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不同速度下地膜单向拉伸撕裂特性

范文

荆双伟张富贵陈雪

摘要：为研制田间残膜回收后的膜杂分离设备，须对地膜在不同速度下的拉伸撕裂特性进行研究。通过自制拉伸设备对地膜作单向拉伸试验，同时用录像设备对拉伸试验过程的图像进行采集，并对采集到的延伸量、位移和时间等参数进行统计分析。结果表明，新地膜的断裂延伸率与厚度成正比，旧地膜的断裂延伸率比同厚度的新地膜降低 42.75百分点;地膜拉力和拉伸应力整体随着拉伸速度的增加而增加，旧地膜的平均拉力比同厚度的新地膜降低40.94%，新地膜拉伸应力受厚度影响较小;地膜拉伸断裂时间随着速度的增加而缩短;拉力对地膜的冲量值随着拉伸速度增加而整体呈指数递减趋势，新地膜的冲量值受地膜厚度影响较大，旧地膜比同厚度新地膜的冲量值减少71.98%。结果可以为残膜碎料机常出现的进料口吞料慢或不吞料现象提供理论支撑，并为膜杂分离设备设计提供理论依据。

关键词：地膜;力学特性;指数函数;拉伸力;拉应力;碎料机

中图分类号： S223.5 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）01-0225-05

被誉为农业“白色革命”的地膜覆盖栽培技术，自20世纪70年代末引入我国以来，以其在改善土壤小气候，提高地温，保持土壤湿度，促进种子发芽和幼苗快速增长以及预防病虫草害等方面的显著作用，而深受广大农民的欢迎，愈来愈多不同农作物陆续采用地膜覆盖栽培技术。据统计，2016年我国地膜产量为269万t，覆盖面积为0.28亿hm2。地膜的广泛使用在促进作物生长的同时，较低的回收率造成了不同程度的白色污染。加大对残膜的回收利用是解决白色污染的一个重要途径，而地膜的撕碎是回收利用的必要环节，研究地膜的拉伸撕裂特性对地膜的循环回收利用具有重要意义。目前国内外对常用聚合物拉伸力学特性的研究及对应试验设备的开发已取得初步成果。

在国内，吴明儿等对不同厚度乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜进行单轴拉伸试验，得到相应抗拉强度、断裂延伸率、屈服应力以及弹性模量等力学参数的变化规律[1]。杨丽等通过聚偏二氟乙烯膜单向拉伸和介电性能影响试验，得出拉伸倍率、材料结晶度、表面特征和介电常数等参数分别与拉伸温度间的变化规律[2]。

在国外，Sasso等基于光学方法设计了一种充气（液）膨胀试验装置，通过移动摄像机对焦来准确测量应变，该装置结构简单，是研究薄膜双轴拉伸的典型装置[3]。Miller设计了一种对开槽的圆形薄片进行径向拉伸的装置，可用于等轴拉伸试验分析，该装置能很好地控制应变过程，但须要制作专门的开槽圆形试样，且该试验结构因夹头质量及摩擦力等因素会对小刚度的超弹性薄膜材料的试验精度产生影响[4]。Obata等介绍了一种对方形试样进行等轴拉伸的装置，该装置能直接对膜（片）材料进行双轴拉伸，模拟理想的双轴拉伸受力状态，因此获得了广泛的应用，但该试验方案属于非对称拉伸，在2个拉伸方向上须分别配置1对力传感器进行拉力测量[5]。

本试验基于地膜拉伸试验设备，通过无极调速器调节电机转速，使地膜的拉伸撕裂速度分为20个不同档位，并通过高速相机及拉力传感器记录整个试验的影像数据，以期为地膜捡拾机和碎料机的优化设计提供数据支撑。

1 材料与方法

参照GB 13022—91《塑料薄膜拉伸性能试验方法》对地膜进行单向拉伸试验。用AVS Video Editor播放器软件对拉伸试验过程的录像视频逐帧分析，得出不同拉伸撕裂速度下拉力-速度的变化关系。为减少偶然误差对采集数据的影响，本试验在每个拉伸速度阶段，分别对厚度为8、10 μm的新地膜和10 μm的旧地膜均重复进行5次拉伸试验，求其拉力、拉伸时间和延伸率等参数的平均值，并计算相应速度下拉伸力对地膜作用的冲量平均值。

1.1 试验装置

在室温下，地膜延伸率很高，由于市场中的万能拉伸试验机拉伸速度低，在其可调的速度范围内，地膜的拉伸特性变化不明显，且万能拉伸试验机配套的夹具会对地膜产生剪切力，该剪切力影响试样拉伸变形，因此该设备无法测定速度对地膜拉伸特性的影响。

本试验通过自制拉伸设备对地膜作单向拉伸撕裂试验。该设备在由硬质钢化玻璃做成的光滑导轨上有2组地膜夹持机构，一组夹持机构固定在导轨上，另一组夹持机构在电动机的驱动下可在导轨上沿直线运动。电机在调速器作用下可实现无极调速，电机的调速范围为0～800 r/min，绳索的移动速度为0～60 m/min。绳索与移动夹持机构间安装1个S形高精度拉力传感器，其精度值为0.01 N。传感器将采集到的试验数据信号传送到高频数显采样控制器上，该控制器的采样频率为60 Hz，有0.001 s的显示滞后。由于地膜拉伸速度快、形变時间短且采样控制器显示的拉力值变化频率高于人眼识别范围，因此拉伸试验过程由高频录像机录像，再用AVS Video Editor播放器软件把每秒的试验视频分为35帧逐帧播放，以便于观察分析拉伸力变化与地膜形变间的关系，试验设备原理见图1。

1.2 地膜试样

在我国农用地膜行业中，农用地膜产量大，生产厂家多，各厂家之间工艺流程、技术水平、设备状况、人员素质相差较大，经营者管理水平也存在着较大差异，导致各厂家所生产的农用地膜的质量参差不齐[6-11]。考虑到以上因素，本试验选择山东省临沂市红润湖地膜厂家生产的8、10 μm 2种厚度的新地膜作为试验材料。另外，从贵州省毕节市的赫章县、威宁县分别选取2个基地单元并从中选取5处烟草地进行田间旧地膜（使用期为1年）取样，经清洗、晾晒、干燥处理作为本试验的旧地膜试验材料（图2），经测量，旧地膜样品厚度为10 μm。

制作试样时，用切纸刀将试样裁切成宽2 cm、长20 cm的矩形小块。试样两端是夹持区域，夹持区域长度均为5 cm，拉伸区域的长度为10 cm（图3）。

新地膜试样的外观要求是表面无划痕和塑性变形痕，两侧边裁切整齐，无毛刺和缺口，以避免试验过程中因样品裂纹、缺口等外观缺陷的存在而产生应力集中，从而影响试样的整体抗拉强度，缺陷处的变形断裂可致使测量结果大幅波动。保留旧地膜试样的自然外观缺陷，这样测得的数据更具真实性。

1.3 拉伸试验

本试验于2017年5月在贵州大学机械学院农机实验室完成。试验用地膜夹持机构由环氧树脂板材组成，并由2个并排的M4螺栓为夹持机构提供夹持力。地膜属于黏弹性材料，若夹持机构夹持力过大会导致夹持区段的地膜变薄，在拉伸试验中试样断裂处易发生在夹持区的边界处;若夹持力过小，处于夹持区段的膜会参与塑性变形，影响试验数据，经过多次地膜夹紧力试验得到螺栓的最佳预紧力为2 N。绳索拉力方向要与导轨方向平行，以防止试样因受力不均而发生对角线拉伸变形。在电机启动前，绳索在缠绕辊上留有 10 cm 的松弛量，启动电机，在绳索被收紧的过程中电机转速从0达到稳定。电机速度稳定后再牵引夹持机构对地膜作匀速拉伸运动，直至地膜被扯断，以此来模拟碎料机匀速撕碎地膜的过程。

2 结果与分析

由于地膜的生产原材料是聚乙烯颗粒和各种添加剂组成的混合物，高温加热后原材料颗粒间分子链交错率低于原颗粒内部分子链间的交错率[12-14]，因此吹塑生产出的地膜产品有眼睛难以辨别的交错带，其拉力值低于地膜的其他区域。在室温条件下，试样在拉力作用下易产生延伸率低于50%时就发生整齐断裂（以下简称常温脆断）现象（图4）。

经计算直径为0.5 cm的聚乙烯球形颗粒，可生成直径为13 cm、厚度为10 μm的圆形薄膜。若地膜试样拉伸区没有交错带区域，则在受到单向拉力拉伸时，试样沿拉力方向发生均匀塑性变形直至断裂（图5）。

本试验在24 ℃室温条件下进行。据统计新地膜发生常温脆断的概率为31.5%，旧地膜发生常温脆断的概率为 58.3%。电机经无极调速器调试出20个不同拉伸速度，为降低常温脆断现象对试验结果产生的波动影响，在拉伸速度为某一定值时，分别对厚度为10、8 μm的新地膜和厚度为 10 μm 的旧地膜作5次重复拉伸试验，对所得的各参数求平均值。

2.1 断裂延伸率

通过以上分析数据可知，同一生产厂家的新地膜，厚度为8、10 μm地膜试样的平均拉力分别为2.52、3.39 N。即新地膜厚度减小20%，平均拉力降低25.66%;使用期为1年的旧膜平均拉力为2.00 N，比同厚度的新地膜平均拉力降低40.94%。旧地膜铺在地表由于受一定时期的阳光照射、风吹、雨淋、土壤腐蚀等环境的影响，其外表易出现细小裂纹，使其拉力力学性能大幅下降，测得的拉力数据波动性较大[15]，因此旧地膜的拉力方差值远大于新地膜。

拉伸速度影响拉力的大小，拉力整体随着拉伸撕裂速度的增加而增加。根据试验数据的拟合函数可知，厚度为8 μm新地膜拉力随着速度的变化系数为0.64，厚度为10 μm新地膜拉力随着速度的变化系数为0.43，厚度为10 μm旧地膜拉力随着速度的变化系数为0.02。

2.3 抗拉强度

根据长条形试样的拉伸试验结果计算得到，厚度为8 μm新地膜的平均拉伸应力为15.75 MPa，厚度为10 μm新地膜的平均拉伸应力为16.94 MPa，厚度为10 μm旧地膜的平均拉伸应力为10.01 MPa。厚度不同的新地膜拉伸应力相差不明显，旧地膜的平均拉伸应力比同一厚度的新地膜降低40.91%。

由图7可知，厚度为8、10 μm的新地膜拉伸应力整体随着拉伸速度的增加而增加。由于旧地膜表面存在拉伸痕和微小裂纹等缺陷，导致不同旧地膜试样间的拉伸应力值波动大。

2.4 拉伸时间与速度关系

研究对象是厚度为10 μm新地膜，经过计算与分析，将拉伸撕裂速度分别设置为1.43、2.68、8.12、34.48 cm/s，得到拉力和时间关系曲线（图8）。

由图8可知，在拉伸试验过程中，拉伸速度发生变化，其拉伸力特性也发生改变。地膜在低速拉伸撕裂的过程中，实时拉力值曲线有2个转折点。在开始拉伸地膜时，拉力-时间曲线呈直线增长趋势，此时材料处于弹性变形阶段，拉力主要为弹力;在第1和第2转折点之间，拉力曲线的斜率减小，材料的刚性降低，应变迅速增加，材料在这2点之间发生屈服变形，主要是因为地膜属于黏弹性材料，当低速拉伸时，分子链可以重新取向和平移，塑料呈现韧性变形行为，试样外观逐渐出现多处屈服变形，拉力值呈锯齿式波动增长;当拉力超过第2应力转折点时，材料发生大的塑性流动变形，试样被迅速拉长，其拉力-时间曲线近似为水平直线，试样受应力强化作用直至试样断裂[16-17]。当拉伸速度增加时，分子链的运动速度跟不上外力作用的速度，表现为拉伸强度增大，拉力-时间曲线上的2个转折点的距离逐渐缩小，拉力达到峰值时间和材料发生塑性流动变形的时间缩短。当拉伸速度達到 34.48 cm/s 以上时，拉力-时间曲线趋于直线。

2.5 冲量

试样拉伸速度可直接影响到拉力和拉伸时间，而冲量为力对质点作用一段时间积累效应的物理量，是改变质点机械运动状态的原因。通过20组不同的拉伸速度，对厚度为8、10 μm新地膜和厚度为10 μm旧地膜进行拉伸试验，分析得出冲量-拉伸速度变化曲线和拟合曲线（图9）。

地膜在拉伸过程中受拉伸力施加的冲量值随着拉伸速度的递增呈指数函数递减趋势。新地膜厚度从8 μm增加到 10 μm，所受外力的平均冲量值增加85.29%。由于旧地膜的外观有破损缺陷，与新地膜相比其平均拉力减小，拉伸过程的时间缩短，导致厚度为10 μm的旧地膜的平均拉伸冲量比同等厚度新地膜降低71.98%。

3 结论与讨论

受地膜生产工艺的影响，拉伸试验过程中容易产生低延伸率下的断裂。新地膜厚度增加25%，平均断裂延伸率增加 26.65百分点，即延伸率与地膜厚度呈正相关关系;同一厚度的旧地膜比新地膜的平均断裂延伸率降低42.75百分点。

若增加拉伸速度，拉力值略有增加，厚度为8、10 μm新地膜的拉力值增量与拉伸速度增量的比值分别为0.64、0.43;厚度从 8 μm 增加到10 μm，其拉力值平均增加34.4%。旧地膜的拉伸力随着速度的变化不明显，其拉力值的波动性远大于同厚度的新地膜。

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