紫外吸收劑DPP 對PE–LD 棚膜性能的影響

黃映東，尹紅艷，張利超，鄭斌，付蕾，許磊

(陜西理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西漢中 723000)

我國農(nóng)業(yè)歷史悠久，農(nóng)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中具有重要的地位。隨著科技水平的提高，我國以有限的耕地養(yǎng)活了世界22%的人口，農(nóng)業(yè)已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向科技化。綠色植物的光合作用可利用的光波約在400～700 nm 的可見光區(qū)，而波長在280～400 nm 的紫外線對農(nóng)作物生長不利，不僅會使作物發(fā)育不良，還會誘發(fā)某些病蟲害[1-4]。目前市場上的抗紫外棚膜主要以添加UV-531 為主[5-6]，這種棚膜的抗紫外耐久性較差，使用一年就需更換，加大了農(nóng)民的生產(chǎn)成本；而且其流滴性一般只能保持3 個月左右，容易造成農(nóng)作物產(chǎn)生壞果[7-9]。所以需要加入一種新的紫外吸收劑來對聚乙烯(PE)復(fù)合棚膜進(jìn)行改性[10-12]。

吡咯并吡咯二酮(DPP)是一種新型的紫外吸收劑，廣泛用于墻體外層涂料，其對紫外線具有良好的吸收性，目前沒有將其應(yīng)用于棚膜之中的報道。為了探究DPP 對PE 棚膜性能的影響，采用實驗室自主合成的DPP，利用雙螺桿擠出機(jī)將DPP 與PE 進(jìn)行熔融共混制得抗紫外母粒，與廠家提供的PE 棚膜材料混合吹塑成膜，并與未添加DPP 的PE 棚膜進(jìn)行了性能對比。

1 實驗部分

1.1 主要原料

低密度聚乙烯(PE-LD)：C150X，粉狀，母粒基體樹脂A，熔體流動速率(MFR)為4.2 g／10 min，馬來西亞PETLIN 公司；

PE-LD：粒狀，棚膜基體樹脂B，MFR 為3.1 g／10 min，臺塑工業(yè)有限公司；

DPP：自制；

抗氧劑1010：青島杰得佳新材料科技有限公司；

流滴劑：KF650，日本理研株式會社；

乙醇：分析純，上海三浦化工有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

雙螺桿擠出機(jī)：SHJ-20B 型，南京海思擠出設(shè)備有限公司；

中空吹塑機(jī)：GY-CM-PE 型，廣州市國研塑料機(jī)械廠；

MFR 測定儀：SRZ-400E 型，長春市智能儀器設(shè)備有限公司；

電子拉力試驗機(jī)：LDS-500 型，長春市智能儀器設(shè)備有限公司；

紫外可見分光光度計：Lambda650 型，美國Perkin Elmer 股份有限公司；

接觸角測量儀：JC2000CS 型，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司；

氙弧燈老化實驗箱：Q-SUN 型，美國Q-lab 公司。

1.3 試樣制備

(1)抗紫外功能母粒的制備。

DPP 溶解于乙醇中得到溶液，將溶液與母?；w樹脂A 混合均勻后烘干，加入抗氧劑1010 和流滴劑KF650，利用雙螺桿擠出機(jī)熔融共混、擠出造粒；擠出機(jī)各段溫度為：加熱段120℃，熔化段150℃，均化段165℃，機(jī)頭160℃，主機(jī)轉(zhuǎn)速660 r／min，喂料轉(zhuǎn)速1 140 r／min。所得粒料烘干后即為含有DPP 的抗紫外功能母粒?？棺贤夤δ苣噶Ｖ校珼PP 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001%，抗氧劑為0.5%，流滴劑為5%，其余為母?；w樹脂A。

(2) PE-LD 棚膜的制備。

將抗紫外功能母粒按質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%與棚膜基體樹脂B 混合，吹塑成膜，控制棚膜的厚度在0.04 mm 左右，吹塑機(jī)機(jī)筒區(qū)溫度165℃，模具區(qū)溫度175℃，主機(jī)轉(zhuǎn)速520 r／min，牽引速度717 r／min，收卷速度737 r／min[13]。

1.4 測試與表征

(1)母粒的MFR 測試。

MFR 作為確定塑料加工性能的重要參考依據(jù)，能更好地確定選用的原材料所適應(yīng)加工工藝的要求，從而提高制品成型的可靠性和質(zhì)量。此次測試選取母粒3 g，附加載荷2.160 kg，溫度190℃，每10 s 自動切割一次，切割10 次，稱重，求其平均值。

(2)人工加速老化試驗。

按照GB／T 16422.2-1999 用氙弧燈老化試驗箱進(jìn)行人工加速老化試驗。以340 nm 相對光譜照射度為0.5 W／(m2·nm)，測試時間為1 200 h，黑標(biāo)準(zhǔn)溫度計溫度65℃，箱溫40℃，相對濕度50%，噴淋周期：噴18 min，停102 min。

(3)棚膜拉伸強(qiáng)度測試。

按照GB／T 13022-1991 測試，采用II 型試樣。將試樣放置于22℃的環(huán)境中48 h，拉伸測試速率為500 mm／min，取5 個試樣的平均值。

(4)棚膜水的浸潤性測試。

接觸角測量儀能夠清晰地在計算機(jī)屏幕上顯示水滴的影像，通過系統(tǒng)軟件來截取水滴滴落后20 s 的圖片，使用軟件圖像分析功能計算出液體與棚膜之間的夾角，夾角越小，棚膜的浸潤性越好。

(5)棚膜紫外光透過測試。

選擇表面光滑、無擦痕、厚度均勻的薄膜樣品，薄膜用脫脂棉擦去析出物，用紫外可見分光光度計測試薄膜在280～400 nm 紫外光透過率[14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 母粒的MFR

母粒的MFR 與棚膜基體樹脂的MFR 差距越小，相容性越好，二者混合后吹出的棚膜，結(jié)構(gòu)均勻，透明度高。取抗紫外功能母粒進(jìn)行MFR 測試，母粒MFR 為2.89 g／(10 min)。

加入助劑會降低母粒樹脂的MFR (由4.2 g／10 min 降為2.89 g／10 min)，這是因為加入的助劑為小分子有機(jī)物，在高溫混合后，在體系中有交聯(lián)的作用，降低了混合體系的流動性；與棚膜基體樹脂的MFR (3.1 g／10 min)有很好的匹配性。

2.2 棚膜橫、縱向拉伸強(qiáng)度

老化前后拉伸強(qiáng)度對比如圖1 所示。從圖1 可以看出，棚膜的縱向拉伸強(qiáng)度大于橫向拉伸強(qiáng)度，這是因為當(dāng)熔融的PE-LD 從吹膜機(jī)口模處擠出后，分子鏈大部分沿著流動的方向排列，很少沿口模周向排列；由于牽引比遠(yuǎn)大于吹脹比，縱向方向的分子拉伸比橫向的大得多[15]。添加了DPP 后的棚膜與普通棚膜相比，人工加速老化后，拉伸強(qiáng)度也有所降低，但降低幅度小于普通棚膜；DPP 的結(jié)構(gòu)式如圖2所示。DPP 中含有較大的共軛體系，具有阻隔紫外線的功能，可以減少紫外線對棚膜的損害。DPP 的實物照片如圖3 所示，其為粉狀。

圖1 棚膜老化前后拉伸強(qiáng)度對比

圖2 DPP 結(jié)構(gòu)式

圖3 DPP 實物照片

2.3 棚膜水的浸潤性分析

接觸角的大小在一定程度上反映了材料的潤濕程度，接觸角越小的材料的潤濕程度越好，薄膜的流滴性能就越好，相反接觸角越大的材料的潤濕程度越差，薄膜的流滴性能就越差。對于遇水易腐爛的經(jīng)濟(jì)作物，流滴性的好壞直接關(guān)系到果實的質(zhì)量與產(chǎn)量，所以對棚膜的流滴性要求非常高。

圖4 為老化前后棚膜接觸角對比。從圖4a，圖4b 可以看出，普通膜的接觸角為31.16°，添加DPP后的棚膜的接觸角為12.06°，可見DPP 的加入會使棚膜的接觸角變小，從而提高了棚膜的流滴性，這是因為DPP 分子(見圖2)帶有親水基團(tuán)酰胺基，母粒中也添加了流滴劑，兩者之間起到協(xié)同作用，使棚膜流滴效果更好。圖4c，圖4d 為經(jīng)過人工加速老化后的棚膜，兩種棚膜的接觸角都有所增加，此次實驗添加的流滴劑為有機(jī)流滴劑，在棚膜老化的過程中會緩慢分解，降低流滴效果；DPP 具有阻隔紫外線的作用，減少了紫外線對棚膜中的有機(jī)材料的分解，因此抗紫外棚膜依舊保持著較好的浸潤性。

圖4 老化前后棚膜接觸角對比

2.4 紫外光透過率分析

圖5 為棚膜紫外光透過率。由圖5 曲線2 和曲線4 可以看出，添加了DPP 的抗紫外棚膜對紫外光的透過率明顯降低，這是由于DPP 分子結(jié)構(gòu)中特有的共軛體系能將外來的紫外光能吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，DPP 吸收紫外光原理見圖6。

圖5 棚膜紫外光透過率

由圖5 還可以看出，人工加速老化后，添加了DPP 的抗紫外棚膜對紫外光的透過率依然低于普通棚膜，這是因為DPP 分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對外界的刺激反應(yīng)不敏感，具有耐老化、耐氣候穩(wěn)定性的性能。

圖7 為DPP 紫外吸收光譜。由圖7 可以看出，自主合成的DPP 在220，250，320 nm 處有明顯的吸收峰，說明DPP 對紫外線有吸收作用，由于DPP為紅色物質(zhì)，因此在450 nm 處的吸收峰為DPP 的顏色表征峰。

圖6 DPP 吸收紫外光原理

圖7 DPP 紫外吸收光譜

3 結(jié)論

(1)選用自主合成的吡咯并吡咯二酮類(DPP)物質(zhì)，DPP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.001%，就可以達(dá)到對紫外線(280～400 nm)有較好的阻隔作用。

(2)由于DPP 的極性基團(tuán)有較好的親水性，加入后與流滴劑起到了協(xié)同作用，明顯增加了棚膜的流滴性。

(3) DPP 的加入，可以有效地減少紫外線對棚膜老化，使抗紫外棚膜人工老化后仍保持較好的抗拉、流滴及阻隔紫外線的功能。