农膜功能化研究及应用进展
田 岩
农膜是农业生产不可缺少的生产资料,自20世纪50年代PVC薄膜
开始应用于温室覆盖以来,农膜的产量和覆盖面积迅速扩大,至1999
年全世界年消耗已达1848万t的用量,其中地膜覆盖约650万t,温
室、大小棚等设施栽培覆盖约618万t,饲料、暖棚等使用约540万t。
随着农业技术的进步,不断给农膜行业提出新的课题,农膜新产品——
特别是功能性农膜的使用又促进了农业技术的进一步发展,对农作物
的增产增收起到了重要作用。
功能性农膜具有1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、调光、保温、除草、驱虫、防病等功能),通常是在
PE、EVA或PVC等树脂原料中添加一定量的功能性助剂或母粒,经混
合、挤出、吹塑或流延工艺制得。国外功能性塑料农膜的开发始于20
世纪60年代,90年代以后基本使用功能性农膜,很少使用普通农膜。
我国20世纪80年代中期开始,园艺设施快速大面积发展,同时功能性
农膜也进入蓬勃发展期,开发了多种新型功能性农膜。
地膜
地膜对于现代农作物的栽培起着极其重要的作用。我国1979年从
日本引进地膜覆盖技术,现已成功用于40多种作物。除普通无色透明
地膜外,还有流滴地膜、除草地膜、降解地膜、转光地膜、各种专色
地膜,包括黑、绿、银、红及黑/白、黑/银双色及黑/白配色地膜、切
口地膜、打孔地膜、微孔地膜等多种功能性地膜。
1.降解地膜
传统降解地膜的研究始于20世纪70年代,主要集中在光降解地
膜;80年代和90年代分别出现生物降解地膜和光-生物降解地膜。
光降解和光-生物降解地膜
光降解和光-生物降解地膜是通过在聚乙烯树脂中加入光敏剂、
过渡金属络合物或可生物降解剂实现降解功能,这样制得的地膜在光
照作用下发生局部破裂,大片薄膜破裂变成小碎片进入土壤。光降解
地膜在光照作用下,一般3个月左右自动解体,分子量下降至5000以
下,可被土壤微生物进一步降解;但是存在受地理、气候制约大,降解
诱导期的可控性差,不完全降解等问题。
日本、德国、瑞士等国家使用天然生物降解物质,如土豆或玉米
淀粉添加到聚乙烯中(浓度为30%～95%),有些还配入少量具有催化降
解作用的金属化合物。但是由于添加的淀粉量较大,地膜加工困难,厚
度难以降低。
为此,人们将光降解和生物降解两种技术相结合,以提高地膜的降
解效率和可控性,使残膜在光解后可进一步被天然微生物分解为水、
CO2和低分子化合物,这也是当前的研究热点之一。北京塑料研究所
研制的非淀粉可控光-生物降解膜,120d内即可完全降解(碎片小于
1cm2)。汽巴精化推出的EnvirocareTM Ag1000降解添加剂,利用光
和热作用使地膜降解,降解诱导期基本可控,降解开始后即使地膜与土
壤混合,降解也可进行完全;使用少量(2%～4%)这种降解添加剂即可获
得较好的效果。
但是,这类降解地膜仍存在一些问题,主要是大块PE地膜变成小
碎片进入土壤后,在自然界完全降解需要上百甚至几百年时间,会对土
壤造成严重污染。
生物降解地膜
为了解决上述地膜降解不完全带来的土壤污染问题,人们开始使
用可降解高分子材料代替聚烯烃材料。以可降解纸类产品为主体支撑
结构,双面涂覆可降解或可被环境吸收的高分子材料的降解地膜已经
投入生产。
意大利研究人员提出用羟基己酸内酯聚合物与异氰酸酯反应,然
后再与聚乙烯醇反应,制得可生物降解的新型薄膜材料。该种材料不
仅具有良好的生物降解性,且成膜性好,强度高,克服了单纯生物降解
地膜的不能在潮湿、雨水环境中使用的缺点。可惜此类研究尚未见工
业化产品投入应用。
但是生物降解地膜的价格相对较高(比普通地膜高10%以上),而
且由于现有技术水平的制约及各地土壤、气候、光照等条件的不同导
致地膜降解时间可控性和效果难以保证,技术的成熟和完善尚需时
日。
2.其他功能性地膜
20世纪80年代后期开始,我国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。济南三塑、北京华盾塑料等公司采用添
加除草剂的方法生产化学除草膜,已经在甘蔗、玉米、大蒜、花生、
甜椒、西红柿等栽培得到应用。
山西微通塑料薄膜公司采用添加渗水助剂的方法制成渗水地膜,
薄膜带有微孔结构,具有渗水、保水、增温、调温、微通气等功能。
该膜不透过水蒸气,所以收集到的透过雨水可以得到充分利用,提高了
水资源的利用率,可使干旱地区农作物增产20%左右。
中科院广州能源所通过添加红外线阻隔剂制成漫反射地膜,具有
突出的保温和隔热效果;而且阳光以均匀漫射形式透过,作物各部位受
到的辐照度大体相同,可利用光比例提高。
国外还开发出可透过红光与蓝光的红光膜,可透过红外线的红外
膜,能透过红、蓝光的紫色膜,弱光照条件下透光率高、强光照条件下
透光率低的蓝色膜等功能性地膜。其中,作为物理除草方式使用的绿
色地膜,能吸收阻挡植物光合作用所需的红橙光和蓝紫光,增加对光合
作用没有作用的绿光透过率,膜下杂草等植物的光合作用受到抑制,从
而提高作物产量。
但是,由于成本和用户接受能力的限制,国内地膜厚度一般小于
0.015mm,这类农膜不仅生产难度大,而且光遮蔽性差，抑制杂草能力
不强。
棚膜
功能性棚膜的研究开发动力来自于园艺生产方式的不断改进,对
农膜也提出了更新的要求。
20世纪70年代末,为了节约树脂资源、降低覆盖成本,我国通过
在树脂中添加防老化助剂的方式开发出防老化膜,棚膜的使用寿命由
原来4～6个月,延长至1年以上。普通PE棚膜覆盖后保温性差,膜内
表面会凝结露滴,不仅棚膜的透光率低,而且滴落到作物表面会引起病
害。
20世纪80年代末期,我国通过添加流滴剂、保温剂以及使用保
温性、透光率优于PE的EVA、PVC树脂等方法研制开发的流滴性棚膜,
流滴性可保持3个月以上,实现了PE流滴长寿膜、PE流滴保温长寿
膜、PVC流滴长寿膜的工业化生产。
20世纪90年代以来,随着我国园艺设施覆盖面的迅速扩大,特别
是北方越冬高效节能日光温室的大量应用,对农膜的透光、保温性要
求更高,而且增加了流滴同时必须消雾的要求。我国在EVA树脂、二/
三层共挤吹塑机组的国产化及流滴剂、消雾剂、光转换等助剂方面作
了大量研究,功能膜新产品也大量涌现,不仅增加了消雾功能、流滴持
效期延长至4～6个月,而且层间结构有了多种变化,形成数十个品
种。如PE/PE/PE流滴长寿膜、PE/EVA/EVA流滴保温长寿膜、
EVA/EVA/EVA高保温膜、PE/EVA/PE多功能以及转光膜、高光效膜、
各类叶菜、花卉、草莓、番茄专用膜等。
当前世界各国都以高耐候、高透光、高保温、长效流滴防雾的薄
膜为研究开发重点,主要围绕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。
1.基础树脂
基础树脂的正确选用,对农膜的耐老化性、强度、透光率等性能
起着决定性的作用。
过去我国国产农膜专用树脂牌号少、产量小,而国外进口树脂的
价格、交货期都存在一定限制,农膜生产企业常因选料不当造成强度
低、耐用性差、整批“爆棚”、开裂等问题。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,分别对用于棚膜的国产、进口LDPE、LLDPE、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。结果表明:分子量高、分子量分布窄、催化剂金属残留量小、支
链数少、氧化诱导期长、抗粘剂少的树脂耐老化性能好,而结晶度低、
结晶尺寸小的树脂成膜后透光率高,雾度低。该研究为我国农膜企业
选择基础树脂提供了科学依据。
据此,燕山石化的2F0.4A、荷兰的 2100TN00、卡塔尔的FB3003
等牌号LDPE,DOW公司的2045AC、齐鲁石化的7042、天津联合化学的
9085等牌号LLDPE,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,国内农膜企业对功能性
农膜基础树脂达成共识,成膜树脂可选择MFR 0.3～0.8g/10min的
LDPE、EVA树脂和MFR 0.8～1.0g/10min及含己烯(C6)、辛烯(C8)
共聚成分的LLDPE树脂。
国内石化企业还根据农膜行业的要求开发出多种农膜专用料,如
齐鲁石化引进荷兰DSM公司技术生产的LDPE 2100、天津联合化学公
司开发的LLDPE 9085、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等。
中科院长春应化所与吉林石化研究院合作,通过在LLDPE树脂上
接枝表面活性剂的方法,成功开发出带亲水、疏水基团的双亲表面活
性剂的长效流滴膜专用料,吹塑成膜后流滴持效期可以达到11个月以
上。
此外,近年国际上新开发的茂金属线型低密度聚乙烯(mLLDPE),则
以优异的高透光率、低雾度(与纯EVA薄膜、PVC棚膜相近)及突出的
高抗张、抗穿刺强度性能,受到农膜企业的广泛关注。如Exxon公司
的ECD342(原350D60)、日本三井公司的SP1520等牌号,已成为在薄
型、高强度、高光效棚膜的首选基础原料之一。（未完待续）