黄映东，尹红艳，张利超，郑斌，付蕾，许磊

(陕西理工大学材料科学与工程学院，陕西汉中 723000)

我国农业历史悠久，农业在国民经济中具有重要的地位。随着科技水平的提高，我国以有限的耕地养活了世界22%的人口，农业已经开始转向科技化。绿色植物的光合作用可利用的光波约在400～700 nm 的可见光区，而波长在280～400 nm 的紫外线对农作物生长不利，不仅会使作物发育不良，还会诱发某些病虫害[1-4]。目前市场上的抗紫外棚膜主要以添加UV-531 为主[5-6]，这种棚膜的抗紫外耐久性较差，使用一年就需更换，加大了农民的生产成本；而且其流滴性一般只能保持3 个月左右，容易造成农作物产生坏果[7-9]。所以需要加入一种新的紫外吸收剂来对聚乙烯(PE)复合棚膜进行改性[10-12]。

吡咯并吡咯二酮(DPP)是一种新型的紫外吸收剂，广泛用于墙体外层涂料，其对紫外线具有良好的吸收性，目前没有将其应用于棚膜之中的报道。为了探究DPP 对PE 棚膜性能的影响，采用实验室自主合成的DPP，利用双螺杆挤出机将DPP 与PE 进行熔融共混制得抗紫外母粒，与厂家提供的PE 棚膜材料混合吹塑成膜，并与未添加DPP 的PE 棚膜进行了性能对比。

1 实验部分

1.1 主要原料

低密度聚乙烯(PE-LD)：C150X，粉状，母粒基体树脂A，熔体流动速率(MFR)为4.2 g／10 min，马来西亚PETLIN 公司；

PE-LD：粒状，棚膜基体树脂B，MFR 为3.1 g／10 min，台塑工业有限公司；

DPP：自制；

抗氧剂1010：青岛杰得佳新材料科技有限公司；

流滴剂：KF650，日本理研株式会社；

乙醇：分析纯，上海三浦化工有限公司。

1.2 主要设备及仪器

双螺杆挤出机：SHJ-20B 型，南京海思挤出设备有限公司；

中空吹塑机：GY-CM-PE 型，广州市国研塑料机械厂；

MFR 测定仪：SRZ-400E 型，长春市智能仪器设备有限公司；

电子拉力试验机：LDS-500 型，长春市智能仪器设备有限公司；

紫外可见分光光度计：Lambda650 型，美国Perkin Elmer 股份有限公司；

接触角测量仪：JC2000CS 型，上海中晨数字技术设备有限公司；

氙弧灯老化实验箱：Q-SUN 型，美国Q-lab 公司。

1.3 试样制备

(1)抗紫外功能母粒的制备。

DPP 溶解于乙醇中得到溶液，将溶液与母粒基体树脂A 混合均匀后烘干，加入抗氧剂1010 和流滴剂KF650，利用双螺杆挤出机熔融共混、挤出造粒；挤出机各段温度为：加热段120℃，熔化段150℃，均化段165℃，机头160℃，主机转速660 r／min，喂料转速1 140 r／min。所得粒料烘干后即为含有DPP 的抗紫外功能母粒。抗紫外功能母粒中，DPP 的质量分数为0.001%，抗氧剂为0.5%，流滴剂为5%，其余为母粒基体树脂A。

(2) PE-LD 棚膜的制备。

将抗紫外功能母粒按质量分数10%与棚膜基体树脂B 混合，吹塑成膜，控制棚膜的厚度在0.04 mm 左右，吹塑机机筒区温度165℃，模具区温度175℃，主机转速520 r／min，牵引速度717 r／min，收卷速度737 r／min[13]。

1.4 测试与表征

(1)母粒的MFR 测试。

MFR 作为确定塑料加工性能的重要参考依据，能更好地确定选用的原材料所适应加工工艺的要求，从而提高制品成型的可靠性和质量。此次测试选取母粒3 g，附加载荷2.160 kg，温度190℃，每10 s 自动切割一次，切割10 次，称重，求其平均值。

(2)人工加速老化试验。

按照GB／T 16422.2-1999 用氙弧灯老化试验箱进行人工加速老化试验。以340 nm 相对光谱照射度为0.5 W／(m2·nm)，测试时间为1 200 h，黑标准温度计温度65℃，箱温40℃，相对湿度50%，喷淋周期：喷18 min，停102 min。

(3)棚膜拉伸强度测试。

按照GB／T 13022-1991 测试，采用II 型试样。将试样放置于22℃的环境中48 h，拉伸测试速率为500 mm／min，取5 个试样的平均值。

(4)棚膜水的浸润性测试。

接触角测量仪能够清晰地在计算机屏幕上显示水滴的影像，通过系统软件来截取水滴滴落后20 s 的图片，使用软件图像分析功能计算出液体与棚膜之间的夹角，夹角越小，棚膜的浸润性越好。

(5)棚膜紫外光透过测试。

选择表面光滑、无擦痕、厚度均匀的薄膜样品，薄膜用脱脂棉擦去析出物，用紫外可见分光光度计测试薄膜在280～400 nm 紫外光透过率[14]。

2 结果与讨论

2.1 母粒的MFR

母粒的MFR 与棚膜基体树脂的MFR 差距越小，相容性越好，二者混合后吹出的棚膜，结构均匀，透明度高。取抗紫外功能母粒进行MFR 测试，母粒MFR 为2.89 g／(10 min)。

加入助剂会降低母粒树脂的MFR (由4.2 g／10 min 降为2.89 g／10 min)，这是因为加入的助剂为小分子有机物，在高温混合后，在体系中有交联的作用，降低了混合体系的流动性；与棚膜基体树脂的MFR (3.1 g／10 min)有很好的匹配性。

2.2 棚膜横、纵向拉伸强度

老化前后拉伸强度对比如图1 所示。从图1 可以看出，棚膜的纵向拉伸强度大于横向拉伸强度，这是因为当熔融的PE-LD 从吹膜机口模处挤出后，分子链大部分沿着流动的方向排列，很少沿口模周向排列；由于牵引比远大于吹胀比，纵向方向的分子拉伸比横向的大得多[15]。添加了DPP 后的棚膜与普通棚膜相比，人工加速老化后，拉伸强度也有所降低，但降低幅度小于普通棚膜；DPP 的结构式如图2所示。DPP 中含有较大的共轭体系，具有阻隔紫外线的功能，可以减少紫外线对棚膜的损害。DPP 的实物照片如图3 所示，其为粉状。

图1 棚膜老化前后拉伸强度对比

图2 DPP 结构式

图3 DPP 实物照片

2.3 棚膜水的浸润性分析

接触角的大小在一定程度上反映了材料的润湿程度，接触角越小的材料的润湿程度越好，薄膜的流滴性能就越好，相反接触角越大的材料的润湿程度越差，薄膜的流滴性能就越差。对于遇水易腐烂的经济作物，流滴性的好坏直接关系到果实的质量与产量，所以对棚膜的流滴性要求非常高。

图4 为老化前后棚膜接触角对比。从图4a，图4b 可以看出，普通膜的接触角为31.16°，添加DPP后的棚膜的接触角为12.06°，可见DPP 的加入会使棚膜的接触角变小，从而提高了棚膜的流滴性，这是因为DPP 分子(见图2)带有亲水基团酰胺基，母粒中也添加了流滴剂，两者之间起到协同作用，使棚膜流滴效果更好。图4c，图4d 为经过人工加速老化后的棚膜，两种棚膜的接触角都有所增加，此次实验添加的流滴剂为有机流滴剂，在棚膜老化的过程中会缓慢分解，降低流滴效果；DPP 具有阻隔紫外线的作用，减少了紫外线对棚膜中的有机材料的分解，因此抗紫外棚膜依旧保持着较好的浸润性。

图4 老化前后棚膜接触角对比

2.4 紫外光透过率分析

图5 为棚膜紫外光透过率。由图5 曲线2 和曲线4 可以看出，添加了DPP 的抗紫外棚膜对紫外光的透过率明显降低，这是由于DPP 分子结构中特有的共轭体系能将外来的紫外光能吸收并转化为热能，DPP 吸收紫外光原理见图6。

图5 棚膜紫外光透过率

由图5 还可以看出，人工加速老化后，添加了DPP 的抗紫外棚膜对紫外光的透过率依然低于普通棚膜，这是因为DPP 分子结构稳定，对外界的刺激反应不敏感，具有耐老化、耐气候稳定性的性能。

图7 为DPP 紫外吸收光谱。由图7 可以看出，自主合成的DPP 在220，250，320 nm 处有明显的吸收峰，说明DPP 对紫外线有吸收作用，由于DPP为红色物质，因此在450 nm 处的吸收峰为DPP 的颜色表征峰。

图6 DPP 吸收紫外光原理

图7 DPP 紫外吸收光谱

3 结论

(1)选用自主合成的吡咯并吡咯二酮类(DPP)物质，DPP 质量分数仅为0.001%，就可以达到对紫外线(280～400 nm)有较好的阻隔作用。

(2)由于DPP 的极性基团有较好的亲水性，加入后与流滴剂起到了协同作用，明显增加了棚膜的流滴性。

(3) DPP 的加入，可以有效地减少紫外线对棚膜老化，使抗紫外棚膜人工老化后仍保持较好的抗拉、流滴及阻隔紫外线的功能。