温室透光覆盖材料流滴性测试方法

第 20 卷 第 6 期2004 年 11 月农 业 工 程 学 报T ransactions of the CSA EV o l. 20  N o. 6N ov.   2004温室透光覆盖材料流滴性测试方法周长吉 , 周新群(农业部规划设计研究院设施农业研究所 , 北京 100026)摘 要 : 作为温室透光覆盖材料的塑料薄膜的流滴性日益受到关注 , 为此 , 已开发出各种无滴膜、无滴板 , 以改善温室透光覆盖材料的流滴性。但国内外对材料流滴性的监测与判断规则却很不统一 , 给温室用户带来了困难。该文分析了目前几种常用的流滴性检测方法的原理及其适用性 , 在此基础上 , 结合温室生产的实际条件 , 提出在 15 30倾斜面上形成露滴后 ,材料表面凝结水滴面积占整个测试面积比例的检测方法倾斜面上滞留水滴面积比法 , 并通过对塑料薄膜和聚碳酸酯板的分析测试 , 提出了将材料表面上计算水滴滞留面积小于 10% 作为透光覆盖材料流滴性的判别标准 , 为标准化检测覆盖材料的流滴性提供了依据。关键词 : 温室 ; 透光覆盖材料 ; 流滴性 ; 检测中图分类号 : TQ 320. 72+ 1; S62     文献标识码 : A      文章编号 : 100226819 (2004) 0620233204收稿日期 : 2004204205 修订日期 : 2004206207基金项目 : 国家“十五”重要技术标准研究专项 ;“工厂化农业设施与设备技术标准研究”作者简介 : 周长吉 (1964- ) , 男 , 甘肃武威人 , 研究员 , 博士 , 主要从事温室工程技术的研究、开发、设计和标准化工作。北京市朝阳区麦子店街 41 号 农业部规划设计研究院设施农业研究所 , 100026。Em ail: zhoucjfacaae. com0 引 言近年来出现的具有流滴特性的透光覆盖材料 , 在降低温室内湿度、克服屋面材料结露向室内种植作物滴水、减轻室内作物病害、提高温室透光性能等方面都具有显著的优点 , 受到种植者的欢迎 , 现已成为新温室建设和旧温室透光覆盖材料更换的首选。然而 , 由于对温室透光覆盖材料流滴性缺乏科学的界定和严格的测试方法 1 , 大多数覆盖材料供应厂商又基本都不提供有关材料流滴性的指标 , 且我国也没有相应的技术标准 , 市场上国内外生产的各种覆盖材料种类繁多 , 给用户识别增加了难度 , 甚至使温室最终用户增加了很多费用 , 但却并未获得真正的流滴效果 , 给温室生产者带来了一定隐患 , 有的甚至还给种植者造成了巨大的连带经济损失 , 由此而引发的各种法律诉讼案件也在不断增多。研究提出温室透光覆盖材料流滴性测试方法和检验规则 , 不仅有利于规范产品质量 , 保护温室建设者的利益 , 而且也为鉴别产品优劣提供了依据。本文分析研究了目前各种测试材料流滴性的方法 , 在此基础上提出了一种实验室分析测试方法倾斜面上滞留水滴面积比法 , 并提出相应的检测判别准则 , 为材料流滴性检测方法标准化提供依据。1 温室透光覆盖材料雾滴产生的机理及对生产的影响由于塑料材料表面的疏水性 , 当其表面温度降低到周围空气露点温度以下时 , 空气中的水分就会在材料内表面凝结成水滴 , 并附着在覆盖材料的内表面上 , 当水滴增大到一定程度时会滴落。在温室生产应用中 , 由于温室中室内相对湿度往往较高 , 在室外温度较低的季节 (我国长江流域主要在冬季 , 北方地区则是从秋季到春季的三个季节 ) , 温室透光用塑料覆盖材料内表面很容易形成结露的条件 , 温室内结露往往是一种难以避免的现象。温室透光覆盖材料表面雾滴对作物生产的不利影响主要表现在以下几个方面 2 : 雾滴导致光线的散射和折射 , 降低覆盖材料的透光率 ; 凝集到一定重量的雾滴滴落到作物表面上 , 将导致叶、茎、芽、花、果的病害 , 影响作物品质和产量 ; 雾滴滴落到室内遮阳保温幕上 , 会引起遮阳保温幕材料发霉 , 影响其反光、保温和使用寿命。为解决上述问题 , 人们研究并关注透光覆盖材料的特殊表面性能 3, 4 : 当内表面形成雾滴后能自动相互集聚形成水流 , 并最终沿一定坡度汇流到温室天沟或特定的集水槽中 , 一方面可以提高材料的透光率 , 另一方面又可以避免水滴滴落到温室作物上 , 影响作物正常生长 5 。材料的这种表面性能称之谓“流滴性” , 其机理是将防雾滴助剂 (通常是非离子表面活性剂 ) 加入到塑料中 , 改善塑料的表面活性 , 提高塑料表面的亲水能力。在温室透光覆盖材料中 , 通常将具有流滴功能的材料称为“无滴材料”。2 温室透光覆盖材料流滴性主要测定方法及其适用性分析选用具有流滴性能的温室塑料覆盖材料已经成为广大温室生产者的共识。作为温室透光覆盖材料的塑料薄膜或 PC 板材料 , 其流滴性应成为其应用功能的一项特定质量检测指标。但到目前为止 , 该项指标仍没有统一的国家标准或行业检验标准及检测指标 , 各生产厂家只有一些简单的测试方法和经验判断方法 6- 10 。归纳起来 , 现行的测试方法可分为四类 : 一类是根据固体表面润湿原理测量其接触角和表面润湿张力 , 从判断塑料表面的润湿性能分析材料的流滴性 ; 另一类是根据塑料表面的露滴凝集现象来判断塑料表面的流滴性能 ; 第三类是测定结露条件下材料透光率下降的程度来判断材332 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd.   All rights reserved.料的流滴性 ; 第四类是现场目测法。2. 1 根据润湿原理的测试判断方法根据润湿原理 , 添加在塑料内的流滴剂在塑料表面定向排列 , 亲水基向外与水结合 , 降低水的表面张力 , 提高水对塑料表面的润湿能力 , 表现为水滴在塑料表面的接触角减小 , 呈铺展趋势 11 。根据润湿原理来判断材料流滴性的方法主要有表面张力法和接触角法。1) 表面张力法测试水溶液在塑料表面的表面张力 , 与蒸馏水的表面张力 (72 mN m - 1) 以及塑料的临界表面张力加以比较来判断流滴性的好坏 7 。水溶液表面张力越小 , 越接近于塑料表面的临界表面张力 , 塑料表面的润湿性能越好 , 即流滴性越好。几种温室透光覆盖材料的临界表面张力如表 1。表 1 几种塑料材料的临界表面张力 CC 7 T able 1  C ritical surface tension of severalp lastic m aterials  mN m - 1塑料材料 CC 塑料材料 CC聚乙烯 31 聚氯乙烯 39聚酯 43 聚四氟乙烯 182) 接触角测试判断法根据润湿原理 , 水溶液的表面张力与塑料的临界表面张力越接近 , 水对塑料的润湿性就越好 , 接触角就越小 ; 当水溶液的张力等于塑料的临界表面张力时 , 接触角等于 0 , 水在塑料表面完全展开 8 。通过注射推管将蒸馏水 1 2 LL 滴落在塑料材料表面 , 用接触角仪测量停留在塑料表面上的水滴的接触角大小 (图 1 中的 H角 ) , 即可判断塑料材料的流滴性能优劣。实验测试结果表明 , 目前市售的无滴薄膜接触角一般在 30 50之间。图 1 材料表面水滴的接触角F ig. 1  Contact angle of drop on surface2. 2 根据流滴现象的测试判断法根据凝结水在流滴性好的塑料表面很快展开成水膜并沿着塑料材料表面下流的现象 , 来判断塑料的流滴性。一般来说 , 凝结水下落的时间越短说明薄膜的流滴性越好。实践中的具体做法有停滴面积法、烧杯法和流滴时间测试法等。1) 停滴面积法与接触角测试的方法相似 , 也是用针管在塑料表面滴落水滴 , 通过观察一定时间内水滴在塑料表面上的展开面积来确定塑料流滴性的优劣。流滴性较佳的塑料薄膜 , 5 m in 润湿面积可增加 1 2 倍 9 。2) 烧杯法在玻璃烧杯中装入 2 3 的温热水 , 上面罩放具有流滴性的受检试样并用皮筋扎紧 , 观察水蒸气在薄膜下表面的凝聚状态。可通过计量薄膜表面凝结水珠的下落时间来判断材料的流滴性能 ; 或者通过估算薄膜内壁附着的水滴面积百分比数将流滴性分成 5 10 个等级来评价材料的流滴性 6 。3) 流滴时间测试法此方法是在恒温水浴上 (50左右 ) , 观察具有一定倾斜角度 (15 ) 的塑料表面凝结雾滴的滴落现象。通过测试塑料薄膜下表面的初滴时间和初滴 10 m in 后连续10 滴水的滴落时间 , 比较不同塑料薄膜的流滴性能 10 。2. 3 测定透光率判断材料流滴性的方法由于流滴性对于温室生产的最直接影响是使其透光率下降 , 实际生产中一般要求在有凝结水滴的状态下 , 透光覆盖材料的透光率下降不超过 30% , 否则可视为覆盖材料没有进行流滴处理或者流滴性能失效。通过测定材料在结露条件下的透光率可间接地判断材料的流滴性。2. 4 现场目测法现场目测法 , 就是在温室生产现场直接观察塑料表面是否有流滴的痕迹 , 如果观测到表面结露水滴密集地不规则排列 , 并有大量水滴直接向下垂直滴落 , 则可判断材料不具备流滴性 , 如果材料表面有明显的流滴痕迹 , 表面结露水滴较少 , 透明度高 , 表明材料具有流滴性能。也有的按结露面积占覆盖材料面积的百分比评价材料的流滴性能 , 一般认为当露滴面积 50% , 该材料失去流滴性。2. 5 现有测试方法的适用性分析实际使用中发现 , 对于添加不同流滴剂、具有不同流滴性能的塑料材料 , 分别用以上方法进行测试 , 不同材料测试结果差别不大 , 较难准确直观地判断不同材料的优劣。除了按薄膜内壁附着的水滴面积百分比来评价可以从直观上判断塑料材料是否流滴外 , 其它几种方法都没有明确的判断标准 ; 或者即使提出判断标准 (如接触角法和流滴时间测试法 ) , 也只是基于对几种假定为流滴的薄膜进行试验的推断标准 , 缺乏理论依据和实际使用的反馈验证信息。而且 , 这些方法都没有结合农业生产对温室透光覆盖材料的具体要求来提出确切的判断材料是否具有流滴特性的指标。因此 , 笔者认为 , 上述这些方法只是对于在同一试验条件下定性地比较说明塑料材料表面的流滴性能好坏具有一定意义 , 而对于用户来说 , 由于没有明确的量化指标依据来具体判断所购的覆盖材料是否适用于温室生产中的流滴要求 , 对用户的实际指导意义不强。温室中对作物造成危害的结露水滴主要来自于屋面。温室生产和实验室观测都发现不论材料的流滴性好坏 , 只要覆盖材料为水平或接近水平位置放置 (如在拱圆顶塑料温室中的屋脊附近 ) , 结露水滴将由小到大集聚而最终垂直滴落到温室地面 (或室内种植作物上 ) , 水平面上的雾滴几乎没有向边缘游动的可能性。这种现象表明 , 不论是按湿润原理提出的表面张力法或接触角法 , 还是依流滴现象提出的停滴面积法或烧杯测试法等测定出的材料的流滴性与温室生产中材料432 农业工程学报 2004 年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd.   All rights reserved.流滴实际发生的条件相差甚远 , 因为只有倾斜的平面才会有流滴发生 , 在尖屋顶温室屋面上或在拱圆形温室屋面接近天沟的部位才能真正反映出材料流滴性的优劣。从这个意义上讲 , 上述“流滴时间测试法”中对检验材料采用一定倾斜角度的做法有一定的合理性。流滴性优良的覆盖材料 , 在一定的倾斜角度下形成的水滴会很快集聚而沿斜面下滑 , 而不是垂直滴落 , 因此 , 流滴时间测试法中测定初滴 10 m in 后连续 10 滴水滴下落时间的做法就值得商榷。3 新型测试方法倾斜面上滞留水滴面积比法3. 1 测试原理为了研究一种既结合实际 , 又便于实验室测定的试验方法 , 本文在研究分析上述测试方法优缺点的基础上 , 提出测定倾斜面上滞留水滴多少的方法来判断材料的流滴性倾斜面上滞留水滴面积比法。采用倾斜面就是充分考虑了透光覆盖材料在温室上使用的现实条件。用滞留水滴多少来判断材料的流滴性是基于无滴材料在倾斜面上几乎没有水滴滞留的现象和要求提出的。无流滴特性的材料表面结露后由于表面张力的作用 , 水滴由小变大集聚 , 在重力的作用下直接垂直向下滴落 , 而不能进一步汇集在材料表面形成径流。在水滴不断滴落的同时又有新的水滴不断形成 , 在材料表面总是有大小水滴长期密布 ; 而具有流滴特性的材料在表面结露后 , 水滴将呈铺展趋势并最终能形成表面径流 , 在流动过程中将径流路线上的全部水滴同时带走 , 不断形成的水滴将不断沿材料表面下流 , 材料表面不能形成长期密布的水滴 , 而只能看到不规则的径流流线。所以测定材料表面滞留水滴的多少是采用反证原理 , 不直接测定流滴材料流滴性的好坏 , 而是测定材料不具备流滴性的程度 , 从事物的反面来判定材料的流滴性。此外 , 采用现代计算机图像处理技术 , 测定和分析材料表面水滴所占面积大小和比例的方法也基本成熟 , 这种测试方法为后续的数据处理提供了条件。3. 2 测试装置与测试结果分析试验装置是在水浴锅上安装一个封闭的汽室 , 汽室顶部覆盖透光覆盖材料 , 根据温室常用的屋面坡度 , 分别采用了三种测试坡度 , 如图 2。在测试坡面垂直的方向上安装照相机进行拍照 , 照片传送到计算机进行图像处理和分析 , 可获得水珠在整个测试面上占有的面积。试验步骤 : 将密封好的汽室放在水浴锅上。打开水浴锅电源 , 并控制温度为 40。试验进行约 1 h, 塑料表面出现均匀分布的非常细密的雾滴 (直径约 0. 2 0. 5mm )。对于具有流滴性能的塑料表面 , 细密雾滴逐渐沿坡汇集呈水膜下滑 , 塑料表面呈现水膜下滑轨迹和一些零星的不规则小面积的水膜 ; 而不具备流滴性能的塑料表面则表现为细小雾滴逐渐扩大成明显的均布水珠并垂直滴落。加热 4 h, 系统基本达到稳定状态 (塑料表面水滴稳定 ) , 此时垂直于塑料表面的相机摄像。图 2 流滴性测试试验装置F ig. 2  T est instrum ent fo r m easuring theanti2drop p roperty of glazing m aterials图 3 和图 4 分别为无、有流滴性能的塑料薄膜的表面结露状况及其计算机分析结果。结果表明 : 当塑料薄膜表面水滴集聚量的计算值达到 15% 以上时 , 塑料薄膜表面已经基本布满水珠 (图 3) , 不适于温室内使用。只有在计算值  10% 时作为薄膜无流滴性的标准。其缺点在于 : 没有结合在结露条件下温室生产对覆盖材料透光性能的要求进行流滴性能的判断。在以后的试验测试中 , 可以进一步完善并加以标准化。参 考 文 献 1  刑 颖 . 农膜用防雾剂发展概况 J . 吉化科技 , 1997,(2): 20- 23.2 曹玉廷 . 塑料防雾化技术在食品工业中的应用问题 J .浙江食品工业 , 1992, 4 (2): 9- 12. 3 孙寿家 , 石建旺 , 王 军 . 透明材料防雾化技术研究趋势J . 化工时刊 , 1993, (6): 17- 21. 4 申屠宝卿 , 赵 黎 , 翁志学 . 表面光接枝法改善 LD PE 膜的防雾滴性 J . 中国塑料 , 2002, 16 (1): 51- 54.5 张福墁 . 设施园艺学 M . 北京 : 中国农业大学出版社 ,2001, 96- 107.6 陆 军 , 沙惠惠 . 薄膜用防雾滴剂 J . 广东塑料 , 1993,(1): 29- 31. 7 顾惕人 , 朱步瑶 , 李外郎 , 等 . 表面化学 M . 北京 : 科学出版社 , 1994, 359- 362, 371- 372.8 杨叔娴 . 接触角仪在研制防雾膜中的应用 J . 兰化科技 ,1994, 12 (2): 95- 97. 9 翟 健 . 农用蔬菜大棚膜无滴防雾性能的常温检测方法J . 聚氯乙烯 , 1996, (6): 54- 55.10 曾兆华 , 冯冠民 , 韦节标 . 聚氯乙烯大棚薄膜无滴性能的检测方法 J . 中国塑料 , 1999, 13 (3): 66- 72.11 杨建一 , 郝喜利 , 刘树彬 . 液体在固体表面的润湿特征及热力学分析 J . 河北轻化工学院学报 , 1997, 18 (4): 38-41.M ethod for evaluating an ti-drop property of glaz ingmater ials for greenhouseZhou C ha ng ji, Zhou Xinqun(Ch inese A cad em y of A g ricu ltu ral E ng ineering , B eij ing 100026, Ch ina)Abstract: W ith the rep lacem en t of glazing m aterial by p lastic, m o re and m o re atten tion has been paid to the w aterdrop p rob lem in the greenhou se. N ow , a lo t of an ti2drop p lastic film s and rigid p lastic sheets are availab le in them arket, w h ich can be u sed to im p rove the ligh t condition s in greenhou ses. How ever, the check ing criteria fo r thean ti2drop m aterial vary from p lace to p lace in the w o rld, w h ich m akes it difficu lt fo r greenhou se grow ers to selectglazing m aterial. In th is paper, the p rincip les and p racticab ility of several an ti2drop detection m ethods w ereanalyzed. It w as found that in m o st of the detection m ethods the test m aterial is ho rizon tally p laced acco rding togreenhou se condition s, the an ti2dry p roperty of glazing m aterials shou ld be detected at a slope, as the roof andw alls of the greenhou se are no t ho rizon tal and the an ti2drop p roperty has a great difference betw een slope andho rizon tal condition s. T hu s a new m ethod by calcu lating the area ratio of w ater drop s on a 15 30 slope p lasticm aterial w as pu t fo rw ard and the area ratio of w ater drop w as less than 10% fo r the p lastic w ith an ti2dropp roperty in a series of tests in p lastic film s and PC sheets, w h ich is expected to be ab le to p rovide basis andstandard fo r evaluating the an ti2drop p roperty of glazing m aterial.Key w o rds: greenhou se; glazing m aterial; an ti2drop p roperty; detection632 农业工程学报 2004 年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd.   All rights reserved.