一种光转换塑料薄膜及其制备方法和应用与流程

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一种光转换塑料薄膜及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种光转换塑料薄膜及其制备方法,以及它在促进植物生长领域的应用。



背景技术:

太阳光是植物生长的基本条件,当太阳光照射到植物叶片表面时,会被植物体内的叶绿素等色素吸收,利用光合作用将光能转化为化学能并储积在有机物中。植物的光合作用主要由叶绿素完成,但叶绿素对不同波长光的吸收能力不同。由于叶绿素对400~500nm的蓝紫光和600~700nm的红橙光具有较强的吸收能力,因此,蓝紫光和红橙光有利于促进植物的光合作用,而200~400nm的紫外光则促进植物枝干老化和病菌繁殖;而且,当光照强度较大时,植物具有较高的光合作用速率(参见非专利文献1)。正是由于夏季昼长夜短、光照充足,才使得植物在夏天比冬天生长更快。因此,利用光能转换技术有效增强光照中的蓝光和红光、减弱紫外光对科技农业发展具有重要意义。

“转光膜”就是在生产普通大棚薄膜的原材料中通过添加“光转换剂(或转光剂)”从而实现光波转换的大棚薄膜。当太阳光透过“转光膜”时,其中的紫外线和黄绿光等被“光转换剂”吸收、并转换为对植物生长有利的蓝光和红光,使棚内的蓝色和红色光谱成分增强,提高太阳光能的利用率,从而实现增产增收的效果(参见非专利文献2-3)。

目前的光转换剂主要包括有机和无机两大类(参见非专利文献2-5),其中有机光转换剂主要是具有较好发光性能的染料类化合物和由有机配体与稀土元素络合形成的有机金属配合物,有机光转换剂与棚膜原材料树脂,一般具有较好的相容性,但其稳定性通常较差,在长时间光照下容易氧化分解,产生较明显的光衰减现象,而且转光强度相对较低,因此应用范围受到限制。无机光转换剂多为稀土离子或重金属离子掺杂的无机化合物,主要利用掺杂的稀土或金属离子与无机化合物晶格的相互作用而发光;无机光转换剂通常具有较高的转光强度,例如发射655nm红光的CaS:Eu2+光转换剂在国内外已得到广泛应用(参见非专利文献5),但无机光转换剂通常存在重金属离子或硫化物环境污染等问题。因此,研究、开发具有优异光转换功能和环境友好的新型光转换剂受到人们的广泛重视。

碳量子点,又称碳点或碳纳米点,是由内部碳核和包含丰富官能团的无定型基质构成的、尺寸小于10纳米的新型碳纳米材料,由美国科学家于2004年首次合成(参见非专利文献6)。碳量子点的最重要特性之一是在光照下自身会发出明亮的荧光,光学稳定性高,是一种新型的荧光纳米材料,而且具有发光可调、易于官能化、无毒、生物相容性好、耐光漂白、合成原料多样化和成本低廉等优点。然而,目前还没有新型碳量子点光转换塑料薄膜及其制备和应用的报道(参见专利文献1-2)。这也是本发明拟解决的关键问题。

现有技术文献:

[非专利文献1]北京农业大学主编.植物生理学.1980,中国农业出版社.

[非专利文献2]康军等.中国塑料,2000,14(13):42-48.

[非专利文献3]张颂培等.中国塑料,2003,17(11):22-23.

[非专利文献4]王鹏等.山东科技大学学报,2011,30(4):71-79.

[非专利文献5]张希艳等.稀有金属材料与工程,2007,36(11):1996-1999.

[非专利文献6]Xu X at al.J Am.Chem.Soc.2004,126(40):12736-12737.

[专利文献1]CN 102516979.A

[专利文献2]CN 1338500.A



技术实现要素:

针对上述问题,本发明的目的在于提供一种光转换塑料薄膜及其制备方法和应用。

一方面,本发明提供了一种光转换塑料薄膜,所述光转换塑料薄膜包括塑料薄膜基体材料、以及均匀弥散分布于所述塑料薄膜基体材料中、和(或)附着于塑料薄膜基体材料表面的光转换剂,所述光转换剂为碳量子点。

本发明针对植物生长应用技术,通过将具有特殊光转换功能的碳量子点荧光材料均匀弥散在普通塑料薄膜中、和(或)附着于塑料薄膜基体材料表面形成改性薄膜,从而设计、制备出一种促进植物生长的新型光转换塑料薄膜。

较佳地,所述光转换塑料薄膜中碳量子点的质量含量为0.001~0.1%,所述碳量子点的粒径为1~10nm。

较佳地,所述光转换塑料薄膜中的碳量子点在320~420nm波长光的激发下发出峰值波长在400~500nm范围的可见光,在350~550nm波长光的激发下发出峰值波长在600~650nm范围的可见光。

较佳地,所述光转换塑料薄膜中的塑料薄膜基体材料为聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等普通塑料薄膜制造用热塑性树脂材料。

第二方面,本发明还提供了一种如上述光转换塑料薄膜的制备方法,将所述碳量子点光转换剂与所述热塑性树脂原料充分混合均匀后,再采用普通塑料薄膜的制备工艺进行加工。

第三方面,本发明还提供了一种如上述光转换塑料薄膜的制备方法,采用普通塑料薄膜制备工艺制备出塑料薄膜后,再在塑料薄膜表面涂覆一层含有所述碳量子点光转换剂的表面改性层。

第四方面,本发明还提供了一种如上述光转换塑料薄膜的应用,所述光转换塑料薄膜在太阳光照射下,可吸收太阳光中不利于植物生长的部分自然光,并转换为有利于植物生长的400~500nm和(或)600~650nm波长的可见光。

第五方面,本发明还提供了一种如上述光转换塑料薄膜的应用,所述光转换塑料薄膜在紫外灯、紫外LED、蓝光LED、或其他发光灯具的照射下,可产生有利于植物生长的400~500nm和(或)600~650nm波长的可见光。

附图说明:

图1为实施例1所合成碳量子点材料的透射电镜颗粒形貌

图2为实施例1所合成碳量子点材料在不同波长激发下的发射光谱(图2插图为实施例1所合成碳量子点材料在365nm紫外灯照射下的外观颜色)

图3为实施例1所制备碳量子点光转换塑料薄膜用作农用塑料大棚的效果示意图

图4为实施例2所合成碳量子点材料在不同波长激发下的发射光谱(图4插图为实施例2所合成碳量子点材料在365nm紫外灯照射下的外观颜色)

图5为实施例2制备碳量子点光转换塑料薄膜的制备工艺示意图

具体实施方式:

以下通过下述实施方式进一步说明本发明,应理解,下述实施方式仅用于说明本发明,而非限制本发明。

本发明制备的光转换塑料薄膜,与以往的光转换塑料薄膜相比,采用具有良好生物相容性、无污染的新型纳米荧光材料------碳量子点作为光转换剂,通过采用碳量子点对普通塑料薄膜进行改性处理,增强光照中有利于植物光合作用的蓝光和红光成分,有效促进植物生长。在该光转换塑料薄膜中,具有特殊光转换功能的碳量子点荧光材料均匀弥散在普通塑料薄膜中、和(或)附着于塑料薄膜基体材料表面形成改性功能层。所述光转换塑料薄膜中碳量子点的质量含量为0.001~0.1%,所述碳量子点的粒径为1~10nm。

本发明中,所述光转换塑料薄膜中的碳量子点在320~420nm波长光的激发下发出峰值波长在400~500nm范围的可见光,在350~550nm波长光的激发下发出峰值波长在600~650nm范围的可见光。

本发明中,所述光转换塑料薄膜中的塑料薄膜基体材料为聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等普通塑料薄膜制造用热塑性树脂材料。

本发明中,所述光转换塑料薄膜的制备方法工艺简单,将所述碳量子点光转换剂与所述热塑性树脂原料充分混合均匀后,再采用普通塑料薄膜的制备工艺进行加工;或者,采用普通塑料薄膜制备工艺制备出塑料薄膜后,再在塑料薄膜表面涂覆一层含有所述碳量子点光转换剂的表面改性层。

进而,作为本发明的终极目标,将本发明中制备的光转换塑料薄膜应用于促进植物生长。所述光转换塑料薄膜在太阳光照射下,可吸收太阳光中不利于植物生长的部分自然光,并转换为有利于植物生长的400~500nm和(或)600~650nm波长的可见光;或者,所述光转换塑料薄膜在紫外灯、紫外LED、蓝光LED、或其他发光灯具的照射下,可产生有利于植物生长的400~500nm和(或)600~650nm波长的可见光。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解,以下实施例只用于对本发明进行进一步说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数(例如具体的温度、压力、时间、投料量等)等也仅是合适范围中的一个示例,即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择,而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1:

碳量子点材料的合成:取2g柠檬酸、0.5ml二乙烯三胺、70ml去离子水置于容量为200ml的玻璃烧杯中,常温下磁力搅拌30分钟得到反应溶液;然后,将制备的反应溶液转移到容量为100ml的具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,在200℃水热保温反应3小时,冷却至室温得到棕色溶液。

碳量子点材料的净化提纯:将上述棕色溶液进行离心处理(12000rpm,15分钟),除去未完全反应的大颗粒;随后,采用0.22μm的微孔过滤膜对离心过后的上层清液进行过滤,进一步除去残留的大颗粒分子;然后,采用分子截留量为500Da的透析膜对样品进行48小时的透析,其间每隔4小时更换一次去离子水,最后得到净化提纯的碳量子点溶液。

碳量子点材料的颗粒形貌表征:采用透射电镜观察所合成碳量子点材料的颗粒形貌(图1),可以看出:所合成碳量子点材料具有球形形貌,颗粒尺寸约6nm。

碳量子点材料的荧光性能表征:将净化提纯的碳量子点溶液置于比色皿中,采用荧光光谱仪检测其在不同波长(320~420nm)激发下的发射光谱(图2),可以看出:发出峰值波长在400~500nm范围的可见光。进一步采用365nm的紫外灯照射所合成的碳量子点溶液(图2插图),溶液呈现蓝色,这与其在365nm紫外光激发下产生峰值波长约450nm的蓝光相一致。

碳量子点光转换塑料薄膜的制备:取100kg普通塑料薄膜生产常用的市售聚乙烯颗粒为原材料,添加10g碳量子点材料作为光转换剂,添加适量防老化剂等其它常用添加剂,采用普通塑料薄膜生产所使用的设备和工艺制备出碳量子点光转换塑料薄膜。

碳量子点光转换塑料薄膜的应用:将所生产的碳量子点光转换塑料薄膜用作农用塑料大棚,可明显起到增产增收的效果(图3示意图)。

实施例2:

碳量子点材料的合成:取2g柠檬酸、65ml甲酰胺、5ml去离子水置于容量为200ml的玻璃烧杯中,常温下磁力搅拌30分钟得到反应溶液;然后,将制备的反应溶液转移到容量为100ml的具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中,在180℃水热保温反应4小时,冷却至室温得到棕褐色溶液。

碳量子点材料的荧光性能表征:将合成的碳量子点溶液置于比色皿中,采用荧光光谱仪检测其在不同波长(350~470nm)激发下的发射光谱(图4),可以看出:发出峰值波长在600~650nm范围的可见光。进一步采用365nm的紫外灯照射所合成的碳量子点溶液(图4插图),溶液呈现红色,这与其在365nm紫外光激发下产生峰值波长约620nm的红光相一致。

碳量子点光转换塑料薄膜的制备:采用市售普通塑料薄膜为基材,采用简单喷洒方式在普通塑料薄膜基材表面涂覆一薄层碳量子点溶液(图5示意图),自然晾干后得到碳量子点改性处理的光转换塑料薄膜。

碳量子点光转换塑料薄膜的应用:将所生产的碳量子点光转换塑料薄膜用作农用塑料大棚,可明显起到增产增收的效果。

实施例3:

采用上述实施例1和实施例2的方法分别合成两种碳量子点材料,采用实施例1的方法制备碳量子点光转换塑料薄膜(其中:碳量子点材料的总质量含量为0.02%,两种碳量子点材料各占50%),将所生产的碳量子点光转换塑料薄膜用作农用塑料大棚,在塑料大棚中设置若干紫外LED和蓝光LED用于植物夜间辅助照明,可明显起到增产增收的效果。

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