完全自然降解,不会造成环境污染。降解的机理是微生物侵入薄膜后,使聚合物水解,分裂成低聚物,微生物分泌的酶可降解聚合物生成水溶性的小分子化合物,最终分解为CO2和水。添加型生物降解地膜是生物降解膜的研发重点。它是由天然高分子与合成高分子混合加工而成.其代表产品为聚乙烯淀粉生物降解地膜。美国采用40%~60%淀粉与改性聚乙烯醇共混生产出生物降解农膜;日本制成淀粉含量高达40%~85%的PE生物降解塑料:国内生产的添加型生物降解农膜淀粉含量一般为10%~30%嘲。目前生产的生物降解农膜还属于不完全降解膜,仅其中添加的少量天然高分子能够降解,大部分PE、PVC等合成高分子聚酯无法生物降解而残留在土壤中。长期积累易造成农业环境污染。

植物纤维农膜

植物纤维农膜是利用植物纤维作物原料生产的农膜,它可在自然环境中被微生物降解.生成有机废料,改善土壤结构和培肥地力,有效解决了农膜的环境污染问题,是发展可降解农膜的主要方向之一。目前生产的植物纤维地膜有纸地膜、麻纤维地膜、草浆地膜等。植物纤维地膜的透光性低于塑料薄膜.但不影响作物正常生长,保温、保水性较好。且抗撕裂强度,干、湿断裂强度等强力指标均满足使用要求。日本和欧美国家已推广使用利用壳聚糖和植物纤维素生产的纸地膜。我国以麻类纤维为主要原料.利用无纺布制造工艺和特有的后整理工艺、梳理成网与气流成网相结合的工艺,生产出了符合使用要求的环保型麻纤维地膜,其降解的最终产物为有机质、CO2和水.基本没有污染。

多功能可降解液态农膜

多功能可降解液态膜是以植物纤维、秸秆、壳聚糖等天然高分子材料为原料的新型液态农膜。这种膜喷洒地面后可形成特殊的土膜结构.抑制土表蒸发,提高土壤的持水保水能力.还可与土壤颗粒联结成理想的团聚体,改良土壤团里结构.促进植株生长,提高产量,改善品质,可完全降解,不会造成环境污染。日本和欧洲一些国家已经将多功能可降解液态膜应用于蔬菜、果树和花卉种植。近年来,我国研发了腐殖酸液态营养地膜,并在马铃薯、花生、玉米种植中起到了显著效果。

来源:PE聚乙烯产业链

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