使用熱塑性塑料用于農(nóng)業(yè)應用的太陽能匯集的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及使用熱塑性塑料用于農(nóng)業(yè)應用的太陽能匯集。公開了一種包含有機熒光染料和聚合基體的波長轉(zhuǎn)換材料及其使用方法，其中所述有機熒光染料溶解于所述聚合基體，并且其中所述聚合基體能夠吸收具有500至700nm波長的光，并以大于550至800nm的波長發(fā)射所吸收的光。
【專利說明】使用熱塑性塑料用于農(nóng)業(yè)應用的太陽能匯集

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明通常涉及能夠?qū)⒐廪D(zhuǎn)換為更可接受形式的材料例如溫室膜或板用于農(nóng)業(yè) 和植物生長目的的用途。特別地，所述材料包含溶解在聚合基體內(nèi)的有機熒光染料或這類 染料的組合（例如花和/或花酮（perinone)化合物），其中所述聚合基體能夠吸收具有500 至700nm波長的光，并以大于550至800nm的波長發(fā)射所吸收的光。

【背景技術(shù)】
[0002] 植物依賴于在光合作用有效輻射（PAR)區(qū)域內(nèi)的作為用于光合作用的能量來源 的光。PAR區(qū)域一般是指具有400至700納米波長的光或輻射。其中，具有大約400至500 納米波長的光（或藍光）和具有600至700納米波長的光（或紅光）在光合作用過程中更 有效地被植物利用。還已知紅光有利于植物發(fā)芽和生根。相比之下，具有大約500至600 納米波長的光（或綠光/黃光）不能有效地被植物利用。另外，具有大約700至800納米 波長的光（或遠紅光）有利于葉柄延伸，但抑制植物發(fā)芽和生根。
[0003] 有一些通過操縱植物接收的紅光與遠紅光的量（"紅光與遠紅光的比例"或 "R:FR"）來積極影響植物生長的嘗試。增加R:FR可以增加植物生長和品質(zhì)，而降低R:FR 比例可以降低植物生長和品質(zhì)。這些嘗試一般涉及使用設計為操縱穿過材料的自然太陽光 的溫室材料。更普遍的策略之一為利用顏料選擇性地吸收兩個紅色區(qū)域之一中的光--顏 料可以吸收特定的光并反射其它光，但是在將光從一個波長轉(zhuǎn)換為另一個波長方面是無效 的。例如，吸收多于紅光的遠紅光導致紅/遠紅比例增加。
[0004] 其它策略嘗試增加400至500nm或600至700nm的更重要的光范圍的透射，同時 反射500至600nm的最不重要的范圍（參見美國專利4, 529, 269)。這種策略的目的為簡單 地以生長重要的光為重點而忽略其余"不重要的光"。
[0005] 與目前的溫室材料有關(guān)的問題是至少三重的。首先，所使用的幾種化合物和顏料 從光穩(wěn)定性或熱穩(wěn)定性的觀點來看是不夠穩(wěn)定的?？紤]到溫室材料一般要經(jīng)受長期室外使 用，這是有問題的。其次，顏料是不溶顆粒，并具有聚結(jié)到一起的趨勢，這可能造成不均勻地 分布到給定材料中，從而負面影響材料的功效（例如，材料的一些部分可能沒有顏料或沒 有足夠的量以實現(xiàn)預期的結(jié)果）。另外，其不溶性限制給定材料中可以使用的量。第三，目 前的策略未有效地改變R:FR比例。幾種不同類型的成分一般用于獲得可接受的比例，或者 策略顯示為受自然太陽光中存在的紅光/遠紅光的量限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，特定的有機熒光染料可以用于將綠光/黃光轉(zhuǎn)換為在植物生長應用 (例如溫室材料，如膜或板）中更適用的紅光。該發(fā)現(xiàn)為該領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題提 供幾種解決方案。舉例來說，其實際上將不需要的綠光/黃光轉(zhuǎn)換為更適用的紅光，而不是 廢棄或忽略所述綠光/黃光。這具有直接提高R:FR比例而不需要其它成分的益處。這創(chuàng) 造了所需紅光的新來源。另外，熒光染料具有光穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，并可以用于植物生長應 用。此外，與顏料不同，染料可以溶解到聚合基體中，這增加了給定基體內(nèi)存在的染料的量， 并使染料在整個基體中均勻地分散。該增加的溶解度確保得到的聚合基體或材料在材料的 整個表面上提供一致的光轉(zhuǎn)換性能。
[0007] 在本發(fā)明的一個方面，公開了一種包含有機熒光染料和聚合基體的波長轉(zhuǎn)換材 料，其中所述有機熒光染料溶解于所述聚合基體中，并且其中所述聚合基體能夠吸收具有 500至700nm波長的光，并以大于550至800nm的波長發(fā)射所吸收的光。在一些方面，聚合 基體能夠吸收具有500至600nm波長的光，并以大于600至700nm或600至800nm的波長 發(fā)射所吸收的光。波長轉(zhuǎn)換材料可以是透明的、半透明的或不透明的。在具體的方面，其為 透明的或半透明的。聚合基體可以形成為膜或板。膜或板可以是單層的或多層的膜。膜或 板可以黏附到另一表面（例如窗戶）。膜或板可以具有10至300iim或0. 5至3mm的厚度。 聚合基體可以嵌入到另一材料（例如窗戶、擋風玻璃等）中。聚合基體或波長轉(zhuǎn)換材料可 以包含在結(jié)構(gòu)例如用于生長植物的結(jié)構(gòu)（例如溫室、玻璃容器、暖房、植物標本室、植物園、 苗圃或生物反應器）中。有機熒光染料、聚合基體和/或波長轉(zhuǎn)換材料可以具有60至120 納米的斯托克斯位移。聚合基體或波長轉(zhuǎn)換材料在200至350°C的溫度下是熱穩(wěn)定的。在 具體的實施方案中，有機熒光染料可以是含茈的化合物，其非限制性實例在本說明書全文 中提供，并通過引用并入本部分。含茈的化合物可以是茈二酰亞胺。茈二酰亞胺可以具有 以下結(jié)構(gòu)：
[0008]

【權(quán)利要求】
1. 一種波長轉(zhuǎn)換材料，其包含： (a) 有機熒光染料；和 (b) 聚合基體， 其中所述有機熒光染料溶解于所述聚合基體中，和 其中所述聚合基體能夠吸收具有500至700nm波長的光，并以大于550至800nm的波 長發(fā)射所吸收的光。
2. 權(quán)利要求1所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述材料為透明的或半透明的。
3. 權(quán)利要求1至2中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述材料為膜或板。
4. 權(quán)利要求3所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述膜為單層或多層膜。
5. 權(quán)利要求3至4中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述膜具有10至300 y m的厚 度。
6. 權(quán)利要求3至4中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述膜具有0. 5至3mm的厚度。
7. 權(quán)利要求1至6中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述材料包含在溫室、玻璃容 器、暖房、植物標本室、植物園、苗圃或生物反應器中。
8. 權(quán)利要求1至7中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述有機熒光染料或所述波長 轉(zhuǎn)換材料具有60至120nm的斯托克斯位移。
9. 權(quán)利要求1至8中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述有機熒光染料在200至 350°C的溫度下是熱穩(wěn)定的。
10. 權(quán)利要求1至9中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述有機熒光染料能夠吸收具 有500至600nm波長的光，并以大于600至800nm的波長發(fā)射所吸收的光。
11. 權(quán)利要求1至10中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述有機熒光染料為含茈的 化合物。
12. 權(quán)利要求11所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述含茈的化合物為茈二酰亞胺。
13. 權(quán)利要求12所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述茈二酰亞胺具有以下結(jié)構(gòu)：
其中 札和R2分別獨立地選自帶支鏈的C6-C18烷基和經(jīng)烷基二取代的苯基；和 G妯立地詵白
其中 r3獨立地選自氫、c8-c12烷基和鹵素； m表示取代基的數(shù)量，并且是0至5的整數(shù)； R4獨立地選自氫、CrC12烷基、C6-C 2(l芳基和C6-C2(l環(huán)烷基； n表示取代基的數(shù)量，并且為0至5的整數(shù)；和 A選自化學鍵、C「C12烷基、C6-C2(l芳基和C6-C 2(l環(huán)烷基。
14.權(quán)利要求11所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述含茈的化合物具有以下結(jié)構(gòu)： 具甲
R和R'分別獨立地選自C8-C18烷基、經(jīng)取代的C8-C18烷基、C 8-C18烷氧基、經(jīng)取代的C8-C18燒氧基和齒素； m表示每個苯氧基環(huán)上R取代基的數(shù)量，其中各m獨立地為0至5的整數(shù)；和 k表示每個苯并咪唑基團上R'取代基的數(shù)量，其中各k獨立地為0至4的整數(shù)。
15. 權(quán)利要求1至10中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述有機熒光染料為含茈酮 的化合物。
16. 權(quán)利要求1至10中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述有機熒光染料為香豆素 染料、羰花青染料、酞菁染料、》惡嗪染料、喹諾酮染料、嚇啉染料、吖啶染料、蒽醌染料、芳甲 烷染料、醌亞胺染料、噻唑染料、雙-苯并w惡唑基噻吩（BBOT)染料或咕噸染料，或其染料的 任意組合。
17. 權(quán)利要求1至16中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述聚合基體包含聚碳酸酯、 聚烯烴、聚（甲基）丙烯酸甲酯、聚酯、彈性體、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛、聚苯乙烯或聚乙 酸乙烯酯，或其任意組合。
18. 權(quán)利要求17所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述聚合基體包含聚碳酸酯或聚烯烴或其 組合。
19. 權(quán)利要求18所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述聚合基體包含聚烯烴，并且其中所述 聚烯烴為聚乙烯聚合物或聚丙烯聚合物。
20. 權(quán)利要求19所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述聚乙烯聚合物為低密度聚乙烯聚合 物、線性低密度聚乙烯聚合物或高密度聚乙烯聚合物。
21. 權(quán)利要求1至20中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述聚合基體還包含添加劑。
22. 權(quán)利要求21所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述添加劑為紫外吸收化合物、光學增亮 齊IJ、紫外穩(wěn)定劑、熱穩(wěn)定劑、擴散劑、脫模劑、抗氧化劑、防霧劑、澄清劑、成核劑、亞磷酸酯或 亞膦酸酯或兩者、光穩(wěn)定劑、單線態(tài)氧猝滅劑、加工助劑、抗靜電劑、填料或增強材料，或其 任意組合。
23. 權(quán)利要求22所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述光學增亮劑為2, 2' - (2, 5-噻吩二基） 雙（5-叔丁基苯并〃惡唑）。
24. 權(quán)利要求21所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述添加劑為具有以下結(jié)構(gòu)的含吡咯并吡 咯二酮的化合物：
其中，&和R2分別獨立地為H、CH3、CH2H5、2-乙基己基、胺或鹵素。
25. 權(quán)利要求1至24中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述聚合基體包含第二、第 三、第四或第五有機熒光染料。
26. 權(quán)利要求25所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述有機熒光染料與第二有機熒光染料的 比例為1:50至1:1至50:1。
27. 權(quán)利要求1至26中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述聚合基體包含顏料，或者 其中所述聚合基體包含分散在所述聚合基體內(nèi)的顏料。
28. 權(quán)利要求1至27中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述聚合基體不包含顏料或 基于茈的顏料。
29. 權(quán)利要求1至28中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述聚合基體能夠吸收具有 280至400nm波長的紫外線。
30. 權(quán)利要求29所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述聚合基體還包含能夠吸收具有280至 400nm波長的紫外線的紫外線吸收化合物。
31. 權(quán)利要求30所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述紫外線吸收化合物能夠發(fā)射在400至 800nm范圍內(nèi)的所述吸收的光。
32. 權(quán)利要求30至31中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述紫外線吸收化合物能 夠吸收具有315至400nm波長的紫外線A，其中所述化合物是阿伏苯宗（Parsoll789)、苯基 二苯并咪唑四磺酸酯二鈉 （Neo Heliopan AP)、苯甲酸二乙氨基輕苯甲?；乎ィ║vinul A Plus)、依茨舒（Mexoryl SX)或鄰氨基苯甲酸甲酯，或其任意組合。
33. 權(quán)利要求30至31中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述紫外線吸收化合物能 夠吸收具有280至315nm波長的紫外線B，其中所述化合物是4-氨基苯甲酸（PABA)、西 諾沙酯、乙基己基三嗪酮（Uvinul T150)、胡莫柳酯、4-甲基苯亞甲基樟腦（Parsol5000)、 甲氧基肉桂酸辛酯（奧西諾酯）、水楊酸辛酯（奧替柳酯）、戊烷基二甲對胺基苯甲酸 (Escalol507)、苯基苯并咪唑磺酸（恩索利唑）、聚硅酮（15) (Parsol SLX)、三乙醇胺水楊 酸酯。
34. 權(quán)利要求30至31中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述紫外線吸收化合物能夠 吸收具有280至400nm波長的紫外線A和B，其中所述化合物是雙乙基己氧基苯酚甲氧基苯 三嗪（Tinosorb S)、二苯甲酮1至12、二輕苯宗、甲酚曲唑三娃氧燒（Mexoryl XL)、二乙基 己基丁酰胺基三嗪酮（Uvasorb HEB)、奧克立林、氧苯酮（Eusolex4360)或舒利苯酮。
35. 權(quán)利要求1至34中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述聚合基體能夠以700至 800nm波長發(fā)射比以600至700nm波長多的所吸收的光，從而增加所發(fā)射光的紅與遠紅的比 例。
36. 權(quán)利要求1至35中任一項所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述聚合基體還包含擴散劑。
37. 權(quán)利要求36所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述擴散劑為Tospearl?系列擴散劑，例 如 Tospearli) 120、Tospearl? 130、Tospeari? 240、Tospearl? 3120 或 Tospearl? 2000。
38. 權(quán)利要求36所述的波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述擴散劑為包含銻、鈦、鋇或鋅或其氧化 物及其混合物的無機材料。
39. -種增加植物接收的紅光中紅與遠紅比例（R:FR)的方法，其包括： (a) 利用權(quán)利要求1至38的波長轉(zhuǎn)換材料中的任何一種將具有500至700nm波長的光 轉(zhuǎn)換為具有大于550至800nm波長的光；和 (b) 使所述植物受經(jīng)轉(zhuǎn)換的光影響， 其中，當與不存在所述經(jīng)轉(zhuǎn)換的光時植物接收的紅光的R:FR比例相比時，存在所述經(jīng) 轉(zhuǎn)換的光時植物接收的紅光的R:FR比例增加至少5%、10%、15%、20%、30%、40%或50 % 或更多。
40. 權(quán)利要求39所述的方法，其中大部分所述經(jīng)轉(zhuǎn)換的光具有600至700nm的波長。
41. 權(quán)利要求39至40中任一項所述的方法，其中光源來自太陽。
42. 權(quán)利要求39至41中任一項所述的方法，其中所述波長轉(zhuǎn)換材料為膜或板。
43. 權(quán)利要求42所述的方法，其中所述膜或板包含在溫室、玻璃容器、暖房、植物標本 室、植物園、苗圃或生物反應器中。
44. 一種生長植物的方法，其包括： (a) 利用權(quán)利要求1至38的波長轉(zhuǎn)換材料中的任何一種將具有500至700nm波長的光 轉(zhuǎn)換為具有大于550至800nm波長的光；和 (b) 使所述植物受經(jīng)轉(zhuǎn)換的光影響。
45. 權(quán)利要求44所述的方法，其中光源來自太陽。
46. 權(quán)利要求44至45中任一項所述的方法，其中所述波長轉(zhuǎn)換材料為膜或板。
47. 權(quán)利要求46所述的方法，其中所述膜或板包含在溫室、玻璃容器、暖房、植物標本 室、植物園、苗圃或生物反應器中。
48. 權(quán)利要求44至47中任一項所述的方法，其中當與未受所述經(jīng)轉(zhuǎn)換的光影響的植物 的生長速率相比時,所述植物的生長速率增加。
49. 一種轉(zhuǎn)換光的方法，其包括利用權(quán)利要求1至38的波長轉(zhuǎn)換材料中的任何一種處 理具有500至700nm波長的光，其中所述光轉(zhuǎn)換為具有大于550至800nm的波長。
50. 權(quán)利要求49所述的方法，其中所述經(jīng)轉(zhuǎn)換的光具有至少0. 5:1至10:1、或至少1:1 至10:1、或至少大于1:1的R:FR比例。
51. 權(quán)利要求49所述的方法，其中大部分所述經(jīng)轉(zhuǎn)換的光具有600至700nm的波長。
52. 權(quán)利要求49至51中任一項所述的方法，其中光源來自太陽。
53. 權(quán)利要求49至52中任一項所述的方法，其中使植物受所述經(jīng)轉(zhuǎn)換的光影響。
54. 權(quán)利要求49至53中任一項所述的方法，其中所述波長轉(zhuǎn)換材料為膜或板，和其中 所述膜或板包含在結(jié)構(gòu)體中。
55. 權(quán)利要求54所述的方法，其中所述結(jié)構(gòu)為溫室、玻璃容器、暖房、植物標本室、植物 園、苗圃或生物反應器。
56. 權(quán)利要求49至55中任一項所述的方法，其中植物包含在所述結(jié)構(gòu)體中。
【文檔編號】C08K5/526GK104277441SQ201410242758
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年6月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月9日
【發(fā)明者】蘇雷什·韋拉泰, 普拉地·吉瓦伊·納德卡爾尼, M·米拉卡尼·賽義德, 維諾德·庫馬爾·瓦蘇德萬, ?？ㄌm·內(nèi)杜巴馬納 申請人:沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司