《Polymers》：Holistic Approach for the Comparative Assessment of Chemical Structure and Functional Properties of Major Categories of Agricultural Plastics
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摘要：本研究评估了农业生产中常用的传统与生物基塑料制品的性能，以全面揭示其关键结构与功能特性，包括聚合物基质与添加剂的化学组成、力学行为、热学及辐射（ radiometric）特性。分析对象涵盖12种农用塑料（APs）制品：覆盖用地膜（mulch films）
摘要：本研究评估了农业生产中常用的传统与生物基塑料制品的性能，以全面揭示其关键结构与功能特性，包括聚合物基质与添加剂的化学组成、力学行为、热学及辐射（ radiometric）特性。分析对象涵盖12种农用塑料（APs）制品：覆盖用地膜（mulch films）、土工布防草布（geotextile ground cover）、防护无纺布（protection fleece）和低拱棚覆盖无纺布（low tunnel fleece cover）、化肥袋、诱蝇板（fly trap）、灌溉管、树木绑缚网（tree binding net）、树木引杆（guide for tree）、青贮膜（silage film）及干草捆保护织物（hay bales protection fabric）。所选样品涵盖了广泛的基体聚合物，包括传统材料（主要为聚乙烯 Polyethylene, PE 和聚丙烯 Polypropylene, PP）及生物基配方（主要为含淀粉或木质纤维素的共混物）。研究人员采用质谱（Mass Spectrometry, MS）与红外光谱（Infrared Spectroscopy, IR）分析聚合物组成与添加剂；通过拉伸与穿刺试验评估力学性能；并进行了辐射特性、热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）、表面润湿性、吸水率及透湿性测试以评价其他相关物理特征。研究发现生物基可生物降解农用塑料与传统聚烯烃类制品存在显著差异。材料组成与结构被证实关键影响水相互作用，决定了耐久性、降解性与作物保护性能之间的平衡。值得注意的是，生物基地膜表现出较高的水蒸气渗透率（0.6–1.1 × 10?13g/m·Pa·s）、较低的抗穿刺性（12.1 N）及较低的冲击与拉伸强度（21.8 MPa）。水相互作用试验显示，淀粉基地膜呈现极高溶胀率（>100%），有利于生物降解；而以聚羟基丁酸-己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯（Polyhydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate / Polybutylene Adipate Terephthalate 类共混，文中指 PHB/PBS 基）与聚丁二酸丁二醇酯（Polybutylene Succinate, PBS）为基的可生物降解共混膜溶胀极小（<3%）。材料组成与形态也是水蒸气传输的关键决定因素：致密聚合物薄膜提供优异的阻湿屏障（渗透率范围 0.013–0.04 × 10?13g/m·Pa·s），而纤维状或生物降解材料则允许更高的蒸气透过性。本研究结果凸显了可生物降解农用塑料相较于传统农用塑料的功能优势与局限，旨在指导未来农用塑料设计创新，确保其符合现代农业作业需求与环境可持续性目标。所得数据可为农用塑料使用与管理方面的科学进展和政策制定提供支持。
论文解读：农用塑料主要类别化学结构与功能特性的整体比较评估
该研究发表于《Polymers》。当前农业中广泛使用的传统石油基农用塑料（Agricultural Plastics, APs，主要为聚乙烯 PE 和聚丙烯 PP）虽提升了农业生产效率，但其不可生物降解性导致土壤中长期残留微纳米塑料（Micro- and Nano-Plastics, MNPs）及添加剂浸出，威胁土壤生态与食品安全。可生物降解农用塑料（主要为含淀粉或木质纤维素的生物基聚酯共混物）被视为潜在替代方案，但其实际田间功能表现、理化特性与传统材料的系统性对比数据不足，制约了其合理选用与设计改进。为此，研究人员选取欧洲代表性且市场占有率高的12种农用塑料新品（pristine samples），涵盖地膜（LLDPE基传统地膜与淀粉/聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯 Polybutylene Adipate Terephthalate, PBAT 共混生物降解地膜）、LDPE基低拱棚无纺布、PP基防护无纺布与土工布、青贮/干草捆膜（LDPE与PP基）、LDPE化肥袋、LDPE诱蝇板、LDPE滴灌管、HDPE树木绑缚网及PBS/聚羟基烷酸酯 Polyhydroxyalkanoates, PHAs 基可生物降解幼树保护器，从化学组成、力学、热学、辐射特性、水相互作用等多维度开展综合表征与对比，以明确材料构效关系，为可持续农用塑料设计及管理政策提供依据。
主要关键技术方法：
研究人员收集市售12类未使用农用塑料制品为样本队列。化学组成表征采用热裂解/热脱附-气相色谱-质谱（Pyrolysis/Thermal Desorption Gas Chromatography–Mass Spectrometry, Py/TD-GC-MS）鉴定聚合物基质热解产物与挥发性添加剂，基质辅助激光解吸/电离-飞行时间质谱（Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry, MALDI-TOF MS）确认生物基聚酯组分，电感耦合等离子体质谱（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, ICP-MS）定量金属元素，衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectroscopy, ATR-FTIR）识别官能团；力学测试依据ISO 527-1:2018进行拉伸试验及穿刺试验；辐射特性使用紫外-可见-近红外与傅里叶变换红外分光光度计配合积分球测定太阳波段（200–2500 nm）、光合有效辐射（Photosynthetically Active Radiation, PAR, 400–700 nm）及长波红外（Long-Wave Infrared, LWIR, 7500–12500 nm）透射率/反射率/发射率；热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）于氮气氛围以10 °C/min升温至650 °C；表面润湿性以水接触角（Water Contact Angle, WCA）表征；吸水溶胀以浸泡去离子水不同时间称重计算；水蒸气透过率（Water Vapor Transmission Rate, WVTR）与 permeability（Water Vapor Permeability, WVP）按 ASTM E96 湿法测定；数据以单因素方差分析与 Tukey 事后检验处理。
研究结果：
3.1 被测农用塑料的组成（Composition of the Tested APs）
3.1.1 Py/TD-GC-MS 与 MALDI-TOF：Py/TD-GC-MS 经分步热脱附（传统材料400 °C与500 °C，生物基材料加测300 °C）检出 PE 典型烷烃 triplet 系列及2,4-二叔丁基酚抗氧化剂碎片，生物基样品 SH-BIO2IT-150-white-0 检出顺-2-丁烯酸（PHA 热解标志）与琥珀酸酐（PBS 热解标志），表明其为 PHA/PBS 共混；MALDI-TOF 确认生物基地膜 M-BIOFI-15-black-0 主成分为 PBAT 环状钠加合物共聚物，SH-BIO2IT-150-white-0 含 PBS 链段。结论：联用技术可有效解析传统聚烯烃添加剂及生物基聚酯共混组成。
3.1.2 ICP-MS：所有样品有毒重金属低于检测限或法规限值；有色样品铝（Al）、铁（Fe）偏高源于炭黑或颜料，部分样品检出锌（Zn）源于成核剂苯基膦酸锌盐。结论：所测市售农用塑料金属添加剂符合安全要求。
3.1.3 FTIR 光谱：PE/PP 基材在 2915/2848 cm?1（C–H 伸缩）、1466/1365 cm?1（CH2/CH3剪式振动）、725 cm?1（(CH2)nrocking）具特征吸收；生物基地膜 M-BIOFI-15-black-0 在 1020 cm?1出现淀粉糖苷键 C–O 伸缩，1715 cm?1为 PBAT 羰基 C=O，1578/1456/1409 cm?1为苯环伸缩；SH-BIO2IT-150-white-0 具聚酯特征峰且缺 ～726 cm?1相邻亚甲基峰，1120–1160 cm?1指示木质纤维素填充。结论：FTIR 可区分聚烯烃与含淀粉/聚酯/木质素生物基农用塑料。
3.2 被测农用塑料的功能特性（Functionalities of the Tested APs）
3.2.1 力学性能（Mechanical Properties）：拉伸试验显示传统 PE 地膜具最高拉伸强度与断裂伸长率，生物基地膜拉伸强度与伸长率较低偏脆；PP 土工布与非织造布高单位宽度强度低伸长侧重尺寸稳定；生物基幼树保护器 SH-BIO2IT-150-white-0 拉伸强度与伸长极低。穿刺试验中 PE 膜及厚化肥袋抗穿刺较高，生物基地膜（15 μm）抗穿刺仅 12.1 N，SH-BIO2IT-150-white-0（150 μm）仅 2.4 N 且位移短，脆性明显。结论：传统聚烯烃力学强韧适合长期受力场合，生物降解材料宜用于短周期低力学要求场景。
3.2.2 辐射特性（Radiometric Properties）：黑色生物基地膜 PAR 透射率 1.7% 有效抑草，LWIR 透射率最低（16.2%）抑制热辐射散失；透明 PE 地膜太阳总透射率 89.6% 利于增温；PP 土工布 PAR 透射率 0.2%；青贮袋 PAR 透射率低于白色化肥袋以避光保鲜；PP 防护无纺布 PAR 与太阳透射率高（～87%）符合保温透光需求。结论：色素、厚度与聚合物类型调控辐射特性匹配农艺功能。
3.2.3 形态表征（Morphological Characterization，SEM）：PE 地膜表面较平滑伴少量填料颗粒与微缺陷；生物基地膜表面粗糙，见微米级热塑性淀粉（Thermoplastic Starch, TPS）分散相及 <1 μm 添加剂颗粒嵌入良好；PP 防护无纺布呈 10–30 μm 纤维交织多孔网络，结点为热粘合区，存微纤维释放风险；生物基幼树保护器表面嵌布木屑/木质纤维素颗粒，存微孔隙与弱界面，利于微生物定殖启动降解。结论：生物基材料异相形貌促进后续生物降解，非织造结构具潜在微塑料释放点。
3.2.4 热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）：PE 基单一降解步 350–480 °C，含碳黑者 Tpeak偏高；PP 基 Tpeak425–450 °C；生物基样品多级降解——M-BIOFI-15-black-0 先淀粉分解（～300 °C，约20%失重）后 PBAT 分解，SH-BIO2IT-150-white-0 依次失重对应各聚酯组分。结论：TGA 可区分均聚聚烯烃与多组分生物基共混物。
3.2.5 水接触角（Water Contact Angle, WCA）、溶胀率与 WVP：WCA 显示 PE 地膜 79.7°，生物基地膜 103.1°（PBAT 疏水），PP 制品 >104°，SH-BIO2IT-150-white-0 仅 56.0°（含亲水木质纤维素）。溶胀率：淀粉/PBAT 生物基地膜 >100%（高亲水），多数 PE/PP 织造/非织品 10–40%，致密 PE 管膜与 PHA/PBS 基幼树保护器 <3%。WVP：致密 PE 膜 0.013–0.04 × 10?13g/m·Pa·s（优阻湿），非织 PP 织品 3.6–26.5 × 10?13g/m·Pa·s（透气），生物降解膜/片 0.6–1.1 × 10?13g/m·Pa·s（中等透湿）。结论：聚合物极性、结晶度及织态结构主导水相互作用，生物基材料较高透湿与溶胀利于土壤中生物降解启动。
讨论与结论总结：
研究表明传统聚烯烃（PE、PP）农用塑料因非极性碳氢骨架与致密结构具低吸水、高强度、优异阻湿与耐候性，但无生物降解性，残留在土壤中碎裂为 MNP 并可能释放添加剂。生物可降解农用塑料含脂肪族聚酯并与淀粉或木质纤维素共混，具较高极性与多相形态，表现为更高水吸附与蒸气透过、较低抗穿刺及拉伸强度、更易启动微生物降解。材料功能行为由聚合物类型、添加剂配方及结构组织共同决定。生物降解材料可减少长期残留但降解过程中仍可能短暂生成碎片或释放化学品，需配合田间验证与监测。研究建议尽量减少不必要塑料使用，优先选用经实地验证具完全生物降解且添加剂最少之材料，并建立 MNP 形成与土壤健康跟踪机制。综上，传统石油基农用塑料留下长环境痕迹，生物基替代品需在设计上兼顾农艺功能与环境归宿；本研究提供的农用塑料系统表征数据为未来材料优化设计与相关政策制定奠定科学基础。
