一种多功能农用转光膜及其制备方法 |
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| 申请号 | CN201710495227.1 | 申请日 | 2017-06-26 | 公开(公告)号 | CN107471794A | 公开(公告)日 | 2017-12-15 |
| 申请人 | 浙江转喆科技有限公司; | 发明人 | 楼坚; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于 薄膜 转光技术领域。一种多功能农用转光膜，至少包括两层，第一层为蓝光膜，第二层为红光膜；所述蓝光膜和红光膜均包括薄膜基体和转光剂，薄膜基体的重量百分比含量为97.0～99.9％，转光剂的重量百分比含量为0.1～3％。本发明的多功能农用转光膜优点是能够充分利用太阳 光谱 中 植物 无法吸收利用的光 能量 ，同时将其转换成有利于植物进行光合作用的蓝光和红光，提高了光转换效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种多功能农用转光膜，其特征在于至少包括两层，第一层为蓝光膜，第二层为红光膜； |
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| 说明书全文 | 一种多功能农用转光膜及其制备方法技术领域背景技术[0002] 农用塑料薄膜主要由树脂和增塑剂、抗氧剂、光稳定剂、防雾滴剂、着色剂等组成，助剂的引入大大改进了塑料的加工性、机械强度和抗老化性及防雾滴等性能，这种薄膜用于封闭大棚起到了透光保温的作用，但是设计生产这种棚膜时，作物的光生理特性及透过光质的改善未引起足够重视。在影响植物生长的诸多环境因素中，光是最重要的因素之一。所谓“万物生长靠太阳”，植物对于光的要求，主要为光照颜色、光谱、光照强度和光照时间。 作为植物生长发育的重要生态因子，光对植物的形态建成与生长具有重大影响，尤其是光质组成与比例对植物的生长、色素组成、光合作用和物质代谢起调控作用。许多研究表明，植物生长和叶片色素的发育受光调控，红光有利于同化碳水化合物，蓝光有利于同化蛋白质类物质。不同植物对光谱成分变化的生理响应亦不同，双子叶植物比单子叶植物对光谱成分变化更敏感。从叶绿素a和b的吸收光谱来看，有两个峰区：(1)蓝紫区400～480nm，其中 425nm为叶绿素a吸收峰，440～460nm为叶绿素b，叶黄素及α-胡萝卜素吸收峰；(2)红橙区600～680nm，其中643nm为叶绿素b吸收峰，660nm为叶绿素a的吸收峰。光生态学研究表明，400～480nm的蓝紫区及600～680nm的红橙光有利于植物的光合作用，而能将日光中280～ 380nm的紫外光及被作物茎叶大量反射掉的绿黄光(510～580nm)转换成蓝光及红橙光的物质则可用作农用转光剂加入到塑料棚膜中，以改善光质。 [0003] 农用转光膜的开发始于上世纪80年代末期，当时主要用于人参的人工栽培，后来把这一技术逐渐推广用于水稻育秧、蔬菜种植等方面。目前市场上所用的农用转光膜基本上仅具有单一的光转换功能，或者转化成红光、或者转换成蓝光，缺乏对具体光谱成分的分析导致光质处理不纯，光强不一致、低于植物光补偿点等，并没有考虑到每种植物对光质组成的特殊需求。相关研究表明，不同植物在进行光合作用时所需要的最佳红蓝光比例并不相同，比如：生菜：定植和育苗光源分别采用红蓝光6∶1和7∶1的光源最适合其生长。因此，特别需要开发一种能够对光谱的光质组成进行有效调控的转光膜。 发明内容[0004] 为了克服上述现有技术中转光薄膜光质组成不可控，对于不同的植物无法给出最佳的红蓝光比例的缺点，本发明提供了一种光转换效率高的多功能农用转光膜及其制备方法。 [0005] 为解决上述现有技术的不足，本发明所采用的技术方案如下：一种多功能农用转光膜，至少包括两层，第一层为蓝光膜，第二层为红光膜；所述蓝光膜和红光膜均包括薄膜基体和转光剂，薄膜基体的重量百分比含量为97.0～99.9％，转光剂的重量百分比含量为0.1～3％。 [0006] 作为优选，蓝光膜的厚度为0.05～0.15mm，红光膜的厚度为0.05～0.15mm，转光膜总厚度为0.1～0.3mm。 [0007] 作为优选，蓝光膜的转光剂的化学组成为：Ca3B5O10Cl:Eu2+；红光膜的转光剂的化学组成为：Mg7Ge2-xO10F2:xMn4+，其中x的取值范围为0.01≤x≤0.3。 [0008] 进一步的，蓝光转光剂的制备方法包括以下步骤：(1)按照1:3的摩尔比称取Eu(NO3)3和尿素原料，并将其同时溶解到去离子水中，所配置的溶液中Eu2+离子浓度为0.5～1mol/L；(2)按化学计量比称取所需的CaCO3、CaCl2、H3BO3和过量的NH4Cl粉末，再从步骤(1)中量取Eu(NO3)3和尿素溶液，将所有原料在玛瑙研钵中研磨混合均匀至胶体状；(3)将上述胶体转移至刚玉坩埚中，并将坩埚放入已经预热至600～800℃的马弗炉中；溶液燃烧至完全，冷却至室温后研磨粉碎即得蓝光转光剂。进一步的，所述红光转光剂的制备方法包括以下步骤：(1)以MgCO3、MgF2、GeO2和MnO2为原料，按照化学式Mg7Ge2-xO10F2:xMn4+的化学计量比称取各原料，其中x的取值范围为0.01≤x≤0.3；(2)将步骤(1)获得的原料在玛瑙研钵中充分研磨后混合均匀；(3)将步骤(2)获得的混合物放入刚玉坩埚中，然后将刚玉坩埚和混合物一起放入箱式炉进行灼烧，灼烧温度为1200～1400℃，灼烧时间为4～6小时，烧结气氛为空气，灼烧完成后样品随炉降温至室温，取出获得烧结体；(4)将步骤(3)获得的烧结体进行球磨粉碎，即得所述转光剂。 [0009] 作为优选，所述蓝光膜和红光膜的薄膜基体成分为聚乙烯、聚氯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚丙烯中的一种或几种组合。 [0010] 一种多功能农用转光膜的制备方法，所述转光膜的制备方法包括以下步骤：(1)蓝光转光母粒制备，按重量百分比称取蓝光转光剂10～30％，薄膜基体树脂60～80％，其它改性助剂0～20％，然后在150～200℃的塑炼机中混合均匀，最后利用造粒机挤出，风冷造粒制作成蓝光转光母粒；(2)红光转光母粒制备，按重量百分比称取红光转光剂10～30％，薄膜基体树脂60～80％，其它改性助剂0～20％，然后在150～200℃的塑炼机中混合均匀，最后利用造粒机挤出，风冷造粒制作成红光转光母粒；(3)多功能转光膜制备，蓝光膜和红光膜分别按重量百分比称取转光母粒1～10％，薄膜基体材料90～99％，分别在混料机中搅拌混合均匀，然后分别送入两台挤出机中，模头为双层复合中心进料型，双层薄膜物料分别经过两台挤出机的熔融、塑化、挤出和双层共挤模头螺旋体继续塑化，通过口模共同挤出获得双层多功能转光薄膜，膜层总厚度为0.1～0.3mm。 [0011] 作为优选，蓝光膜的转光剂的化学组成为：Ca3B5O10Cl:Eu2+。红光膜的转光剂的化学组成为：Mg7Ge2-xO10F2:xMn4+，其中x的取值范围为0.01≤x≤0.3。所述的其它改性助剂为水杨酸对叔丁基苯醋、2,6二叔丁基对甲酚、聚乙烯蜡和芥酸酰胺中的一种或几种。 [0012] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)能够充分利用太阳光谱中植物无法吸收利用的光能量，同时将其转换成有利于植物进行光合作用的蓝光和红光；(2)采用了蓝光膜和红光膜分离而不是将两种转光剂简单混合的方式，有利于避免两种转光剂因为混合在一起而造成转光效率下降的缺点，提高了光转换效率；(3)采用蓝光膜和红光膜复合的结构，可以独立调控两种膜的厚度和转光剂含量等因素，进而控制太阳光透过薄膜的光质组成，为不同的植物提供最佳的光照条件。(4)该制备方法可以使得稀土无机转光剂均匀地分散在有机薄膜载体中，避免转光剂在有机薄膜中出现团聚和分布不均匀的现象。附图说明 [0013] 图1为本发明实施例1提供的蓝光转光剂激发光谱和发射光谱； [0014] 图2为本发明实施例1提供的红光转光剂激发光谱和发射光谱； [0015] 图3为本发明实施例1提供的转光膜的发射光谱。 具体实施方式[0017] 实施例1 [0018] 一种多功能农用转光膜，至少包括两层，第一层为蓝光膜，第二层为红光膜；所述蓝光膜和红光膜均包括薄膜基体和转光剂，薄膜基体的重量百分比含量为97.0～99.9％，转光剂的重量百分比含量为0.1～3％。蓝光膜的厚度为0.05～0.15mm，红光膜的厚度为0.05～0.15mm，转光膜总厚度为0.1～0.3mm。 [0019] 蓝光膜的转光剂的化学组成为：Ca3B5O10Cl:Eu2+。 [0020] 蓝光转光剂Ca3B5O10Cl:Eu2+的制备方法包括以下步骤：(1)按照1:3的摩尔比称取2+ Eu(NO3)3和尿素原料，并将其同时溶解到一定量的去离子水中，所配置的溶液中Eu 离子浓度为0.5～1mol/L；(2)按化学计量比称取所需的CaCO3、CaCl2、H3BO3和过量的NH4Cl粉末，再从步骤(1)中量取一定量的Eu(NO3)3和尿素溶液，将所有原料在玛瑙研钵中研磨混合均匀至胶体状；(3)将上述胶体转移至刚玉坩埚中，并将坩埚迅速放入已经预热至600～800℃的马弗炉中。随着反应的进行，溶液迅速燃烧，并伴随大量氨气和一氧化碳放出，约1个小时之后燃烧至完全，冷却至室温后将获得的样品研磨粉碎即得所需的蓝光转光剂。 [0021] 红光膜的转光剂的化学组成为：Mg7Ge2-xO10F2:xMn4+，其中x的取值范围为0.01≤x≤0.3。 [0022] 红光转光剂Mg7Ge2O10F2:Mn4+的制备方法包括以下步骤：(1)以高纯的MgCO3、MgF2、GeO2和MnO2为原料，按照化学式Mg7Ge2-xO10F2:xMn4+的化学计量比称取各原料，其中x为0.05；(2)将步骤(1)获得的原料在玛瑙研钵中充分研磨后混合均匀；(3)将步骤(2)获得的混合物放入刚玉坩埚中，然后将刚玉坩埚和混合物一起放入高温箱式炉进行灼烧，灼烧温度为 1200～1400℃，灼烧时间为4～6小时，烧结气氛为空气，灼烧完成后样品随炉降温至室温，最后取出获得烧结体；(4)将步骤(3)获得的烧结体进行球磨粉碎，即得所述转光剂。 [0023] 一种多功能农用转光膜的制备方法，包括以下步骤：(1)蓝光转光母粒制备，按重量百分比称取蓝光转光剂10％，薄膜基体树脂80％，水杨酸对叔丁基苯醋5％、2,6二叔丁基对甲酚5％，然后在150℃的塑炼机中混合均匀，最后利用造粒机挤出，风冷造粒制作成蓝光转光母粒；(2)红光转光母粒制备，按重量百分比称取红光转光剂30％，薄膜基体树脂60％，其它改性助剂聚乙烯蜡5％、芥酸酰胺5％，然后在180℃的塑炼机中混合均匀，最后利用造粒机挤出，风冷造粒制作成红光转光母粒；(3)多功能转光膜制备，按重量百分比称取蓝光膜转光母粒1％，薄膜基体材料99％；红光膜转光母粒10％，薄膜基体材料90％，分别在混料机中搅拌混合均匀，然后分别送入两台挤出机中，模头为双层复合中心进料型，双层薄膜物料分别经过两台挤出机的熔融、塑化、挤出和双层共挤模头螺旋体继续塑化，通过口模共同挤出获得双层多功能转光薄膜，蓝光膜的厚度为0.05mm，红光膜的厚度为0.15mm，膜层总厚度为0.2mm。 [0024] 图1中虚线是实施例1提供的蓝光转光剂激发光谱，实线是蓝光转光剂发射光谱，图2中虚线是实施例1提供的红光转光剂激发光谱，实线是红光转光剂发射光谱。 [0025] 不使用膜种植的生菜A、使用市售膜种植的生菜B和使用实施例1制备的多功能农用转光膜种植的生菜C进行生菜生长指标试验。生菜生长指标动态测定说明：随机选取20株样本参数接近的生菜，重复3次，测量生菜株高、株幅、叶长、叶宽。取样后先称量地上和地下部的鲜重，然后在60℃烘箱中烘至恒重后测其干重；叶绿素和类胡萝卜素含量测定采用分光光度法；粗蛋白含量测定采用考马斯亮蓝G-250染色法；Vc含量测定采用分光光度法；可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法；硝酸盐含量测定采用紫外分光光度法。试验是单因素实验设计方案，意味除了膜的不同或者有无膜，别的条件基本一致，所以这些指标如果有显著差异，都是由膜的不同所造成的，天数是播种后40天，试验数据下表1。 [0026] 表1： [0027] [0028] [0029] 不使用膜种植的黄瓜A、使用市售膜种植的黄瓜B和使用实施例1制备的多功能农用转光膜种植的黄瓜C进行黄瓜生长指标试验。生菜生长指标动态测定说明：随机选取20株样本参数接近的生菜，重复3次。育苗后12天，试验数据下表2。 [0030] 表2： [0031] 黄瓜A 黄瓜B 黄瓜C 光合速率[μmol/(m2*s)] 2.53±0.11 3.18±0.13 3.85±0.1 蒸腾速率[mol/(m2*s)] 2.73±0.14 3.2±0.14 3.89±0.25 叶面积(cm2) 37.47±0.29 41.1±0.81 44.92±1.54 根长(cm) 19.33±2.14 18.76±2.88 19.58±2.22 株高(cm) 11.27±0.54 7.81±0.09 6.98±0.15 [0032] 可见，在小苗期，黄瓜C的苗光合作用比较强，蒸腾作用同样也比较强。由于黄瓜A光照得不到利用，小苗有一定徒长。 [0033] 上述不使用膜种植的黄瓜A、使用市售膜种植的黄瓜B和使用实施例1制备的多功能农用转光膜种植的黄瓜C进行黄瓜生长指标试验，育苗后65天，试验数据下表3。 [0034] 表3： [0035] 黄瓜A 黄瓜B 黄瓜C 总产量(kg/pot) 0.77±0.0208 0.82±0.0208 0.92±0.0067 单果重(g) 90.23±1.1 93.5±1.18 98.57±1.13 直径(mm) 27.07±0.88 27.97±0.24 29.87±0.64 瓜长(cm) 16.3±0.52 17.47±0.35 17.97±0.52 含水率(％) 95.82±0.14 96.11±0.52 95.96±0.20 维生素(mg/kg) 134.33±7.01 137.23±3.17 129.87±6.37 硝酸盐(mg/kg) 227.59±9.24 186.32±5.29 180.54±2.9 可溶性糖(mg/g) 8.64±0.06 9.26±0.09 9.87±0.07 有机酸(mg/g) 7.6±0.32 8.1±0.17 7.87±0.18 [0036] 实施例2 [0037] 一种多功能农用转光膜，至少包括两层，第一层为蓝光膜，第二层为红光膜；所述蓝光膜和红光膜均包括薄膜基体和转光剂，薄膜基体的重量百分比含量为97.0～99.9％，转光剂的重量百分比含量为0.1～3％。蓝光膜的厚度为0.05～0.15mm，红光膜的厚度为0.05～0.15mm，转光膜总厚度为0.1～0.3mm。蓝光膜的转光剂的化学组成为：Ca3B5O10Cl:Eu2+。红光膜的转光剂的化学组成为：Mg7Ge2O10F2:Mn4+。 [0038] 转光母粒制备：按重量百分比称取蓝光转光剂30％，薄膜基体树脂60％，其它改性助剂水杨酸对叔丁基苯醋3％、聚乙烯蜡7％，然后在200℃的塑炼机中混合均匀；按重量百分比称取红光转光剂10％，薄膜基体树脂70％，其它改性助剂水杨酸对叔丁基苯醋5％、2,6二叔丁基对甲酚5％、聚乙烯蜡5％、芥酸酰胺5％，然后在150℃的塑炼机中混合均匀，最后分别利用两台造粒机挤出，风冷造粒制作成蓝光和红光转光母粒； [0039] 多功能转光膜制备：按重量百分比称取蓝光膜转光母粒10％，薄膜基体材料90％；红光膜转光母粒1％，薄膜基体材料99％，分别在混料机中搅拌混合均匀，然后分别送入两台挤出机中，模头为双层复合中心进料型，双层薄膜物料分别经过两台挤出机的熔融、塑化、挤出和双层共挤模头螺旋体继续塑化，通过口模共同挤出获得双层多功能转光薄膜，蓝光膜的厚度为0.15，红光膜的厚度为0.05，膜层总厚度为0.2mm。 [0040] 实施例3 [0041] 一种多功能农用转光膜，至少包括两层，第一层为蓝光膜，第二层为红光膜；所述蓝光膜和红光膜均包括薄膜基体和转光剂，薄膜基体的重量百分比含量为97.0～99.9％，转光剂的重量百分比含量为0.1～3％。蓝光膜的厚度为0.05～0.15mm，红光膜的厚度为0.05～0.15mm，转光膜总厚度为0.1～0.3mm。蓝光膜的转光剂的化学组成为：Ca3B5O10Cl:Eu2+。红光膜的转光剂的化学组成为：Mg7Ge2-xO10F2:xMn4+，其中x为0.1。 [0042] 转光母粒制备：按重量百分比称取蓝光转光剂15％，薄膜基体树脂80％，其它改性助剂水杨酸对叔丁基苯醋5％，然后在160℃的塑炼机中混合均匀；按重量百分比称取红光转光剂20％，薄膜基体树脂75％，其它改性助剂2,6二叔丁基对甲酚5％，然后在180℃的塑炼机中混合均匀，最后分别利用两台造粒机挤出，风冷造粒制作成蓝光和红光转光母粒； [0043] 多功能转光膜制备：按重量百分比称取蓝光膜转光母粒5％，薄膜基体材料95％；红光膜转光母粒5％，薄膜基体材料95％，分别在混料机中搅拌混合均匀，然后分别送入两台挤出机中，模头为双层复合中心进料型，双层薄膜物料分别经过两台挤出机的熔融、塑化、挤出和双层共挤模头螺旋体继续塑化，通过口模共同挤出获得双层多功能转光薄膜，蓝光膜的厚度为0.05m，红光膜的厚度为0.05mm，膜层总厚度为0.1mm。 [0044] 实施例4 [0045] 一种多功能农用转光膜，至少包括两层，第一层为蓝光膜，第二层为红光膜；所述蓝光膜和红光膜均包括薄膜基体和转光剂，薄膜基体的重量百分比含量为97.0～99.9％，转光剂的重量百分比含量为0.1～3％。蓝光膜的厚度为0.05～0.15mm，红光膜的厚度为0.05～0.15mm，转光膜总厚度为0.1～0.3mm。蓝光膜的转光剂的化学组成为：Ca3B5O10Cl:Eu2+。红光膜的转光剂的化学组成为：Mg7Ge2-xO10F2:xMn4+，其中x为0.01。 [0046] 转光母粒制备：按重量百分比称取蓝光转光剂15％，薄膜基体树脂80％，其它改性助剂聚乙烯蜡5％，然后在170℃的塑炼机中混合均匀；按重量百分比称取红光转光剂17％，薄膜基体树脂73％，其它改性助剂2,6二叔丁基对甲酚4％、聚乙烯蜡6％，然后在160℃的塑炼机中混合均匀，最后分别利用两台造粒机挤出，风冷造粒制作成蓝光和红光转光母粒； [0047] 多功能转光膜制备：按重量百分比称取蓝光膜转光母粒8％，薄膜基体材料92％；红光膜转光母粒2％，薄膜基体材料98％，分别在混料机中搅拌混合均匀，然后分别送入两台挤出机中，模头为双层复合中心进料型，双层薄膜物料分别经过两台挤出机的熔融、塑化、挤出和双层共挤模头螺旋体继续塑化，通过口模共同挤出获得双层多功能转光薄膜，蓝光膜的厚度为0.1mm，红光膜的厚度为0.1mm，膜层总厚度为0.2mm。 [0048] 实施例5 [0049] 一种多功能农用转光膜，至少包括两层，第一层为蓝光膜，第二层为红光膜；所述蓝光膜和红光膜均包括薄膜基体和转光剂，薄膜基体的重量百分比含量为97.0～99.9％，转光剂的重量百分比含量为0.1～3％。蓝光膜的厚度为0.05～0.15mm，红光膜的厚度为0.05～0.15mm，转光膜总厚度为0.1～0.3mm。蓝光膜的转光剂的化学组成为：Ca3B5O10Cl:Eu2+ 4+ 。红光膜的转光剂的化学组成为：Mg7Ge2-xO10F2:xMn ，其中x为0.3。 [0050] 转光母粒制备：按重量百分比称取蓝光转光剂25％，薄膜基体树脂70％，其它改性助剂芥酸酰胺5％，然后在190℃的塑炼机中混合均匀；按重量百分比称取红光转光剂12％，薄膜基体树脂80％，其它改性助剂水杨酸对叔丁基苯醋8％，然后在150℃的塑炼机中混合均匀，最后分别利用两台造粒机挤出，风冷造粒制作成蓝光和红光转光母粒； [0051] 多功能转光膜制备：按重量百分比称取蓝光膜转光母粒6％，薄膜基体材料94％；红光膜转光母粒4％，薄膜基体材料96％，分别在混料机中搅拌混合均匀，然后分别送入两台挤出机中，模头为双层复合中心进料型，双层薄膜物料分别经过两台挤出机的熔融、塑化、挤出和双层共挤模头螺旋体继续塑化，通过口模共同挤出获得双层多功能转光薄膜，蓝光膜的厚度为0.15mm，红光膜的厚度为0.1mm，膜层总厚度为0.25mm。 [0052] 实施例6 [0053] 一种多功能农用转光膜，至少包括两层，第一层为蓝光膜，第二层为红光膜；所述蓝光膜和红光膜均包括薄膜基体和转光剂，薄膜基体的重量百分比含量为97.0～99.9％，转光剂的重量百分比含量为0.1～3％。蓝光膜的厚度为0.05～0.15mm，红光膜的厚度为2 0.05～0.15mm，转光膜总厚度为0.1～0.3mm。蓝光膜的转光剂的化学组成为：Ca3B5O10Cl:Eu+。红光膜的转光剂的化学组成为：Mg7Ge2-xO10F2:xMn4+，其中x为0.2。 [0054] 转光母粒制备：按重量百分比称取蓝光转光剂30％，薄膜基体树脂66％，其它改性助剂水杨酸对叔丁基苯醋1％、2,6二叔丁基对甲酚1％、聚乙烯蜡1％和芥酸酰胺1％，然后在190℃的塑炼机中混合均匀；按重量百分比称取红光转光剂20％，薄膜基体树脂75％，其它改性助剂水杨酸对叔丁基苯醋2％、2,6二叔丁基对甲酚3％，然后在160℃的塑炼机中混合均匀，最后分别利用两台造粒机挤出，风冷造粒制作成蓝光和红光转光母粒； [0055] 多功能转光膜制备：按重量百分比称取蓝光膜转光母粒10％，薄膜基体材料90％；红光膜转光母粒8％，薄膜基体材料92％，分别在混料机中搅拌混合均匀，然后分别送入两台挤出机中，模头为双层复合中心进料型，双层薄膜物料分别经过两台挤出机的熔融、塑化、挤出和双层共挤模头螺旋体继续塑化，通过口模共同挤出获得双层多功能转光薄膜，蓝光膜的厚度为0.15mm，红光膜的厚度为0.15mm，膜层总厚度为0.30mm。 |
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