一种红色荧光碳点转光膜及其制备方法和应用与流程

文档序号：22235128发布日期：2020-09-15 19:42阅读：642来源：国知局

本发明涉及高分子功能性材料技术领域，具体涉及一种红色荧光碳点转光膜及其制备方法和应用，特别在农业种植领域的应用。

背景技术：

太阳光是植物进行光合作用的能量来源，而植物光合作用所利用的光波长的范围是有限的。太阳光中波长400～480nm的蓝紫光可被叶绿素、类胡萝卜素强烈吸收，促进植物的茎叶生长；波长600～700nm的红橙光被叶绿素吸收，可促进植物的果实生长；波长500～600nm的黄绿光对光合作用几乎无贡献；波长290～315nm的紫外线对大多数植物都有害。

转光膜是一种可以吸收太阳光中部分紫外光和植物利用率较低的黄绿光，并将其转化为植物光合作用利用的蓝紫光和红橙光。理想的转光膜可将对植物生长有害的及无法吸收的光转换为光合作用中叶绿素可以吸收利用的蓝紫光和红橙光。农用转光膜就是以此为切入点，相对普通的无转光材料添加的普通植物大棚用膜相比，农用转光膜一般是能够更加高效利用太阳光的薄膜。另外，大量的数据也表明：转光材料的使用能有效提高光能综合利用率，有利于植物的生长，促进植物的早熟和增产。

早期的转光材料，主要采用是硫化物荧光粉掺入到聚乙烯农膜中，其合成原料包含有硫化物，并且一些红色荧光的转光材料，一些红色转光剂，采用稀土离子作为激活剂，价格昂贵，这些都与现今的绿色环保的概念背道而驰。另外，荧光粉作为转光材料时，其尺寸较大，导致掺入到薄膜后，转光农膜的透光率下降，在转光过程中有很大程度上的遮光影响，对整体的太阳能总量的吸收利用有所削弱。

另外，目前农用薄膜主要是通过聚乙烯等加工而成，而聚乙烯作为一种合成高分子，其原料相当有限，此外，聚乙烯很难降解，一般需要经过80年，甚至是上百年才有部分被分解。因此，聚乙烯薄膜的使用，不仅是对现有能源的重大挑战，更是给环境带来了巨大威胁。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术中转光膜价格昂贵、透光率低导致对太阳光的整体能量吸收利用弱的缺陷，提供一种红色荧光碳点转光膜，该红色荧光碳点转光膜环保、性质稳定、合成过程简单、透光率高，能够较好地将紫外光和黄绿光两部分的光能吸收转换成为植物能够高效利用的红光，提高了光能利用率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种红色荧光碳点转光膜，其包括红色荧光碳点和聚乙烯醇，所述红色荧光碳点和聚乙烯醇按质量比计为(0.005～0.015)：(99.985～99.995)。

进一步的，所述聚乙烯醉为不同醇解度的聚乙烯醇混合。

进一步的，所述红色荧光碳点由盐酸多巴胺、邻苯二胺、酸和水一步水热法合成的。

本发明的红色荧光碳点转光膜以红色荧光碳点为转光材料，聚乙烯醇为载体，复合形成红色荧光碳点转光农膜。红色荧光碳点是由盐酸多巴胺、邻苯二胺、酸和水一步水热法合成的，在紫外光和黄绿光区域有很强吸收并且发射红色荧光的粒径小于10nm的纳米转光材料；聚乙烯醇是一种价格低廉、无毒、无腐蚀性、具有良好成膜性、粘结性、生物亲和性且环境友好的高分子材料，是唯一种可被细菌作为碳源和能源利用的乙烯基聚合物，在细菌和酶的作用下，46天可降解75％，属于一种生物可降解高分子材料。本发明是现有农用转光膜高分子材料薄膜和转光材料的重要改变，将新型碳基纳米材料碳点与高分子组合起来，既充分利用了现有的可再生绿色资源，避免了合成高分子所带来的环境问题，又在传统的薄膜基础上增加了光学性能。本发明的红色荧光碳点转光膜在紫外光(250～300nm)和黄绿光(480～600nm)之间存在高效激发，并发射出波长范围为600～700nm红色荧光，可以将紫外光和植物利用率较低的紫外光和黄绿光转换成对植物生长有用的红光，提高光能利用率，作为农业棚膜和地膜，应用于作物种植和育苗等方面，能够达到增产增质的效果。

进一步的，所述盐酸多巴胺和邻苯二胺的物质的量的比为(1～2):1，所述酸与水的体积比为(0.5～1):10。

进一步的，所述酸为硫酸或盐酸或磷酸。

进一步的，所述红色荧光碳点的紫外吸收波长和激发波长均为250～300nm和480～600nm，发射峰波长范围为600～700nm。

本发明还提供了上述红色荧光碳点转光膜的制备方法，其包括以下步骤：

红色荧光碳点合成步骤:盐酸多巴胺、邻苯二胺、酸和水混合均匀，转移到内衬为聚四氟乙烯的反应釜，在温度为195～205℃下反应5～6小时，反应结束后自然冷却后，将所得的反应物离心分离提纯得到暗紫色固体，将暗紫色固体物质干燥得到红色荧光碳点粉末；

聚乙烯醇溶解步骤：将聚乙烯醇加入到去离子水中，90～100℃恒温加热至固体融化，将溶液加热蒸发水分，至整体溶液呈粘稠状，得到聚乙烯醇溶液；

复合步骤：将红色荧光碳点粉末加入聚乙烯醇溶液，持续搅拌，使红色荧光碳点粉末均匀分散在聚乙烯醇溶液中，脱去气泡后，得到均一的复合溶液，所述复合溶液中的红色荧光碳点和聚乙烯醇质量比为(0.005～0.015)：(99.985～99.995)；

固化成膜步骤：将所述复合溶液流延成膜，风干固化成型，得到红色荧光碳点转光膜。

进一步的，红色荧光碳点合成步骤中，还包括将红色荧光碳点粉末溶解于有机溶剂中，形成红色荧光碳点溶液备用。

进一步的，所述的有机溶剂是为易挥发的有机溶剂，包括但不限于甲醇、乙醇的混合物。

本发明还提供了上述红色荧光碳点转光膜的应用，所述红色荧光碳点转光膜用于作物种植或作物育苗中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中的红色荧光碳点是一步水热法合成的，对植物利用率低的紫外光(250～300nm)和黄绿光(480～600nm)有很强的吸收，并且在能够被这两个区域的光激发，发射出波长范围为600～700nm的能够被植物高效利用的红色荧光，从而实现转光作用，达到促进植物生长的效果；

2、本发明的红色荧光碳点颗粒尺寸小(粒径小于10nm)、性质稳定、毒性小、生物相容性好，合成过程简单，对光能的利用率高；

3、本发明选用聚乙烯醇作为载体，其具有价格低廉，能够非常快速被突然中的细菌真菌降解，对环境无害等特点，遵循了当今绿色环保的概念；

4、本发明红色荧光碳点转光膜的合成材料及制备过程都遵循绿色环保的理念，整个工艺过程对环境几乎无污染；另外，添加了红色荧光碳点的转光膜相对于普通无添加的薄膜的拉伸性能得到提高。

附图说明

图1为本发明的红色荧光碳点粉末材料的激发和发射光谱图；

图2为本发明的红色荧光碳点粉末材料的紫外-可见吸收光谱；

图3为本发明的红色荧光碳点粉末材料的透射电子显微镜图；

图4为本发明的红色荧光碳点转光膜的荧光发射光谱图；

图5为本发明的红色荧光碳点转光膜的扫描电镜图；

图6为本发明的红色荧光碳点转光膜相对于无掺杂空白膜对太阳光的转光效果图；

图7为图6的转光效果图的部分细节图；

图8为本发明的红色荧光碳点转光膜和无掺杂的空白膜的拉伸曲线图；

图9为本发明的红色荧光碳点转光膜的透过率图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。

一种红色荧光碳点转光膜，其按质量比计包括红色荧光碳点和聚乙烯醇(0.005～0.015)：(99.985～99.995)。所述色荧光碳点转光膜是由盐酸多巴胺、邻苯二胺、酸和水一步水热法合成的。其中，所述盐酸多巴胺和邻苯二胺的物质的量的比为1:1，所述酸与水的体积比为(0.5～1):10。所述酸为硫酸或盐酸或磷酸。所述红色荧光碳点的紫外吸收波长和激发波长范围均为250～300和480～600nm，发射峰波长范围为600～700nm。所述聚乙烯醇优选用不同醇解度的聚乙烯醇混合。

上述红色荧光碳点转光膜，的制备方法包括以下步骤：

聚乙烯醇溶解步骤：将聚乙烯醇加入到去离子水中，90～100℃恒温加热至固体融化，将溶液加热蒸发水分，至整体溶液呈粘稠状，得到聚乙烯醇溶液；

复合步骤：将红色荧光碳点粉末加入聚乙烯醇溶液，持续搅拌，使红色荧光碳点粉末均匀分散在聚乙烯醇溶液中，脱去气泡后，得到均一的复合溶液，所述复合溶液中的红色荧光碳点和聚乙烯醇的质量比为(0.005～0.015)：(99.985～99.995)；

固化成膜步骤：将所述复合溶液流延成膜，风干固化成型，得到红色荧光碳点转光膜。

在红色荧光碳点合成步骤中，还可以将红色荧光碳点粉末溶解于有机溶剂中，形成红色荧光碳点溶液备用。所述的有机溶剂是选用易挥发的有机溶剂，例如甲醇、乙醇等。

实施例1

将0.002mol盐酸多巴胺、0.002mol邻苯二胺、2ml98wt％浓硫酸和20ml水混合搅拌均匀，将混合液转移到50ml内衬为聚四氟乙烯的反应釜，置于烘箱温度为200℃下反应6小时.反应结束后自然冷却到室温，将所得的反应物12000r/min离心得到固体，再用去离子水离心清洗所得固体2～3次，最清洗干净的固体移至60℃真空干燥烘箱烘干固体的水分，最终得到暗紫色粉末。该粉末即为红色荧光碳点粉末。将红色荧光碳点粉末溶解于有机溶剂中(甲醇、乙醇等能够溶解碳点并且挥发性强的有机溶剂)，成为日光灯下呈现紫红色的具有红色荧光的碳点溶液。

接着，将聚乙烯醇加入到去离子水中，100℃恒温加热(水浴或者油浴)至聚乙烯醇融化，将溶液加热蒸发部分水分，至整体溶液较为粘稠状，得到聚乙烯醇溶液。然后将红色荧光碳点溶液加入聚乙烯醇溶液中，持续搅拌，使碳点均匀分散在聚乙烯醇溶液中，脱去气泡后，得到均一的复合溶液。复合溶液中的固体红色荧光碳点和聚乙烯醇的质量百分浓度分别为0.01％和99.99％。最后将复合溶液流延成膜，风干固化成型，即得新型的红色荧光碳点转光膜。

实施例2

将0.002mol盐酸多巴胺、0.001mol邻苯二胺、2ml98wt％浓硫酸和20ml水混合搅拌均匀，将混合液转移到50ml内衬为聚四氟乙烯的反应釜，置于烘箱温度为200℃下反应6小时.反应结束后自然冷却到室温，将所得的反应物12000r/min离心得到固体，再用去离子水离心清洗所得固体2～3遍，最清洗干净的固体移至60℃真空干燥烘箱烘干固体的水分，最终得到暗紫色粉末，该粉末即为红色荧光碳点粉末。将红色荧光碳点粉末溶解于有机溶剂中(甲醇、乙醇等能够溶解碳点并且挥发性强的有机溶剂)，成为日光灯下呈现紫红色的具有红色荧光的碳点溶液。

接着，将聚乙烯醇加入到去离子水中，100℃恒温加热(水浴或者油浴)至聚乙烯醇融化，将溶液加热蒸发部分水分，至整体溶液较为粘稠状，得到聚乙醇溶液。然后将红色荧光碳点溶液加入聚乙烯醇溶液中，持续搅拌，使碳点均匀分散在聚乙烯醇溶液中，脱去气泡后，得到均一的复合溶液。复合溶液中的固体红色荧光碳点和聚乙烯醇的质量百分浓度分别为0.015％和99.985％。最后将复合溶液流延成膜，风干固化成型，即得新型红色荧光碳点转光膜。

实施例3

将0.002mol盐酸多巴胺、0.002mol邻苯二胺、1ml98wt％浓硫酸和20ml水混合搅拌均匀，将混合液转移到50ml内衬为聚四氟乙烯反应釜，置于烘箱温度为200℃下反应6小时。反应结束后自然冷却到室温，将所得的反应物12000r/min离心得到固体，再用去离子水离心清洗所得固体2～3遍，最清洗干净的固体移至60℃真空干燥烘箱烘干固体的水分，最终得到暗紫色粉末，该粉末即为红色荧光碳点粉末。将红色荧光碳点粉末溶解于有机溶剂中(甲醇、乙醇等能够溶解碳点并且挥发性强的有机溶剂)，成为日光灯下呈现紫红色的具有红色荧光的碳点溶液。

接着，将聚乙烯醇加入到去离子水中，100℃恒温加热(水浴或者油浴)至聚乙烯醇融化，将溶液加热蒸发部分水分，至整体溶液较为粘稠状，得到聚乙烯醇溶液。然后将红色荧光碳点溶液加入聚乙烯醇溶液中，持续搅拌，使碳点均匀分散在聚乙烯醇溶液中，脱去气泡后，得到均一的复合溶液。复合溶液中的固体红色荧光碳点和聚乙烯醇质量百分浓度度分别为0.005％和99.995％。最后将复合溶液流延成膜，风干固化成型，即得新型的红色荧光碳点转光膜。

实施例4

将0.002mol盐酸多巴胺、0.001mol邻苯二胺、1ml98wt％浓硫酸和20ml水混合搅拌均匀，将混合液转移到50ml内衬的聚四氟乙烯的反应釜，置于烘箱温度为200℃下反应6小时。反应结束后自然冷却到室温，将所得的反应物12000r/min离心得到固体，再用去离子水离心清洗所得固体2～3遍，最清洗干净的固体移至60℃真空干燥烘箱烘干固体的水分，最终得到暗紫色粉末，该粉末即为红色荧光碳点粉末。将红色荧光碳点粉末溶解于有机溶剂中(甲醇、乙醇等能够溶解碳点并且挥发性强的有机溶剂)，成为日光灯下呈现紫红色的具有红色荧光的碳点溶液。