CN107613755A - 具有自调整遮光属性的用于长期农业用途的多层塑料膜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在温室中或在小拱棚(2)下的长期农业用多层塑料膜(1)，该多层塑料膜自调整在所覆盖空间(4)中提供的遮光。遮光效应可以存在于膜的整个表面中，或者遮光效应可以局部地存在于最需要遮光的特定表面(3)处。通过在多层膜(1)的多个层的一层中掺入光致变色化合物或光致变色化合物的组合来实现遮光。掺入一种或多种光致变色化合物的一个或多个层由两侧的层保护而免受氧化，该两侧的层掺入展现出对气体且特别是氧气的低渗透性的材料。所述膜的优点在于，种植者将不需要在膜表面上应用任何遮光材料和/或不需要应用任何用以促进遮光材料的打开和关闭的机构。

Description

具有自调整遮光属性的用于长期农业用途的多层塑料膜
本发明涉及用于在温室中或在小拱棚(low tunnel，低管道)下的长期(perennial，常年)农业用多层塑料膜，该多层塑料膜自调整在所覆盖空间中提供的遮光。遮光效应可以存在于膜的整个表面中，或者遮光效应可以局部地在最需要遮光的特定表面处。
所述膜的优点在于，种植者将不需要在膜的表面上应用任何遮光材料和/或不需要应用任何用以促进遮光材料的打开和关闭的机构。
虽然阳光对作物极其有益，但阳光可能会造成损害，尤其是在夏季的月份中，甚至在栽培作物的温室或小拱棚中愈发明显。
直射且强烈的阳光可以造成：
a)植物的表皮灼伤。
b)将温度升高到这样的水平：叶子的气孔关闭，因此减慢或甚至停止光合作用，从而使植物的整体生长减慢或甚至停止。
c)由于高温而脱水，导致植物胁迫，从而使产量大大降低。
因此，至关重要的需求是，尤其在阳光变得非常强烈的月份中为所覆盖的空间遮光。
现今以两种不同的方式遮蔽在温室中和在地面覆盖物中或者在小拱棚下的任何栽培中使用的塑料膜：
a)在春季涂覆白涂料，以便减少膜的光透射并同时反射部分辐射。已证实这是为温室或拱棚遮光的一种廉价方式，但其具有以下缺点：一旦涂覆白涂料，则只能通过喷涂将白涂料从膜的表面移除的清洁剂来移除该白涂料。因此，无论环境光线条件如何，涂覆白涂料都限制光透射。本发明通过根据环境光线条件调整塑料膜本身来解决这个问题。
b)存在可以安装在温室本身中的作为能量屏蔽物运行的——即减少光透射的——系统。这些系统可以被机械地打开和关闭，从而允许调整温室或拱棚中的光量。然而，它们被证实是昂贵的，并且需要仔细地监测环境光线条件，以及决策者对于是关闭还是打开屏蔽物的精确判断。与所述屏蔽物相比，本发明提供了很大的优点，因为本发明可以根据环境光线条件自己进行调整。
过去若干专利一直在解决上述问题。US 4683922A已经提供了具有电动帘(motorized curtain)的另外的方案，该电动帘遮蔽温室的壁，因而采用了需要相当高的初期投资的机械方案。
专利GR 58727(A1)试图通过采用喷涂在膜的表面上的材料找到针对白涂料所导致的永久性遮光的方案，该材料是吸湿的并且改变材料的光透性，然而这种方案更多地取决于湿度的水平而非光强度，并且该材料不是膜本身的固有性质，因此在温室膜的使用期限中必须涂覆该材料若干次。
CN 2023608629(U)提出了采用电致变色玻璃和微处理器以便调整遮光的方案，但是该方案只能用于温室，因此不能用于所有的栽培。
CN 103660485(U)提议使用若干膜，在若干膜之间的间隔约为15cm，其中一个膜是使用光致变色化合物而光致变色的(electrochromic)。该方案致使安装昂贵，同时光致变色效应的使用不是永久的，因为光致变色化合物没有被保护，因此光致变色化合物随时间被氧化，并且从长远来看光致变色化合物不起作用。
若干其他方案采用用以提供遮光的网的用途，该网应用于温室或小拱棚膜的上方。然而，该网在初期投资以及应用和移除该网方面都相当昂贵。
虽然证实了现有的方案它们为植物提供了用以在所要求条件下生长的足够的遮光，但是已证实这些方案没有任何用以根据环境光线条件调整自己的机构。调整光线条件的唯一可行的方法将是打开和关闭遮光网或屏蔽物，或者移除和涂覆白涂料。
JP2001075891采用了不同的方法，更准确地说，用光致变色化合物来实现在所覆盖空间中的遮光。然而，这通过仅将光致变色化合物添加到热塑性塑料基质中来实现。这种用于农业用途的塑料膜尚未商业地且广泛地应用的原因在于，虽然现有技术阶段的常规塑料膜被长期地使用(通常为三到四年)，但是用光致变色反应提供的遮光的方案只能使用不到一年。发生这种情况的原因在于由于热塑性基质的气体渗透性，且特别是氧气渗透性，发生了光致变色化合物的氧化。氧化逐渐致使光致变色化合物无活性，因此不能提供长达所期望的使用期限的所覆盖空间的遮光。
过去这种用于塑料膜的技术主要用于食品包装，允许了采用材料诸如EVOH、PA、PVDC等的膜展现出对气体诸如氧气的阻挡性质。采用这些材料的原因在于，虽然常见的热塑性塑料诸如LDPE在25℃展现出2×105cm3.μm m-2d-1Pa-1的氧气渗透性，但是PVDC在相同温度条件下具有8-200cm3.μm m-2d-1Pa-1的渗透性，同时EVOH具有在5-80cm3.μm m-2d-1Pa-1范围内的渗透性。
因此，明显的是使用阻挡材料可以保护由两个阻挡层包封的热塑性塑料层。
本发明通过采用塑料膜解决了上述问题和局限性，该塑料膜自调整在其整个表面上的遮光或局部地在最需要遮光的部分处的遮光。
然而，更明显的是，本发明具有的自调整在温室和小拱棚下的遮光的方法将会优化作物质量和产量，因为将存在透射通过膜的太阳能的自调节。这导致拱棚中的温度降低和阳光扩散。
为了实现这一属性，在包括所述塑料膜的基质中添加光致变色化合物。在过去几十年中已经开发和发展处若干光致变色化合物，诸如：
a)偶氮-化合物；
b)二氢-中氮茚；
c)二芳基乙烷；
d)色烯；
e)萘并吡喃(Napthopyran)；
f)螺吡喃(Spiropyran)；
g)俘精酸酐；
h)俘精酰亚胺(Fulgimide)；
i)螺恶嗪；
j)蒽。
其他材料将包括显示光致变色行为的生物系统。
所有以上提及的化合物最初都被开发用于眼科镜片，提供了当暴露于阳光时根据环境光线条件调整自己变暗的镜片因此该镜片同时用作眼科镜片和太阳镜。现今这种化合物被用于各种应用，诸如镜片、滤光器、信息存储、化妆品、身份验证、流体流可视化等。
现今存在许多关于产品或化合物的应用，甚至存在更多的专利。但是，他们的属性尚未被农业领域特别是温室和小拱棚领域采纳和利用。这种方案的这种大量的用途尚未被应用的原因在于，光致变色化合物在暴露于大气中的氧气时特别易氧化。
本发明通过在其基质中采用光致变色化合物解决了这些问题。不同的化合物由性质诸如循环的次数、动力学、光谱性质、它们所展示的颜色等来确定。因此，根据栽培的具体要求，即塑料膜和相应的光致变色系统的使用期限、光致变色转变期间所需的颜色、该过程的动力学，可以选择具体的化合物。此外，根据为最终产品定制的栽培要求，可以采用化合物的组合。
本发明的物质化将需要通常用于温室或小拱棚的膜的廉价基质，诸如聚烯烃(LDPE、MDPE、LLDPE、mLLDPE、VLDPE、PP、EVA、EBA)或类似物，并且该物质化可以以若干方式实现，其中一些是：
a)在多层膜情况下的仅一层或多层中掺入光致变色化合物。
b)如本发明人已经以GR2002100249(A)和GR 1004441(B)所申请的，在膜的特定区域上焊接一条或多条预先制备的具有光致变色性质的膜。
c)层压一条或多条预先制备的具有光致变色性质的膜。
制备所述膜的优选方法将是吹塑膜或流延膜工艺。化合物的掺入可以经由常规的挤出工艺以固体状态作为母料或作为液体溶液实现。
所述光致变色化合物易受由氧气引发的降解，因此必须制备阻挡膜。EVOH、PA和PVDC等提供了对气体尤其是氧气的优异的阻挡性质。前两种材料根据相对湿度的水平展现不同的阻挡行为。采用材料的空间越潮湿，渗透性就越高。由于植物生长的温室是非常潮湿的空间，所以PVDC将是优选的材料选择，诸如Dow Chemicals的商业可用的SARAN级。
所述膜需要在其表层上也是可密封的，因此聚烯烃诸如LDPE、LLDPE、EVA或其共混物将用于膜的表层。因此，优选的层组合物将是七层膜(图3)，且特别是具有核心层(D)的膜，该核心层(D)包括EVA作为光致变色化合物分散所在的基质。包封核心层(顶部和底部)的两个邻近层(C&E)将是PVDC(图3)。在两个PVDC层上的层(B&F)将是由含有高VA含量的EVA或实际上任何其它连接层材料制成的连接层(tie layer)，该连接层材料将提供与包括聚烯烃的表层(A&G)的良好界面(interface，界面接合，界面作用)。
所有层都可以在其基质中含有次级材料，该次级材料为膜提供一些附加属性，诸如UV辐射稳定剂或抗氧化剂或甚至着色剂。
可以采用含有多于7层的膜。例如，九(9)层膜结构可以含有两种不同的光致变色化合物，或者十一层(11)膜可以含有3个不同的光致变色层。
通过参考以下附图描述本发明：
图1A：温室或小拱棚(2)中的光致变色塑料膜(1)以及膜功能的细节，该光致变色塑料膜由于低的光强度而能够渗透阳光(5)。
图1B：温室或小拱棚(2)中的光致变色塑料膜(1)及其细节，该光致变色塑料膜展现出对阳光(5)大大减少的渗透性和为所覆盖空间(4)遮光的功能。
图2：在其基质中掺入光致变色化合物(在该实例中为螺恶嗪)的核心层(D)。
图3：在核心层(D)中掺入光致变色化合物的具有宽度(W1)且厚度(t1)的(截面中的)七层膜结构，该核心层(D)由阻挡层(优选地，PVDC)(C&E)包封，两个连接层(B&F)将该结构面接(interface，界面接合)至掺入聚烯烃诸如LDPE、LLDPE、EVA或其组合的表层(A&G)。
图4：用于温室或小拱棚膜的塑料膜的(截面中的)结构，该结构包括在常规三层膜(9)的顶部上的焊接或层压的光致变色多层膜(1)。
图5：用于温室或小拱棚膜的塑料膜的(截面中的)结构，该结构包括在常规三层膜(9)的两个表层的顶部上的两个焊接或层压的光致变色多层膜(1)。
图6和图7：用连续焊缝(11)焊接在常规温室膜(2)的顶部上的光致变色多层膜(1)及其细节。
图8和图9：用不连续焊缝(12)焊接在常规温室膜(2)的顶部上的光致变色多层膜(1)及其细节。
图10A和图10B：用连续焊缝(11)或不连续焊缝(12)焊接在常规塑料温室膜(9)上的多条光致变色多层膜(3)。
下面描述了本发明的几个实施方案：
通过共挤的方法从圆形或扁平模子或模具中制备的塑料膜具有宽度(W1)和厚度(t1)，并且优选地具有七层结构(图3)。将光致变色化合物作为母料或者使用精确的剂量测定单元以液体形式插入挤出机中，并且优选插入核心层(D)中。核心层(D)的主要材料可以是展现热性质的任何聚烯烃或其共混物，诸如EVA。包封掺入光致变色化合物的层(D)的层(C&E)将展现低氧气渗透性，并且将优选地为PVDC。为了将层(C&E)与包括聚烯烃(诸如LDPE、LLDPE、EVA或其共混物)的表层(A&G)面接，在层(C&E)和表层(A&G)之间放置连接层(B&F)。因此，形成塑料膜的多层结构，包括：
层A：聚烯烃，诸如LDPE、LLDPE、EVA或其共混物；
层B：与聚烯烃和阻挡材料二者相容的连接材料；
层C：低氧气渗透性的(阻挡)材料(优选地，PVDC)；
层D：核心层，该核心层掺入光致变色材料并且使展现热性质的材料诸如优选地具有高VA含量的EVA作为基质，使得核心层可以容易地与阻挡层(优选地，PVDC)面接；
层E：低氧气渗透性的(阻挡)材料(优选地，PVDC)；
层F：与聚烯烃和阻挡材料二者相容的连接材料；
层G：聚烯烃，诸如LDPE、LLDPE、EVA或其共混物。
该结构的替代方案将是使用EBA或低VA含量的EVA作为用于核心层的基质，使得在EBA或低VA含量的EVA与相应的PVDC层之间将需要多两个连接层，使得该结构(截面中)将由九层构成。
在将由任意VA含量的EVA或者EBA构成的核心层的两侧具有掺入光致变色化合物的两层的情况下，也可能出现塑料膜的九层结构。
层A：聚烯烃，诸如LDPE、LLDPE、EVA或其共混物；
层B：与聚烯烃和阻挡材料二者相容的连接材料；
层C：低氧气渗透性的(阻挡)材料(优选地，PVDC)；
层D：层，该层掺入光致变色材料并且使展现热性质的材料诸如优选地具有高VA含量的EVA作为基质，使得该层可以容易地与阻挡层(优选地，PVDC)面接；
层E：核心层，该核心层使优选地展现热性质的材料诸如具有高VA含量的EVA或者优选地EBA或具有低VA含量的EVA作为基质；
层F：层，该层掺入光致变色材料并且使展现热性质的材料诸如优选地具有高VA含量的EVA作为基质，使得该层可以容易地与阻挡层(优选地，PVDC)面接；
层G：低氧气渗透性的(阻挡)材料(优选地，PVDC)；
层H：与聚烯烃和阻挡材料二者相容的连接材料；
层J：聚烯烃，诸如LDPE、LLDPE、EVA或其共混物。
该结构的替代方案将是使用EBA或低VA含量的EVA作为用于核心层的基质，使得在EBA或低VA含量的EVA与两侧相应的PVDC层之间将需要多两个连接层，使得该结构(截面中)将由十一层构成。
明显的是，按照该推理，可以存在大量的层组合和多层膜，该层组合和多层膜可以在一个或若干层中掺入由随后掺入低氧气渗透性的材料的层和连接层保护的光致变色材料，该层组合和多层膜优选为上述的七层结构。
本发明的第二实施方案是通过在具有宽度(W2)和厚度(t2)的常规温室或小拱棚膜(2)上焊接具有宽度(W1)和厚度(t1)的叠加的光致变色膜(1)进行的(图4)。焊缝可以在膜(1&9)的整个宽度处或者在一些不同的部分处是连续的(11)(图6&7)或不连续的(12)(图8&9)，使得掺入光致变色材料的叠加的光致变色膜(1)被固定在常规塑料膜(9)上。另一步骤将是在常规的温室塑料膜(9)或小拱棚的另一侧上焊接具有厚度(t3＝t2或t3≠t2)的相同或不同组成的第二光致变色塑料膜(10)(图5)，使得实现光致变色结果的组合(例如在可见光谱和红外光谱中)。
在需要局部遮光的情况下，厚度(t2)的光致变色塑料膜可以沿膜的长度以重复的条(3)焊接(图10A&10B)。最重要的是要注意，光致变色化合物也可以具有可以用于在拱棚中提供特定显色(colouration)的遮光的着色效果。
对于最终的用户，具有自调整遮光属性的塑料膜形成了下一代温室膜，该温室膜确保优化温室或小拱棚中的光线条件并且最重要的是确保根据环境光线条件自调整光线条件，以便最大化作物的产量和质量。

Claims (9)

1.具有自调整遮光属性的用于长期农业用途的多层塑料膜，所述多层塑料膜具有宽度(W1)并具有厚度(t1)，其特征在于，所述多层塑料膜通过采用光致变色化合物而具有根据环境光线条件自调整在所述多层塑料膜覆盖的空间中的遮光的属性，所述光致变色化合物被掺入所述多层塑料膜的核心层的基质中或所述膜的若干层中，并且所述光致变色化合物由展现出对氧气的阻挡性质的层包封，使得保护所述光致变色化合物免于暴露至大气中的氧气。
2.根据权利要求1所述的具有自调整遮光属性的用于长期农业用途的多层塑料膜，其特征在于，所述膜是共挤出的七层膜(图3)，所述层在截面中且按顺序示出为：
层A：聚烯烃，诸如LDPE、LLDPE、EVA或其共混物；
层B：与聚烯烃和阻挡材料二者相容的连接材料；
层C：低氧气渗透性的(阻挡)材料(优选地，PVDC)；
层D：核心层，所述核心层掺入光致变色材料并具有展现热性质的材料诸如优选地具有高VA含量的EVA作为基质，使得所述核心层能够容易地与所述阻挡层(优选地，PVDC)面接；
层E：低氧气渗透性的(阻挡)材料(优选地，PVDC)；
层F：与聚烯烃和所述阻挡材料二者相容的连接材料；
层G：聚烯烃，诸如LDPE、LLDPE、EVA或其共混物。
3.根据权利要求1所述的具有自调整遮光属性的用于长期农业用途的多层塑料膜，其特征在于，所述膜是共挤出的九层膜，所述层在截面中且按顺序示出为：
层A：聚烯烃，诸如LDPE、LLDPE、EVA或其共混物；
层B：与聚烯烃和阻挡材料二者相容的连接材料；
层C：低氧气渗透性的(阻挡)材料(优选地，PVDC)；
层D：与聚烯烃和所述阻挡材料二者相容的连接材料；
层E：核心层，所述核心层掺入光致变色材料并且具有展现热性质的材料作为基质，所述材料为诸如优选地具有低VA含量的EVA，或EBA；
层F：与聚烯烃和所述阻挡材料二者相容的连接材料；
层G：低氧气渗透性的(阻挡)材料(优选地，PVDC)；
层H：与聚烯烃和所述阻挡材料二者相容的连接材料；
层J：聚烯烃，诸如LDPE、LLDPE、EVA或其共混物。
4.根据权利要求1所述的具有自调整遮光属性的用于长期农业用途的多层塑料膜，其特征在于，所述膜是共挤出的九层膜，所述层在截面中且按顺序示出为：
层A：聚烯烃，诸如LDPE、LLDPE、EVA或其共混物；
层B：与聚烯烃和阻挡材料二者相容的连接材料；
层C：低氧气渗透性的(阻挡)材料(优选地，PVDC)；
层D：掺入光致变色材料并且具有展现热性质的材料诸如优选地具有高VA含量的EVA作为基质的层，使得其能够容易地与所述阻挡层(优选地，PVDC)面接；
层E：核心层，所述核心层具有优选地展现热性质的材料诸如具有高VA含量的EVA或者优选地EBA或具有低VA含量的EVA作为基质；
层F：掺入所述光致变色材料并且具有展现热性质的材料诸如优选地具有高VA含量的EVA作为基质的层，使得其能够容易地与所述阻挡层(优选地，PVDC)面接；
层G：低氧气渗透性的(阻挡)材料(优选地，PVDC)；
层H：与聚烯烃和所述阻挡材料二者相容的连接材料；
层J：聚烯烃，诸如LDPE、LLDPE、EVA或其共混物。
5.根据权利要求1和权利要求2、3或4中任一项所述的具有自调整遮光属性的用于长期农业用途的多层塑料膜，其特征在于，掺入所述光致变色化合物的所述膜具有宽度(W1)和厚度(t1)，并且被叠加并且以连续的焊缝(11)(图6&7)或不连续的焊缝(12)(图8&9)焊接在宽度(W2)和厚度(t2)的常规单层或多层温室或小拱棚膜(9)上，其中，W1<W2，并且优选地，t2>t1。
6.根据权利要求1和权利要求2、3或4中任一项所述的具有自调整遮光属性的用于长期农业用途的多层塑料膜，其特征在于，掺入所述光致变色化合物的两个膜分别具有宽度(W1)和厚度(t1)以及(W3)和厚度(t3)(图5)，并且所述两个膜被叠加并且以连续的焊缝(11)或不连续的焊缝(12)焊接在宽度(W2)和厚度(t2)的常规单层或多层温室或小拱棚膜(9)的两个表面上，其中，W1<W2并且W3<W2，以及优选地，t2>t1并且t2>t3。
7.根据权利要求1和权利要求2、3或4中任一项所述的具有自调整遮光属性的用于长期农业用途的多层塑料膜，其特征在于，一个或若干个塑料光致变色膜(3)(优选为条形式)(图10A&10B)沿着所述膜的长度焊接在常规或光致变色多层温室或小拱棚膜(9)的一个或两个表面上。
8.根据权利要求1至7所述的具有自调整遮光属性的用于长期农业用途的多层塑料膜，其特征在于，所产生的遮光能够是可见电磁光谱或不可见电磁光谱的任何显色。
9.根据权利要求1至7所述的具有自调整遮光属性的用于长期农业用途的多层塑料膜，其特征在于，在任何层中，所述膜能够含有抗氧化剂和/或UV辐射稳定剂-吸收剂的任何组合。
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