一种光功能多元转换塑料大棚复合薄膜及其制备方法与流程

本发明属于农业薄膜生产技术领域，涉及一种光热转换、转光、储光及保温杀菌功能的复合材料的制备工艺和配方，具体来说，涉及一种多元改性的塑料复合薄膜制备技术。

背景技术：

我国农膜年需求量达七十万吨左右，大棚种植涵盖范围非常广泛，如能充分提高大棚膜对自然光线的利用率，在不增加能耗、人工、化肥和农药的前提下就实现作物的增产增收，无疑将为解决我国农耕面积紧缺、环境污染问题起到明显促进作用。

长余辉材料是一种以稀土离子为激活剂的碱土铝(硅)酸盐或硫氧化钇等，其中Y2O2S:Eu³⁺,Ln为红光余辉材料，Sr2MgSi2O7:Eu²⁺,Dy³⁺为蓝光余辉材料。长余辉材料能够在一定光照时长下接收并存储外界光辐射的能量，并在一定温度(室温)中以可见光的形式向外界发射所存储的光能的光致发光材料。自从1975年日本率先研发出硅酸盐长余辉材料Zn2SiO4:Mn,As，此后不同余辉时间更长、余辉效果更好、余辉颜色不同的长余辉材料被相继的研发，但直至2007年才有报道将长余辉材料应用于生物传感和成像的研究，而在农业技术生产应用方面的研究则鲜有报道。

光热转换材料是指能够吸收近红外光、再通过等离子体共振或者能带跃迁来产生热量的新型功能材料。光热转换材料多应用于太阳能热水器等利用光能转化为热能的设备中，也可用于人体医疗、在红外光照射下高效低毒的杀死肿瘤细胞，能间接地提高能源利用效率，是一种开源节流的功能材料。然而将光热转换材料运用于农业生产的技术领域的报道则相对较少。

技术实现要素：

本发明的目的是解决农膜的利用率，在不增加能耗、人工、化肥和农药的前提下，实现农作物的增产增收。

为达到上述目的，本发明提供了一种光功能多元转换塑料大棚复合薄膜，该复合薄膜包含以下按重量份数计的组分：

其中，该复合薄膜是采用表面粉末填料改性塑料薄膜制备，所述的表面粉末填料改性是指将除塑料薄膜外的组分混合均匀，再通过热压工艺在塑料薄膜上复合成型。

所述的塑料薄膜选择聚乙烯膜、改性聚丙烯膜、乙烯-醋酸乙烯共聚物膜，或它们的混合物膜。

所述的塑料粉末选择聚乙烯、改性聚丙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物中的任意一种或任意两种以上的混合。

所述的长余辉材料为发红光或蓝光的以稀土离子为激活剂的碱土铝(硅)酸盐或硫氧化钇等，其用量占复合薄膜质量的5-30％；优选为10-15％。长余辉材料既为储光材料、又为光转换材料；日光下将可见光转换为红光或蓝光，夜晚可将储存的光能释放，起到照明和补充光照的作用。优选的，红光余辉材料为Y2O2S:Eu³⁺,Ln，蓝光余辉材料为Sr2MgSi2O7:Eu²⁺,Dy³⁺。

所述的光热转换材料选择纳米级的CuS、SiC、ZrC中的任意一种或任意两种以上的组合。

所述的光触媒杀菌剂选择纳米级的锐钛型TiO2、ZnO、ZrO中的任意一种或任意两种以上的组合。其既可起到杀菌的作用，又具有吸收紫外线、自清洁、防雾滴的功能。

本发明采用的光触媒杀菌剂具有光化学效应，可将有机小分子分解成CO2、H2O，起到自清洁的作用；在农业上，还可吸附多余的有毒有机气体、杀灭真菌等有害微生物，促进农作物健康生长。用于大棚膜，其超疏水作用可防止表面雾滴，还可使废弃大棚膜通过光催化自行降解。另外，其中的纳米级ZnO由于其粒径尺寸小于紫外线的波长，故能够散射各个方向的紫外线，从而削弱紫外线辐射，进而保护复合薄膜基体，也作为紫外吸收剂。

所述的助剂包含抗老化剂、偶联剂、分散剂中的任意一种或几种的混合，通过粉末分散机加少量分散剂(如，甲苯)使粉体分散均匀。

本发明还提供了一种上述的光功能多元转换塑料大棚复合薄膜的制备方法，该方法包含：

步骤1，将塑料粉末、长余辉材料、光热转换材料、光触媒杀菌剂及助剂均匀混合；

步骤2，将步骤1的混合物涂覆在塑料薄膜的上表面和下表面，制备粉末薄膜；

步骤3，在粉末薄膜的上表面和下表面分别包覆防粘膜，在防粘膜的外侧设置金属板，以“金属板/防粘膜/粉末薄膜/防粘膜/金属板”的方式依次置于热压装置；

步骤4，在热轧温度99-120℃、压力35-50MPa下进行热压复合，获得光功能多元转换塑料大棚复合薄膜。

较佳地，步骤3中，先将粉末薄膜设置在金属框板模具中，再在粉末薄膜上包覆防粘膜，然后在防粘膜的外侧设置金属板，以“金属板/防粘膜/金属框板模具与粉末薄膜/防粘膜/金属板”的方式依次置于热压装置。

本发明综合各无机纳米材料的多元特性，通过表面粉末填料改性塑料薄膜制得光功能多元转换塑料大棚复合薄膜。本发明的大棚复合薄膜具有以下特征：首先，它具有转光和储光的作用，在白天能将不同波长的可见光转换为植物需要的红光或蓝光，同时储存光能，到夜晚在缓慢释放出红光或蓝光，由此能够通过补光促进农作物的早熟和增产；其次，加入的光热转换材料可将红外光转换为热能，使棚内温度提高2～3℃，提高大棚的温室效果；第三，加入的TiO2和ZnO等纳米材料可起到光触媒和紫外吸收抗老化的作用，使塑料大棚能具有自清洁、防雾滴、抗老化，延长了薄膜使用寿命。

本发明的复合薄膜可综合利用阳光中不同波长的光线：在白天可以吸收红外线，实现光热转换，使大棚升温；同时，可将阳光中的紫外线与可见光转换为植物需要的红光或蓝光；另外，可储存光能，白天吸收光能，夜晚释放光能，起到一定的延长光照作用；最后，添加的光活性材料还可起到增强薄膜抗紫外老化和杀菌的作用。总之，本发明提供的大棚复合薄膜可以较精确地过滤掉无用光，进一步提升薄膜保温、保湿的性能，以及应对自然环境不确定因素的能力，有利于农作物的产量和质量的提升，给农业带来高额附加利润。

附图说明

图1是本发明实施例1-2与对比例制备的薄膜的光热效应曲线图。

图2是本发明实施例1制备的薄膜的荧光光谱曲线图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

本发明提供的一种光功能多元转换塑料大棚复合薄膜，该薄膜包含以下按重量份数计的组分：

该复合薄膜是采用表面粉末填料改性塑料薄膜制备，所述的表面粉末填料改性是指将除塑料薄膜外的组分混合均匀，再通过热压工艺在塑料薄膜上复合成型。该热压工艺是指：热轧温度99-120℃、压力35-50MPa。

所述的塑料粉末选择聚乙烯、改性聚丙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物中的任意一种或任意两种以上的混合。

所述的长余辉材料为一种发红光或蓝光的以稀土离子为激活剂的碱土铝(硅)酸盐或硫氧化钇等，其用量占复合薄膜质量的5-30％；优选为10-15％。优选的，红光余辉材料为Y2O2S:Eu³⁺,Ln，蓝光余辉材料为Sr2MgSi2O7:Eu²⁺,Dy³⁺。

所述的光热转换材料选择纳米级的CuS、SiC、ZrC中的任意一种或任意两种以上的组合。

所述的光触媒杀菌剂选择纳米级的锐钛型TiO2、ZnO、ZrO中的任意一种或任意两种以上的组合。

所述的助剂为抗老化剂、偶联剂、分散剂等。

实施例1

按表1的配方将长余辉材料、光热转换材料、光触媒杀菌剂、抗老化剂、聚乙烯粉末用粉末分散机混合均匀。向15cm边长的正方形聚乙烯薄膜上(约1.00g)，均匀涂抹上述混合均匀的各无机纳米粉末与聚乙烯粉，得到粉末薄膜。将粉末薄膜放置在内框15cm边，外框17cm边的钢板框架中，上下两边加上PET防粘膜，上下再加两片钢板；将薄膜与表面粉末按照"钢板/pet防粘膜/不锈钢框板模具与粉末薄膜/PET防粘膜/钢板"的方式依次夹入热压机，在温度99-120℃、压力35-50MPa的条件下，进行薄膜的热压机热轧复合，取得复合薄膜备用。

实施例2

按表1的配方按实施例1相同的方法制备粉末薄膜。

在薄膜上下两边设置PET防粘膜，上下再加两片钢板；将薄膜与表面粉末按照“钢板/PET防粘膜/粉末薄膜/PET防粘膜/钢板”的方式依次夹入热压板，将热轧板放入鼓风干燥箱，薄膜在温度165-185℃、压力35-50MPa的条件下热轧复合，2小时后取得复合薄膜备用。

对比例1

采用表1的配方(不加光热转换材料)按实施例1相同的方法制备复合薄膜。

对比例2

采用表1的配方(不加光热转换材料)按实施例2相同的方法制备复合薄膜。

对比例3

采用表1的配方(不加长余辉材料)按实施例1相同的方法制备复合薄膜。

对比例4

采用表1的配方(不加长余辉材料)按实施例2相同的方法制备复合薄膜。

取7个12立方厘米的有机玻璃盒，分别包覆上述实施例及对比例制备的薄膜以及普通的聚乙烯薄膜，在室温20摄氏度下进行光热效应检测，取得变化温度数据，计算相对变化温差和绝对变化温差，然后制作光热效应曲线图。

将上述实施例制备的复合薄膜裁出5cm长、1cm宽的样品进行荧光光谱测试，检测黑暗中复合薄膜的发射波长与光强；用紫外加速老化箱测定复合薄膜吸收紫外线和抗老化的效果；在培养基培养菌落，用荧光显微镜观察复合薄膜的抑菌杀毒效果。具体测试方法如下：

一、光热效应测试

模拟大棚(在有机玻璃盒上包覆复合薄膜)尺寸为长宽高分别为20cm、12cm、12cm，并进行如下测试：在室温20摄氏度的条件下，将电子温度计放置于有机玻璃盒内，然后用中心波长为1-2.5μm、200W的红外灯进行光热效果处理测试：持续光照半小时，每隔十分钟记录一次温差；黑暗处停止光照半小时，记录各配方比例温差并计算相对温差、绝对温差，得到各配方光热效应数据，制作光热效应曲线图。检测结果如表1和图1所示。

二、荧光光谱测试

将本发明制备的薄膜裁成1cm×5cm的样片，在日光下照射半小时，然后进行荧光光谱测试，检测黑暗中的长余辉材料的发光情况，并使用荧光显微镜测试本发明的薄膜荧光光谱，结果显示，在波长600nm左右，本发明的复合薄膜能吸收光照并发射粉红色荧光，如图2所示。

三、抑菌试验

制备培养基，高压灭菌处理，然后加入菌液，放入恒温摇床。24小时后在两份细菌培养基中分别加入本发明制备的复合薄膜和空白对照组的普通聚乙烯薄膜。再经24小时后将培养基中的薄膜取出，在荧光显微镜下观察相同生长条件下的复合薄膜表面是否长出菌落，以测试复合薄膜中光触媒杀菌剂的抗菌效果。在荧光显微镜下可见复合薄膜表面生长的细菌菌落比空白对照组的聚乙烯薄膜少得多，可知本发明的复合薄膜具有良好的抑菌效果。

四、抗老化试验

裁出3cm×7cm的复合薄膜，同时与空白对照组的聚乙烯薄膜试样夹好后放入紫外加速老化试验箱中，检验助剂中抗老化剂的抗老化和吸收紫外线的效果，通过普通膜和试验膜在老化箱中进行紫外老化试验后的对照，结果显示试验膜仍保持优秀性能，而普通膜明显老化变脆变质。

表1：实施例1-2、对比例1-4的配方及照射后温度测试结果

由表1及图1可知，复合薄膜中不含长余辉成分(对比例3、4)时，光照射30分钟后，薄膜虽然有一定升温，但停止照射30分钟后，降温明显；复合薄膜中不含光热转换纳米材料成分(对比例1、2)时，光照射30分钟后，薄膜升温最缓，但停止照射30分钟后，未出现降温；而本发明的实施例1-2制备的复合薄膜同时含有长余辉成分、光热转换纳米材料成分，光照射30分钟后，升温显著，且停止照射30分钟后，也未出现明显降温，可能是因为在停止光照射后，长余辉成分发挥释放光能作用，而光热转换纳米材料成份又将该光能转化为热能，从而加强保温效果。

综上所述，本发明的复合薄膜中长余辉成分、光热转换纳米材料成分具有一定的协同作用，不但升温加快，且出人意料地使得复合薄膜保温效果更好。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。