技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種光轉(zhuǎn)換塑料薄膜及其制備方法，以及它在促進(jìn)植物生長(zhǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用。

背景技術(shù)：
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太陽(yáng)光是植物生長(zhǎng)的基本條件，當(dāng)太陽(yáng)光照射到植物葉片表面時(shí)，會(huì)被植物體內(nèi)的葉綠素等色素吸收，利用光合作用將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并儲(chǔ)積在有機(jī)物中。植物的光合作用主要由葉綠素完成，但葉綠素對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收能力不同。由于葉綠素對(duì)400～500nm的藍(lán)紫光和600～700nm的紅橙光具有較強(qiáng)的吸收能力，因此，藍(lán)紫光和紅橙光有利于促進(jìn)植物的光合作用，而200～400nm的紫外光則促進(jìn)植物枝干老化和病菌繁殖；而且，當(dāng)光照強(qiáng)度較大時(shí)，植物具有較高的光合作用速率(參見(jiàn)非專(zhuān)利文獻(xiàn)1)。正是由于夏季晝長(zhǎng)夜短、光照充足，才使得植物在夏天比冬天生長(zhǎng)更快。因此，利用光能轉(zhuǎn)換技術(shù)有效增強(qiáng)光照中的藍(lán)光和紅光、減弱紫外光對(duì)科技農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

“轉(zhuǎn)光膜”就是在生產(chǎn)普通大棚薄膜的原材料中通過(guò)添加“光轉(zhuǎn)換劑(或轉(zhuǎn)光劑)”從而實(shí)現(xiàn)光波轉(zhuǎn)換的大棚薄膜。當(dāng)太陽(yáng)光透過(guò)“轉(zhuǎn)光膜”時(shí)，其中的紫外線(xiàn)和黃綠光等被“光轉(zhuǎn)換劑”吸收、并轉(zhuǎn)換為對(duì)植物生長(zhǎng)有利的藍(lán)光和紅光，使棚內(nèi)的藍(lán)色和紅色光譜成分增強(qiáng)，提高太陽(yáng)光能的利用率，從而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收的效果(參見(jiàn)非專(zhuān)利文獻(xiàn)2-3)。

目前的光轉(zhuǎn)換劑主要包括有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類(lèi)(參見(jiàn)非專(zhuān)利文獻(xiàn)2-5)，其中有機(jī)光轉(zhuǎn)換劑主要是具有較好發(fā)光性能的染料類(lèi)化合物和由有機(jī)配體與稀土元素絡(luò)合形成的有機(jī)金屬配合物，有機(jī)光轉(zhuǎn)換劑與棚膜原材料樹(shù)脂，一般具有較好的相容性，但其穩(wěn)定性通常較差，在長(zhǎng)時(shí)間光照下容易氧化分解，產(chǎn)生較明顯的光衰減現(xiàn)象，而且轉(zhuǎn)光強(qiáng)度相對(duì)較低，因此應(yīng)用范圍受到限制。無(wú)機(jī)光轉(zhuǎn)換劑多為稀土離子或重金屬離子摻雜的無(wú)機(jī)化合物，主要利用摻雜的稀土或金屬離子與無(wú)機(jī)化合物晶格的相互作用而發(fā)光；無(wú)機(jī)光轉(zhuǎn)換劑通常具有較高的轉(zhuǎn)光強(qiáng)度，例如發(fā)射655nm紅光的cas：eu²⁺光轉(zhuǎn)換劑在國(guó)內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用(參見(jiàn)非專(zhuān)利文獻(xiàn)5)，但無(wú)機(jī)光轉(zhuǎn)換劑通常存在重金屬離子或硫化物環(huán)境污染等問(wèn)題。因此，研究、開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異光轉(zhuǎn)換功能和環(huán)境友好的新型光轉(zhuǎn)換劑受到人們的廣泛重視。

碳量子點(diǎn)，又稱(chēng)碳點(diǎn)或碳納米點(diǎn)，是由內(nèi)部碳核和包含豐富官能團(tuán)的無(wú)定型基質(zhì)構(gòu)成的、尺寸小于10納米的新型碳納米材料，由美國(guó)科學(xué)家于2004年首次合成(參見(jiàn)非專(zhuān)利文獻(xiàn)6)。碳量子點(diǎn)的最重要特性之一是在光照下自身會(huì)發(fā)出明亮的熒光，光學(xué)穩(wěn)定性高，是一種新型的熒光納米材料，而且具有發(fā)光可調(diào)、易于官能化、無(wú)毒、生物相容性好、耐光漂白、合成原料多樣化和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。然而，目前還沒(méi)有新型碳量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)換塑料薄膜及其制備和應(yīng)用的報(bào)道(參見(jiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)1-2)。這也是本發(fā)明擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)：

[非專(zhuān)利文獻(xiàn)1]北京農(nóng)業(yè)大學(xué)主編.植物生理學(xué).1980，中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社.

[非專(zhuān)利文獻(xiàn)2]康軍等.中國(guó)塑料，2000，14(13)：42-48.

[非專(zhuān)利文獻(xiàn)3]張頌培等.中國(guó)塑料，2003，17(11)：22-23.

[非專(zhuān)利文獻(xiàn)4]王鵬等.山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30(4)：71-79.

[非專(zhuān)利文獻(xiàn)5]張希艷等.稀有金屬材料與工程，2007，36(11)：1996-1999.

[非專(zhuān)利文獻(xiàn)6]xuxatal.jam.chem.soc.2004，126(40)：12736-12737.

[專(zhuān)利文獻(xiàn)1]cn102516979.a

[專(zhuān)利文獻(xiàn)2]cn1338500.a

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種光轉(zhuǎn)換塑料薄膜及其制備方法和應(yīng)用。

一方面，本發(fā)明提供了一種光轉(zhuǎn)換塑料薄膜，所述光轉(zhuǎn)換塑料薄膜包括塑料薄膜基體材料、以及均勻彌散分布于所述塑料薄膜基體材料中、和(或)附著于塑料薄膜基體材料表面的光轉(zhuǎn)換劑，所述光轉(zhuǎn)換劑為碳量子點(diǎn)。

本發(fā)明針對(duì)植物生長(zhǎng)應(yīng)用技術(shù)，通過(guò)將具有特殊光轉(zhuǎn)換功能的碳量子點(diǎn)熒光材料均勻彌散在普通塑料薄膜中、和(或)附著于塑料薄膜基體材料表面形成改性薄膜，從而設(shè)計(jì)、制備出一種促進(jìn)植物生長(zhǎng)的新型光轉(zhuǎn)換塑料薄膜。

較佳地，所述光轉(zhuǎn)換塑料薄膜中碳量子點(diǎn)的質(zhì)量含量為0.001～0.1％，所述碳量子點(diǎn)的粒徑為1～10nm。

較佳地，所述光轉(zhuǎn)換塑料薄膜中的碳量子點(diǎn)在320～420nm波長(zhǎng)光的激發(fā)下發(fā)出峰值波長(zhǎng)在400～500nm范圍的可見(jiàn)光，在350～550nm波長(zhǎng)光的激發(fā)下發(fā)出峰值波長(zhǎng)在600～650nm范圍的可見(jiàn)光。

較佳地，所述光轉(zhuǎn)換塑料薄膜中的塑料薄膜基體材料為聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等普通塑料薄膜制造用熱塑性樹(shù)脂材料。

第二方面，本發(fā)明還提供了一種如上述光轉(zhuǎn)換塑料薄膜的制備方法，將所述碳量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)換劑與所述熱塑性樹(shù)脂原料充分混合均勻后，再采用普通塑料薄膜的制備工藝進(jìn)行加工。

第三方面，本發(fā)明還提供了一種如上述光轉(zhuǎn)換塑料薄膜的制備方法，采用普通塑料薄膜制備工藝制備出塑料薄膜后，再在塑料薄膜表面涂覆一層含有所述碳量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)換劑的表面改性層。

第四方面，本發(fā)明還提供了一種如上述光轉(zhuǎn)換塑料薄膜的應(yīng)用，所述光轉(zhuǎn)換塑料薄膜在太陽(yáng)光照射下，可吸收太陽(yáng)光中不利于植物生長(zhǎng)的部分自然光，并轉(zhuǎn)換為有利于植物生長(zhǎng)的400～500nm和(或)600～650nm波長(zhǎng)的可見(jiàn)光。

第五方面，本發(fā)明還提供了一種如上述光轉(zhuǎn)換塑料薄膜的應(yīng)用，所述光轉(zhuǎn)換塑料薄膜在紫外燈、紫外led、藍(lán)光led、或其他發(fā)光燈具的照射下，可產(chǎn)生有利于植物生長(zhǎng)的400～500nm和(或)600～650nm波長(zhǎng)的可見(jiàn)光。

附圖說(shuō)明：

圖1為實(shí)施例1所合成碳量子點(diǎn)材料的透射電鏡顆粒形貌

圖2為實(shí)施例1所合成碳量子點(diǎn)材料在不同波長(zhǎng)激發(fā)下的發(fā)射光譜(圖2插圖為實(shí)施例1所合成碳量子點(diǎn)材料在365nm紫外燈照射下的外觀顏色)

圖3為實(shí)施例1所制備碳量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)換塑料薄膜用作農(nóng)用塑料大棚的效果示意圖

圖4為實(shí)施例2所合成碳量子點(diǎn)材料在不同波長(zhǎng)激發(fā)下的發(fā)射光譜(圖4插圖為實(shí)施例2所合成碳量子點(diǎn)材料在365nm紫外燈照射下的外觀顏色)

圖5為實(shí)施例2制備碳量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)換塑料薄膜的制備工藝示意圖

具體實(shí)施方式：

以下通過(guò)下述實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，應(yīng)理解，下述實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。

本發(fā)明制備的光轉(zhuǎn)換塑料薄膜，與以往的光轉(zhuǎn)換塑料薄膜相比，采用具有良好生物相容性、無(wú)污染的新型納米熒光材料------碳量子點(diǎn)作為光轉(zhuǎn)換劑，通過(guò)采用碳量子點(diǎn)對(duì)普通塑料薄膜進(jìn)行改性處理，增強(qiáng)光照中有利于植物光合作用的藍(lán)光和紅光成分，有效促進(jìn)植物生長(zhǎng)。在該光轉(zhuǎn)換塑料薄膜中，具有特殊光轉(zhuǎn)換功能的碳量子點(diǎn)熒光材料均勻彌散在普通塑料薄膜中、和(或)附著于塑料薄膜基體材料表面形成改性功能層。所述光轉(zhuǎn)換塑料薄膜中碳量子點(diǎn)的質(zhì)量含量為0.001～0.1％，所述碳量子點(diǎn)的粒徑為1～10nm。

本發(fā)明中，所述光轉(zhuǎn)換塑料薄膜中的碳量子點(diǎn)在320～420nm波長(zhǎng)光的激發(fā)下發(fā)出峰值波長(zhǎng)在400～500nm范圍的可見(jiàn)光，在350～550nm波長(zhǎng)光的激發(fā)下發(fā)出峰值波長(zhǎng)在600～650nm范圍的可見(jiàn)光。

本發(fā)明中，所述光轉(zhuǎn)換塑料薄膜中的塑料薄膜基體材料為聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等普通塑料薄膜制造用熱塑性樹(shù)脂材料。

本發(fā)明中，所述光轉(zhuǎn)換塑料薄膜的制備方法工藝簡(jiǎn)單，將所述碳量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)換劑與所述熱塑性樹(shù)脂原料充分混合均勻后，再采用普通塑料薄膜的制備工藝進(jìn)行加工；或者，采用普通塑料薄膜制備工藝制備出塑料薄膜后，再在塑料薄膜表面涂覆一層含有所述碳量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)換劑的表面改性層。

進(jìn)而，作為本發(fā)明的終極目標(biāo)，將本發(fā)明中制備的光轉(zhuǎn)換塑料薄膜應(yīng)用于促進(jìn)植物生長(zhǎng)。所述光轉(zhuǎn)換塑料薄膜在太陽(yáng)光照射下，可吸收太陽(yáng)光中不利于植物生長(zhǎng)的部分自然光，并轉(zhuǎn)換為有利于植物生長(zhǎng)的400～500nm和(或)600～650nm波長(zhǎng)的可見(jiàn)光；或者，所述光轉(zhuǎn)換塑料薄膜在紫外燈、紫外led、藍(lán)光led、或其他發(fā)光燈具的照射下，可產(chǎn)生有利于植物生長(zhǎng)的400～500nm和(或)600～650nm波長(zhǎng)的可見(jiàn)光。

下面進(jìn)一步例舉實(shí)施例以詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。同樣應(yīng)理解，以下實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。下述示例具體的工藝參數(shù)(例如具體的溫度、壓力、時(shí)間、投料量等)等也僅是合適范圍中的一個(gè)示例，即本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過(guò)本文的說(shuō)明做合適的范圍內(nèi)選擇，而并非要限定于下文示例的具體數(shù)值。

實(shí)施例1：

碳量子點(diǎn)材料的合成：取2g檸檬酸、0.5ml二乙烯三胺、70ml去離子水置于容量為200ml的玻璃燒杯中，常溫下磁力攪拌30分鐘得到反應(yīng)溶液；然后，將制備的反應(yīng)溶液轉(zhuǎn)移到容量為100ml的具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的不銹鋼反應(yīng)釜中，在200℃水熱保溫反應(yīng)3小時(shí)，冷卻至室溫得到棕色溶液。

碳量子點(diǎn)材料的凈化提純：將上述棕色溶液進(jìn)行離心處理(12000rpm，15分鐘)，除去未完全反應(yīng)的大顆粒；隨后，采用0.22μm的微孔過(guò)濾膜對(duì)離心過(guò)后的上層清液進(jìn)行過(guò)濾，進(jìn)一步除去殘留的大顆粒分子；然后，采用分子截留量為500da的透析膜對(duì)樣品進(jìn)行48小時(shí)的透析，其間每隔4小時(shí)更換一次去離子水，最后得到凈化提純的碳量子點(diǎn)溶液。

碳量子點(diǎn)材料的顆粒形貌表征：采用透射電鏡觀察所合成碳量子點(diǎn)材料的顆粒形貌(圖1)，可以看出：所合成碳量子點(diǎn)材料具有球形形貌，顆粒尺寸約6nm。

碳量子點(diǎn)材料的熒光性能表征：將凈化提純的碳量子點(diǎn)溶液置于比色皿中，采用熒光光譜儀檢測(cè)其在不同波長(zhǎng)(320～420nm)激發(fā)下的發(fā)射光譜(圖2)，可以看出：發(fā)出峰值波長(zhǎng)在400～500nm范圍的可見(jiàn)光。進(jìn)一步采用365nm的紫外燈照射所合成的碳量子點(diǎn)溶液(圖2插圖)，溶液呈現(xiàn)藍(lán)色，這與其在365nm紫外光激發(fā)下產(chǎn)生峰值波長(zhǎng)約450nm的藍(lán)光相一致。

碳量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)換塑料薄膜的制備：取100kg普通塑料薄膜生產(chǎn)常用的市售聚乙烯顆粒為原材料，添加10g碳量子點(diǎn)材料作為光轉(zhuǎn)換劑，添加適量防老化劑等其它常用添加劑，采用普通塑料薄膜生產(chǎn)所使用的設(shè)備和工藝制備出碳量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)換塑料薄膜。

碳量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)換塑料薄膜的應(yīng)用：將所生產(chǎn)的碳量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)換塑料薄膜用作農(nóng)用塑料大棚，可明顯起到增產(chǎn)增收的效果(圖3示意圖)。

實(shí)施例2：

碳量子點(diǎn)材料的合成：取2g檸檬酸、65ml甲酰胺、5ml去離子水置于容量為200ml的玻璃燒杯中，常溫下磁力攪拌30分鐘得到反應(yīng)溶液；然后，將制備的反應(yīng)溶液轉(zhuǎn)移到容量為100ml的具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的不銹鋼反應(yīng)釜中，在180℃水熱保溫反應(yīng)4小時(shí)，冷卻至室溫得到棕褐色溶液。

碳量子點(diǎn)材料的熒光性能表征：將合成的碳量子點(diǎn)溶液置于比色皿中，采用熒光光譜儀檢測(cè)其在不同波長(zhǎng)(350～470nm)激發(fā)下的發(fā)射光譜(圖4)，可以看出：發(fā)出峰值波長(zhǎng)在600～650nm范圍的可見(jiàn)光。進(jìn)一步采用365nm的紫外燈照射所合成的碳量子點(diǎn)溶液(圖4插圖)，溶液呈現(xiàn)紅色，這與其在365nm紫外光激發(fā)下產(chǎn)生峰值波長(zhǎng)約620nm的紅光相一致。

碳量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)換塑料薄膜的制備：采用市售普通塑料薄膜為基材，采用簡(jiǎn)單噴灑方式在普通塑料薄膜基材表面涂覆一薄層碳量子點(diǎn)溶液(圖5示意圖)，自然晾干后得到碳量子點(diǎn)改性處理的光轉(zhuǎn)換塑料薄膜。

碳量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)換塑料薄膜的應(yīng)用：將所生產(chǎn)的碳量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)換塑料薄膜用作農(nóng)用塑料大棚，可明顯起到增產(chǎn)增收的效果。

實(shí)施例3：

采用上述實(shí)施例1和實(shí)施例2的方法分別合成兩種碳量子點(diǎn)材料，采用實(shí)施例1的方法制備碳量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)換塑料薄膜(其中：碳量子點(diǎn)材料的總質(zhì)量含量為0.02％，兩種碳量子點(diǎn)材料各占50％)，將所生產(chǎn)的碳量子點(diǎn)光轉(zhuǎn)換塑料薄膜用作農(nóng)用塑料大棚，在塑料大棚中設(shè)置若干紫外led和藍(lán)光led用于植物夜間輔助照明，可明顯起到增產(chǎn)增收的效果。