石墨烯恒定控制管理植物(花卉及林木)的基质温度的制作方法

一，新型材料学的石墨烯；二，林业领域(中国林种和花卉归林业部门管理)的育根育种。

石墨烯的即热功能，就是用很小电流、很低功率就可以使石墨烯热起来。

石墨烯最大的好处是直接无隔离状态地加热培育基质使热量损失最小化，温度到达种苗的距离短、时间快、效率高，可以全程控制并保持。高便携性，可移动性，能源的需求低，效果稳定。直接控制培育基质温度的材料里，目前石墨烯是最好的选择。

本次申报的石墨烯加热系统控制基质温度，就是发挥了这个石墨烯的即热功能而形成的。目前通过实验已经实现了石墨烯7*24小时恒定植物生长的基质温度，给植物和花卉育种缩短了生长期，并形成稳定化的可控制的技术手段。

给石墨烯的供电方式，有5v、24v、36v、220v、380v等不同的模式，本次实验采取的是5v供电模式。工业化应用中，将采用220v、380v模式。

给石墨烯的温度控制，本次实验采用《智能温度时间控制器》。

本次育种实验，采用的是滴箭浇水模式，水质也采用的是上海地区的自来水，没有添加任何营养液。浇水时间和次数，使用定时开启和关闭的用电设备，启动滴箭式自动浇灌模式。人工在这个过程中，理论上就是起到观察作用，将来对不同植物，将会有不同的滴箭浇水模式，视需要设定滴箭的时间和周期，以及不同的营养液模式。作为参考，荷兰一家花卉生产公司，每天滴箭的次数达到20多次并使用不一样的营养液。

将来的工业化育种育根，将采用洁净室模式，也称为无尘室或清净室。将一定空间范围内之空气中的微粒子、有害空气、细菌等污染物排除，并将室内之温度、洁净度、室内压力、气流速度与气流分布、噪音振动及照明、静电控制在某一需求范围内，而所给予特别设计之房间。亦即是不论外在之空气条件如何变化，其室内均能具有维持原先所设定要求之洁净度、温湿度及压力等性能之特性。上海一家育种的公司就是采用洁净室模式生产，而这家育种公司的产品是供欧洲使用的。洁净室早已经进入多行业中扮演着它的角色，目前在电子信息、半导体、光电子、精密制造、医药卫生、生物工程、航天航空、汽车喷涂等众多行业中得到广泛的应用。

背景技术：

石墨烯，从石墨中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体，厚度仅为普通纸张的十万分之一，薄、结实、导电性极好。石墨烯电阻率极低，电子能高效地移动，这使得石墨烯有非常好的导电性，同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。石墨烯还具有“针插不进、水泼不进”的零渗透特性。

石墨是一种良好的导热材料，导热性超过钢、铁、铅等多种金属材料。石墨片的工作原理是利用其在在水平方向上具有优异的导热系数的特点(性能好的石墨片导热系数能达到1500-1800w/m·k，而一般的纯铜的导热系数为380w/m·k，高的导热系数有利于热量的扩散)，能够迅速降低电子产品工作时发热元件所在位置的温度(热点温度)，使得电子产品温度趋于均匀化，这会扩大散热表面积以达到降低整个电子产品的温度，提高电子产品的工作稳定性及使用寿命。单层石墨烯发热膜，具有透明、轻薄、柔软、可折叠等特性，也是实现大规模石墨烯民用的核心基础。

从石墨烯的能带结构可知，单层石墨烯在电场为零时，导电载流子浓度为零，称“狄拉克点”。在距离狄拉克点较远的地方，石墨烯中只有单一的载流子。负栅压使石墨烯成为电子导电，最终使器件的电阻率发生从几千欧到几百欧姆的变化。在狄拉克点附近，石墨烯中载流子逐渐由电子(或空穴)过渡到空穴(或电子)，霍尔系数在此处改变符号(电子为正，空穴为负)，此时载流子的浓度最小，电阻率最大。根据石墨烯此种特性为基础，开发了温度可控、可调节的石墨烯发热膜。

技术实现要素：

本发明是把材料学中二维碳纳米材料的单层石墨烯，应用在林业领域中的花卉及林木培育活动中，模拟出并控制、管理住最适合该类种苗育种阶段的培育基质温度(非空气温度)，实现7*24小时的恒定状态。简单地形容，就是拟出类似春、夏、秋、冬等不同的培育温度环境，以适合该类植物在科学上所适应和需要的温度环境中育种和生长。这种新型的工业化的、工厂化育根育种方式，可以改变种苗受自然环境的影响，变为订单式、程式化、批量化、时间的可控制性生产，稳定花卉和植物种苗生产。

本次发明的内容，核心就是：石墨烯即热功能----石墨烯用温度控制并管理植物(花卉及林木)基质温度，提供植物生长所需要的基质正确温度。

直白地表述，就是用单层石墨烯发热膜，根据其轻薄、柔软、可折叠的特性，包围在塑料种植筐里，贴壁而置，内置泥炭土，中间是花种或者树种，石墨烯接通电源。

本次实验使用的是5v的usb电源，由220v变压转接过来。为了保证热量不散或者少散，在石墨烯膜和塑料种植筐内壁，放置了一层透水而不破的特殊纸张。其中的一个泥炭土中间位置，也就是花种、树种的同样位置，设置温度探头。温度探头感应数据传至智能温度时间控制器，由人工手动设置好温度的启动和关闭数值，智能温度时间控制器收到温度探头回传的数据后，作出相应启动和关闭调整。温度控制系统由人工根据不同的花种、树种合适的需要来设置。

人工手动设置好温度的启动和关闭数值，即是实现本次石墨烯即热功能的关键。

石墨烯对植物基质的温度控制，是7*24小时的状态，简单表述，基质实现了恒温状态。恒温状态就是对于植物的花种、树种是无昼、无夜的区别，加上绿叶出土之后，采用led光源替代太阳光，就缩短了植物的生长期，形成规则化、规律化状态。本次实验同样使用了led光源，夜里没有或者白日少有目光的状态下，用led光源对植物生长进行补充。

石墨烯的温度状态，可以设置并控制到最小的温差为摄氏1度状态。本次实验，设置有温差摄氏3度，温差摄氏5度的不同状态。

在实验期间，培育系统使用的滴箭浇水，由于是常温自来水，时间是冬季，地理位置是上海，植物培育筐里面的温度急降，这个时候，石墨烯的即热功能发挥良好，使温度迅速回归到设置的温度区间。

在实验期间，石墨烯培育系统没有设置昼、夜模式，温度控制是恒定的，这样使植物的生长不受昼、夜的交替限制。简单地表述，植物一直在生长过程中。另一方面，将来必须要保证植物的营养液供应，才能保证植物的生长饱和度。目前实验仅用了自来水，不是将来的应用模式。目前的植物依靠温度和水分生长的过程，没有依靠营养液，证明了温度在保证和控制植物生长起到了保障性作用。石墨烯保证了温度管理系统达到目标。

对植物的培育基质进行温度控制，使用别的物质的案例已经有了。北欧国家丹麦，由于冬季时间长，温度低，植物一年内生长的时间有限，他们有些企业就是采用了蒸汽加热培育基质而促进植物根系生长的做法。中国云南昆明也有类似做法。简单描述，蒸汽加热，就是大棚内部设置暖气管，从植物根部的下面向上供暖。但是蒸汽加热受布局的限制，不能移动。中国也有企业使用过电热丝加热基质的方式做类似的。而使用热风加热种植环境，中国山东企业也做，温度低的时候，开热风鼓风机加热环境。如上案例，只有丹麦的企业是用蒸汽加热培育基质的，云南和山东都是加热培育环境的，不是加热培育基质。

在这种比较下，实验中得出结论是：石墨烯最大的好处是直接加热培育基质使热量损失最小化，温度到达种苗的距离短、时间快、效率高，可以全程控制并保持。高便携性，可移动性，能源的需求低，效果稳定，直接控制培育基质温度的，目前石墨烯是最好的选择。

本次实验，单个盆栽使用的是5w/片和5w/片*2的石墨烯。在上海地区的冬天环境下，仍然可以增加单片功率，现在实验下来确认，使用这次实验同样规格尺寸的盆，理想功率是15w/片。

配合石墨烯育种育苗的延伸，建立如下同步设施是正确地选择，这个设施不在这次实验范围，将在之后产业化中运用。

建立育种育苗洁净室，也称为无尘室或清净室。其中的温度控制系统，地板和地面100mm高度以下墙裙位置，均铺设石墨烯发热板材。墙体100mm以上位置均采用中空玻璃做墙壁和屋顶。中空的目的是防止热量交换过快，无论是热流动或者冷流动。是指将一定空间范围内之空气中的微粒子、有害空气、细菌等污染物排除，并将室内之温度、洁净度、室内压力、气流速度与气流分布、噪音振动及照明、静电控制在某一需求范围内。即是不论外在之空气条件如何变化，其室内均能具有维持原先所设定要求之洁净度、温湿度及压力等性能之特性。

在育种育苗洁净室外建立高透光的玻璃大棚或者薄膜大棚。这个是育种育苗洁净室的外部设备，其作用是使用风力流动性阻延了大气中环境温度影响到育种育苗洁净室。

育种育苗洁净室是不适宜使用空调系统的，主要是考虑如果有病虫害是不能使之随空气移动的。无石墨烯温度控制系统的育种育苗洁净室，目前已知的在南美洲的厄瓜多尔和中国上海都已经有育种育苗公司建立并使用了。

一方面，室内环境里布上石墨烯系统，目的是使热量从低往高方向移动。育种育苗洁净室的室内环境温度低于设定温度时，石墨烯系统开始工作加热室内空气升温。到达温度要求时石墨烯系统停止工作。另一方面，育种育苗洁净室的屋顶外部，使用滴箭浇水系统覆盖，室内温度高过设定温度时，而室外温度与室内温度温差过大时，滴箭浇水系统开始工作，用滴箭方式让水流在玻璃屋顶外部隔离内外环境以降温。使用水流降温方式和中空不含色玻璃的目的，仍然是为了保证太阳光的投射最大限度地进入育种育苗洁净室。

洁净室最主要之作用在于控制产品育种育苗所接触之大气的洁净度及温湿度，使产品能在一个良好之环境空间中生产、制造。目前洁净室早已经进入多行业中扮演着它的角色，在电子信息、半导体、光电子、精密制造、医药卫生、生物工程、航天航空、汽车喷涂等众多行业中得到广泛的应用。

附图说明

以下为实验用具说明：

图1石墨烯发热膜工作原理示意

图2不同尺寸石墨烯发热膜的红外线成像

图3实验使用的智能温度时间控制器图纸

图4实验使用的智能温度时间控制器示例

图5实验用石墨烯长宽尺寸(单位：mm)270*170

图6实验用石墨烯厚度(单位：mm)0.3

图7实验用筐体尺寸(单位：mm)100*78*90＝上口内径*底部内径*高度

图8实验用保温保水纸(单位：mm)205*198

图9实验用筐体及保水纸(两张保水纸/筐)

图10实验用石墨烯片+保水纸+筐体石墨烯：单片、两片

图11实验用220v转5vusb石墨烯电源

图12实验用水泵及温度测试的其中一部分

图13实验用滴箭头之一

图14实验用滴箭头之二

图15实验用led光源之一

图16实验用led光源之二

图17实验用led光源之三

图18实验用led灯之一功率：48w

图19实验用led灯之二功率：48w

图20实验用环境温度测试器

图21石墨烯育种育苗洁净室示例，将来产业化应用用双层玻璃替代

以下为实验时间和流程的说明：

图2210日/1月/2020年石墨烯准备完毕

图2317日/1月/2020年石墨烯温度控制系统准备完毕，开始接通电源实行温度控制

图2422日/1月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土发芽，种子入土2天时间，原来种子尺寸是1/4米粒大小

图2523日/1月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土发芽，种子入土3天时间

图2623日/1月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土发芽，种子入土3天时间

图2723日/1月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土发芽，种子入土3天时间

图2823日/1月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土发芽，种子入土3天时间

图2925日/1月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图3001日/2月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图3101日/2月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图3201日/2月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图3308日/2月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图3408日/2月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图3509日/2月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图3615日/2月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图3715日/2月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图3815日/2月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图3917日/2月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图4017日/2月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图4117日/2月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图4217日/2月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图4318日/2月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图4418日/2月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图4518日/2月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图4618日/2月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图4718日/2月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图4818日/2月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图4922日/2月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图5022日/2月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图511日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图521日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图531日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图541日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图551日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图569日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图579日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花种子出土

图5811日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花花苞出现

图5911日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花花苞出现

图6012日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花第一天，距离种子种入泥炭土53天时间

图6112日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花第一天，距离种子种入泥炭土53天时间

图6212日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花第一天，距离种子种入泥炭土53天时间

图6314日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土55天时间

图6414日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土55天时间

图6514日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土55天时间

图6615日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土56天时间

图6715日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土56天时间

图6815日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土56天时间

图6915日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土56天时间

图7015日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土56天时间

图7116日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土57天时间

图7216日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土57天时间

图7316日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土57天时间

图7416日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土57天时间

图7516日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土57天时间

图7616日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土57天时间

图7716日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土57天时间

图7817日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土58天时间

图7917日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土58天时间

图8017日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土58天时间

图8119日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土60天时间

图8219日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土60天时间

图8319日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土60天时间

图8420日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土61天时间

图8520日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花根系状态，距离种子种入泥炭土61天时间

图8625日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土66天时间

图8725日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土66天时间

图8825日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土66天时间

图8925日/3月/2020年石墨烯温度控制下的草花开花成功，距离种子种入泥炭土66天时间

图90从20日/1月/2020年至9日/2月/2020年石墨烯温度控制的环境温度(非石墨烯温度)测试，这个时间，石墨烯控制的泥炭土温度一直稳定在20-22℃

图9114日/2月/2020年石墨烯温度控制下的球根类花苞

图9215日/2月/2020年石墨烯温度控制下的球根类花苞

图9317日/2月/2020年石墨烯温度控制下的球根类花苞

图9417日/2月/2020年石墨烯温度控制下的球根类花苞

图9518日/2月/2020年石墨烯温度控制下的球根类花苞

图9619日/2月/2020年石墨烯温度控制下的球根类花苞

图9721日/2月/2020年石墨烯温度控制下的球根类花苞

图9822日/2月/2020年石墨烯温度控制下的球根类花苞

图992日/3月/2020年石墨烯温度控制下的球根类花苞

图1002日/3月/2020年石墨烯温度控制下的球根类花苞

图101通过实验得到结论的一部分内容是：现在仅仅依靠石墨烯温度控制就是53天开花，如果使用有营养的泥炭土，并正常施肥，用营养液浇灌，可以缩短更多的开花时间。初步计算可以在30天内使该草花开花成功。

具体实施方式

第一步，建立石墨烯发热装置并保证石墨烯在温度控制系统中不间断地实现7*24小时的工作

具体实施方式：

1)220v的电流系统从智能温度时间控制器进入到220v转5v的usb转接头，从usb转接头进入到石墨烯发热装置。

2)片状石墨烯用保温保水纸包住，卷置于实验用筐内部贴壁放置。本次使用的石墨烯发热装置呈片状，尺寸前面已经表述。

3)在石墨烯发热装置的电源线与石墨烯连接部位，严格密封足以保证液体不能进入内部的石墨烯片，保证其工作正常。

4)第一阶段实验，控制温度设定范围为20℃-22℃。具体表述是，实验筐内的泥炭土温度低于20℃时，电源接通，石墨烯片有电发热；实验筐内的泥炭土温度高于22℃时，石墨烯被断电不工作，不发热。第二阶段实验，控制温度设定范围为22℃-25℃，结果同上。

以龙船花为例，龙船花属热带植物，它的生长适温为15-25℃，3-9月为24-30℃，9月至翌年3月为13-18℃。冬季温度不能低于0℃，以上温度都是环境温度，不是土壤温度。以上海为例，查阅植物的环境温度在以上状态时间的土壤温度，即可设置相应的温度控制设定范围进行栽培。

第二步，建立自动滴箭浇水装置

1)建立盆栽滴头稳流器滴箭浇水分流系统，使用的是8l稳流器。

2)滴箭浇水系统由电动隔膜泵即增压泵控制给水。

3)电动隔膜泵由定时器给、断电。定时器设定为1分钟/天。理论上可以设定20组/天，可以连续到168小时。

4)这次供水系统使用的是上海市城市自来水，没有使用沉淀装置，也没有加入任何药物，目的是接近以后的城市使用观察。

第三步，倒入泥炭土进入实验框内，保证石墨烯发热膜和泥炭土全面接触。

泥炭土来自东欧，是第二次使用的，第一次使用已经把营养耗尽，这次已经没有营养元素在里面。这次没有使用全新未使用过的泥炭土，目的是看基本没有营养元素的环境中，温度控制对植物生长的影响。实验证明温度控制对植物生长及其有用。

第四步，实验时，有意不选择添加肥料进入实验筐，目的也是观察仅仅是温度的变化对植物生长的影响。

第五步，选择红色光谱led做创造光源让植物完成光合过程(在晚上和没有阳光的白天)，这是现代园艺或者植物工厂内都结合了补光技术或者完全的人工光技术。

红光区十分接近植物光合作用的效率曲线，是植物生长的补充光源。实验使用了3盏led红色光谱的灯。这个技术很成熟，已经在中国西北和欧洲都大面积使用。

第六步，选择的栽培基质的物理特性为：

泥炭类型----高位泥炭

分解程度----(依照vonpost方法)----h-h5

含水率(重量)----＜80％

总体密度(g/l)----100-200

孔隙度----88-95％

含水量----60-80％

含气量----10-30％

选择的栽培基质的化学特性为：

ph值----4-6.3

ec值(1∶1.5提取方法)----0.2-1.5ms/cm

有机质----＞90％

以上物理特性是该泥炭土在第一次使用情况下体现的。本次实施结果证明，营养耗尽的二次使用的泥炭土作为培育基质，在没有多少如上的营养元素的情况下，依靠控制合适的温度，依然有效地控制了植物的生长。

第七步，选择草花类品种做生长实验，也选择球根类品种做实验，但是球根类品种易生长，生长周期也更短。

实验用草花类品种有英国牵牛花“西班牙国旗”、“暗夜”、“威尼斯狂欢节”、“柠檬黄”，英国大花重瓣“油画”，日本财富根海棠，英国月见草柠檬日落，日本小丑瓜富贵菊，天竺葵兰花蓝等品种。实验用球根类有荷兰的新品种shirley&doubleshirley，redprincess&carnavaldenice，chionodoxapinkgiant，papageientulpe。

温度控制的过程中，第一步控制为20-22℃，后来改为22-25℃。而实际上，这些发育快的草花品种，实验筐内的温度达到了28℃。说明这些植物的生长温度是可以控制得更高的，即高于28℃。这点是温度控制实施之初没有考虑到的。另外一方面，草花由于温度控制比较高，出苞的比例就比较高，最早开花的一盆，高达到17朵花苞。但是开花的周期相对比较短，主要原因是培育环境的营养跟不上。实际应用时，准确的温度控制，配以良好的基质环境，合适的肥料供应，水肥一体化，就可以实现工业化的流水种植植物的模式，订单式种植和生产。

球根类花卉品种在这种温度控制的环境下生长更快。2020年2月17日，第一颗球根开花，因为该球根1月20日之前已经做了初步短期的石墨烯控制温度，种球体积相对草花类大很多，长根发芽的情况不同，在本次实验中不做过多判断，这次实验结论是一周时间即发芽出苗。