一種轉(zhuǎn)光功能農(nóng)膜及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無機(jī)功能材料及高分子轉(zhuǎn)光農(nóng)膜技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種轉(zhuǎn)光功能農(nóng) 膜及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)全球化不斷推進(jìn)，越來越多的農(nóng)用耕地轉(zhuǎn)為商業(yè)、工業(yè)用途，且自然環(huán) 境在工業(yè)化進(jìn)程下也遭受到不同程度的污染和破壞，這使得提高現(xiàn)有耕地畝產(chǎn)量越來越重 要。進(jìn)入新世紀(jì)以來，中國(guó)農(nóng)業(yè)取得了舉世矚目的成就，糧食生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了 "十連增"，這一切 離不開化肥的貢獻(xiàn)。但是，中國(guó)農(nóng)業(yè)這種生產(chǎn)方式卻是高投入、低產(chǎn)出，利用率低。農(nóng)藥、化 肥等農(nóng)資產(chǎn)品的不合理使用也導(dǎo)致了土壤退化、生態(tài)環(huán)境破壞和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降等等，因 此必須轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)增長(zhǎng)方式，加大農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新力度，迎接"減量增效、節(jié)本增收"的大考。未 來農(nóng)業(yè)的發(fā)展既要提高產(chǎn)量，提升品質(zhì)，又要利用資源，保護(hù)環(huán)境，走可持續(xù)發(fā)展之路。研究 發(fā)現(xiàn)，光、電、磁、氣對(duì)植物的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，同時(shí)對(duì)某些病蟲害有抑制作用。所以，科學(xué)家 已經(jīng)把光、電、磁、氣視為肥料，分別稱為光肥、電肥、磁肥、氣肥，統(tǒng)稱"物理肥料"，這是繼 "化學(xué)肥料"之后的一類新型環(huán)保性肥料。同時(shí)具有抑制病蟲害的功效，這是一種物理防蟲 作用，可認(rèn)為是一種"物理農(nóng)藥"。轉(zhuǎn)光功能農(nóng)膜是在農(nóng)用薄膜中引入轉(zhuǎn)光助劑，以改善透過 溫室棚膜的光質(zhì)，使其有益于植物進(jìn)行光合作用的一種功能塑料膜，這種同時(shí)具有肥效和 藥效的功能薄膜對(duì)推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)具有重要意義。
[0003] 在利用發(fā)光材料制備轉(zhuǎn)光劑及轉(zhuǎn)光功能農(nóng)膜方面，國(guó)內(nèi)外的研究也比較活躍。對(duì) 于紅光轉(zhuǎn)光劑，主要是以Eu3+離子摻雜基質(zhì)為主，例如Y 203: Eu3+、Y202S: Eu3+，因銪離子在紫 外光的照射下能發(fā)出很強(qiáng)的特征紅光，所制成的轉(zhuǎn)光劑在農(nóng)膜上己有較成功的應(yīng)用。因?yàn)?銪的特征發(fā)光波長(zhǎng)在~615nm，與植物葉綠素的最大吸收峰位(620~700nm)不是非常吻合， 并且Eu 3+作為稀土離子其原始成本相對(duì)較高，因而在農(nóng)膜中的應(yīng)用仍存在一定的局限性。過 渡金屬離子Mn4+在整個(gè)紫外區(qū)域都存在吸收，由于 2E-4A2的躍迀，使Mn4+可以發(fā)射深紅色的 光(620~680nm)很好地匹配植物吸收光譜范圍，而且Mn 4+價(jià)格比較便宜，資源也比稀土金屬 要豐富。中國(guó)發(fā)明專利CN102321472B公開了一種錳離子摻雜熒光粉Sr2MgAl22〇36: Mn4+，其主 要應(yīng)用于LED，該紅色熒光粉在250到550nm范圍內(nèi)都有吸收，發(fā)射寬帶位于植物吸收的紅光 區(qū)，在轉(zhuǎn)光功能農(nóng)膜中有著巨大的應(yīng)用潛能。本發(fā)明的轉(zhuǎn)光功能農(nóng)膜與植物光合作用的吸 收光譜匹配性良好。使用該轉(zhuǎn)光功能農(nóng)膜進(jìn)行大棚種植，對(duì)植物增產(chǎn)起到了非常大的作用， 效果明顯，在農(nóng)作物種植上具有大范圍推廣應(yīng)用的潛力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種轉(zhuǎn)光功能 農(nóng)膜。該轉(zhuǎn)光農(nóng)膜可將太陽光中的紫光(200~380nm)或占太陽光譜能量較大比例的黃綠光 (500~580nm)等轉(zhuǎn)換為能促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)的紅橙光(580~800nm)〇
[0005] 本發(fā)明另一目的在于提供上述轉(zhuǎn)光功能農(nóng)膜的制備方法。
[0006] 本發(fā)明再一目的在于提供上述轉(zhuǎn)光功能農(nóng)膜在農(nóng)作物種植中的應(yīng)用。
[0007] 本發(fā)明的目的通過下述方案實(shí)現(xiàn)：
[0008] -種轉(zhuǎn)光功能農(nóng)膜，包含以下質(zhì)量分?jǐn)?shù)的組分:轉(zhuǎn)光劑母粒1~90% ;薄膜基體余 量。
[0009] 優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)光劑母粒占轉(zhuǎn)光功能農(nóng)膜質(zhì)量分?jǐn)?shù)10~80% ;
[0010] 更優(yōu)選的，所述轉(zhuǎn)光劑母粒占轉(zhuǎn)光功能農(nóng)膜質(zhì)量分?jǐn)?shù)20~40%。
[0011] 其中，所述的轉(zhuǎn)光劑母粒包含以下質(zhì)量分?jǐn)?shù)的組分:紅光轉(zhuǎn)光劑5~50%;助劑1~ 10%;母粒基體余量。
[0012] 優(yōu)選地，所述紅光轉(zhuǎn)光劑占轉(zhuǎn)光劑母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)10~40% ;
[0013] 更優(yōu)選的，所述紅光轉(zhuǎn)光劑占轉(zhuǎn)光劑母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)25~35%。
[0014] 所述的紅光轉(zhuǎn)光劑的結(jié)構(gòu)通式為M2ZA122-x〇36:xMn 4+，其中M為Ca、Sr和Ba中的至少 一種;Z為Mg、Zn和Q1中的至少一種，0 < x < 0.05。
[0015] 優(yōu)選的，所述的x = 0.012。
[0016]優(yōu)選的，所述紅光轉(zhuǎn)光劑的發(fā)射波長(zhǎng)范圍為600~700nm，吸收波長(zhǎng)范圍為200~ 380nm和500~580nm。
[0017] 優(yōu)選的，當(dāng)M為Ca或Sr，Z為Mg時(shí)，可獲得吸收光譜在200~450nm，發(fā)射光譜在620~ 720nm的紅色轉(zhuǎn)光劑。
[0018] 所述的紅光轉(zhuǎn)光劑可由以下方法制備得到：以0&、31'、1^、]\%、211、0(1、]/[11的氧化物或 相應(yīng)的碳酸鹽、硝酸鹽，氧化鋁為反應(yīng)原料，按照紅光轉(zhuǎn)光劑的結(jié)構(gòu)通SM2ZA122-x0 36 : xMn4+ 的化學(xué)計(jì)量比稱取相應(yīng)原料，再加入助熔劑，研磨30min，于850 °C空氣氣氛下煅燒3小時(shí)自 然冷卻后，置于球磨機(jī)中濕法研磨lh，最后將樣品轉(zhuǎn)移到馬弗爐中在氧氣氣氛或空氣氣氛 下1000~1600°C下反應(yīng)3~6h，得紅光轉(zhuǎn)光劑。
[0019] 所述的助恪劑可為氯化銨(NH4C1)、硼酸(H3B03)、碳酸鋰(Li2C0 3)、碳酸鈉(Na2C03) 和碳酸鉀(K2C03)中的至少一種。
[0020] 所用的助熔劑可為紅光轉(zhuǎn)光劑各金屬元素的氧化物或相應(yīng)鹽的質(zhì)量之和的0.05 ~30%〇
[0021] 優(yōu)選的，所用的助熔劑為紅光轉(zhuǎn)光劑各金屬元素氧化物或相應(yīng)鹽的質(zhì)量之和的 0.1 ~20%〇
[0022] 更優(yōu)選的，所用的助熔劑為紅光轉(zhuǎn)光劑各金屬元素氧化物或相應(yīng)鹽的質(zhì)量之和的 1 ~5% 〇
[0023] 為了更好的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，反應(yīng)后得到的產(chǎn)物優(yōu)選進(jìn)行研磨、過篩、酸洗、水洗、干燥 等過程，得純化后的紅光轉(zhuǎn)光劑。
[0024] 優(yōu)選的，所述的酸洗過程中的酸可為醋酸、硝酸、鹽酸和硫酸中的一種；
[0025] 更優(yōu)選的，所述的酸洗過程中的酸為體積分?jǐn)?shù)為3%的醋酸水溶液。
[0026] 所述的助劑可為改性劑、光穩(wěn)定劑和潤(rùn)滑劑中的至少一種。
[0027]優(yōu)選的，所述的助劑為酚醛樹脂、氨基樹脂、醇酸樹脂、環(huán)氧樹脂、聚乙烯蠟、乙烯 基雙硬脂酸酰胺、硬脂酸鋅、硬脂酸季戊四醇酯、聚乙二醇、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑中 的至少一種。
[0028]所述的母?；w和薄膜基體均為有機(jī)高分子材料。
[0029] 優(yōu)選的，所述的母?；w和薄膜基體均為低密度聚乙烯、線性低密度聚乙烯、中密 度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、乙烯_醋酸乙烯基樹脂和聚氯乙烯中的至少一種。其中母 粒基體和薄膜基體為可以相同也可以不同。
[0030] -種上述轉(zhuǎn)光功能農(nóng)膜的制備方法，主要包括以下步驟：
[0031 ] (1)將紅光轉(zhuǎn)光劑、母粒基體以及助劑混合均勻后，擠出造粒，得轉(zhuǎn)光劑母粒；
[0032] (2)將薄膜基體和步驟(1)中得到轉(zhuǎn)光劑母?；旌暇鶆颍庸こ赡?，得轉(zhuǎn)光農(nóng)膜。
[0033] 步驟(1)中所述的擠出造粒是指采用雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒。
[0034]優(yōu)選的，步驟（1)中所述的擠出造粒指在120~200°C的操作溫度下經(jīng)轉(zhuǎn)速為100~ 500r/min的雙螺桿擠出機(jī)擠出，水冷造粒。具體溫度及轉(zhuǎn)速可根據(jù)母粒基體材料及轉(zhuǎn)光劑 含量確定。
[0035] 步驟(2)中所述的加工成膜可采用壓延法、擠出法或吹塑法等進(jìn)行成膜。
[0036] 優(yōu)選的，步驟(2)中所述的加工成膜指采用吹塑法，通過吹塑機(jī)吹塑成膜。
[0037] 所述的轉(zhuǎn)光功能農(nóng)膜在農(nóng)作物種植中的應(yīng)用。
[0038] 本發(fā)明的機(jī)理為：
[0039] 本發(fā)明以固相法制得的鋁酸鹽紅光轉(zhuǎn)光劑樣品顆粒尺寸均一，分散性較好，具有 寬的激發(fā)(250~550nm)和發(fā)射譜帶(620~720nm)，可有效吸收對(duì)植物有害的紫外光，提供 植物生長(zhǎng)所需的紅橙光。同時(shí)，鋁酸鹽紅光轉(zhuǎn)光劑還具有初始發(fā)光亮度高，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn) 定、轉(zhuǎn)光強(qiáng)度衰減慢和光穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。通過對(duì)基質(zhì)堿土金屬陽離子部分取代，合成的鋁 酸鹽紅光轉(zhuǎn)光劑還能獲得更強(qiáng)的發(fā)光亮度性能，提高對(duì)太陽光的吸收和轉(zhuǎn)換效率。
[0040] 本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)及有益效果：
[0041] (1)本發(fā)明所使用的轉(zhuǎn)光劑的合成工藝簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)光劑， 而且發(fā)射光譜與植物光合作用光譜相適配，將其摻入到農(nóng)膜中，可使農(nóng)膜具有良好的轉(zhuǎn)光 效果，對(duì)植物增產(chǎn)增質(zhì)起到更好的作用，功能農(nóng)膜大棚種植有無病害、無蟲害、無化學(xué)農(nóng)藥、 品質(zhì)好、提高產(chǎn)量等優(yōu)點(diǎn)，具有非常高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和大規(guī)模的推廣前景。
[0042] (2)本發(fā)明中的鋁酸鹽紅光轉(zhuǎn)光劑不僅具有優(yōu)異的發(fā)光特性，而且無毒，可將其直 接用