CN111286133A - 一种光转换膜及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光转换膜，该光转换膜包含膜主体和均匀分散在膜主体中的光转换材料，其中光转换材料是具有芳香胺结构单元的巴比妥酸类有机化合物。本发明还提供了一种光转换膜的制作方法，包括步骤：S1、将光转换材料与膜原料进行混合，形成光转换膜原料；S2、对光转换膜原料进行加热融化和加工成膜的操作，获得光转换膜。本发明的光转换膜，可以将农作物吸收较弱的绿光转换为农作物吸收强的红橙光，有效利用了510nm至550nm波段的太阳能资源，达到促进农作物生长的目的。

Description

一种光转换膜及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种农业转光技术领域，尤其涉及一种光转换膜及其制作方法。
背景技术
阳光是农作物进行光合作用最重要的因素之一，是农作物生长、发育、结果的必要条件。到达地面的太阳光波长约为300nm至3000nm，但其中各光谱带内光辐射的辐照度和百分数并不相等。农作物光合作用可利用的光波仅在约420nm至750nm的可见光范围内，其中波长为420nm至500nm的蓝光和波长为580nm至700nm的红橙光最为有效。在这两类光线下，农作物光合作用的效率高，植株茎秆茁壮，枝叶繁茂，并且果实硕大，品质优良，特别是波长较长的红橙光，不仅能促进果实的生长，还能有效提高地温、促进作物早熟。而波长位于510nm至550nm的绿光区在太阳光光谱中能量最高，但农作物对此区域的光吸收却最弱，如何有效利用这一波段的太阳能资源用于促进农作物生长，对解决粮食问题意义重大。
光转换膜是一种通过添加光转换材料来实现光转换的薄膜。光转换膜能将对植物生长有害的紫外光转化为利于植物生长的可见光，或者将黄绿光转化为红橙光，进而改变透过薄膜后的光质，促进植物对钾、氮、磷、锌等矿物质元素的吸收，提高植株叶片的展开度和展开面积，促进植株高度的增长和叶柄长度的增加，并由此增加植株叶片内叶绿素的含量，使植株的光合作用产物含量增多，促进农作物产量增加。
目前，应用于光转换膜的光转换材料主要分为三类：稀土配合物类、有机染料类和无机盐类。
稀土配合物类是利用稀土元素与有机物之间的络合形成的有机配合物，这类光转换材料可以利用稀土金属离子作为发光中心进行发光，具有发光光色单一性好、光热稳定性高、发光亮度强、在有机材料和溶剂中易于分散等特点，但同时也存在着合成步骤繁琐、抗老化效果差、成本高昂等缺点。
有机染料光转换材料是一种具有良好荧光发射性能的染料化合物，一般具有刚性平面和较大的共轭π键，与制作农用膜的棚膜基础树脂具有较好的相容性，另外这类光转换材料还有加工方便、易于分散、浓度可控的优点；同时，在农膜中添加有机染料光转换材料不会影响薄膜自身的强度和其他的理化性能，这就使得这类光转换材料在农业生产中具有很好的应用价值。
无机盐类光转换材料相对于有机类具有价格便宜、耐高温性能好、易于制备、存储周期长的特点。无机化合物可以形成规整的晶格，引入的重金属离子或稀土离子位于规整晶格的内部，作为激活剂发挥作用。但是无机物的结晶度较高，与薄膜树脂的相容性较弱，在薄膜内难于分散，而导致薄膜的透光率和均匀性下降，因此无机盐类光转换材料的加工性能较弱。在工业实际应用中很少直接使用无机盐光转换材料，一般都是采用各种改性方法对其改性后再掺杂到薄膜中。
发明内容
为吸收自然光中510nm至550nm的绿光、发射出600nm至750nm的红橙光，达到有效利用510nm至550nm波段的太阳能资源、促进农作物生长的目的，本发明提供了一种添加有机光转换材料的新型光转换膜及其制作方法。
本发明提供的一种光转换膜，包括膜主体和均匀分散在所述膜主体内的光转换材料，所述光转换材料为具有芳香胺结构单元的巴比妥酸类有机化合物。
进一步地，在所述光转换材料中，所述芳香胺结构单元通过
Figure BDA0001895085810000021
结构与巴比妥酸结构单元相连，其中*表示与所述芳香胺结构单元和所述巴比妥酸结构单元的结合位点。
进一步地，所述光转换材料的结构式为
Figure BDA0001895085810000022
具体地，R1、R2、R3、R4独立地选择氢原子、含碳数为1至8的直链或支链烷基；或者，R1与R2之间相连形成五元环或六元环，和/或，R3与R4之间相连形成五元环或六元环。
优选地，所述光转换材料选自下述式1-1～式2-5任一所述的物质：
Figure BDA0001895085810000031
进一步地，所述膜主体为由聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和乙烯-醋酸乙烯共聚物中的至少一种为原料制成的膜。
进一步地，所述光转换膜中所述光转换材料的质量分数为0.1％至20％。
本发明还提供了一种光转换膜的制作方法，包括步骤：
S1、将所述光转换材料与膜原料进行混合，形成光转换膜原料；
S2、将所述光转换膜原料加热融化并加工成膜，获得光转换膜。
进一步地，所述光转换膜原料中所述光转换材料的质量分数为0.1％至20％。
进一步地，所述膜原料为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和乙烯-醋酸乙烯共聚物中的至少一种。
进一步地，在所述步骤S2中，将所述光转换膜原料在80℃至190℃下进行加热融化。
本发明通过将膜原料与光转换材料加工制成了新型的光转换膜，其中光转换材料为具有芳香胺结构单元的巴比妥酸类有机化合物。该光转换膜能吸收510nm～550nm的绿光、发射600nm～750nm的红橙光，从而使该光转换膜能够有效利用510nm至550nm波段的太阳能资源，可达到促进农作物生长的目的。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1为根据本发明的光转换膜的制作方法的步骤流程图；
图2为根据本发明的实施例一的光转换材料的吸收光谱；
图3为根据本发明的实施例一的光转换材料的发射光谱；
图4为根据本发明的实施例二的光转换材料的吸收光谱；
图5为根据本发明的实施例二的光转换材料的发射光谱。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
本发明提供的一种光转换膜，包括膜主体和均匀分散在膜主体中的光转换材料，该光转换材料为具有芳香胺结构单元的巴比妥酸类有机化合物。
进一步地，在该光转换膜中，光转换材料的质量分数为0.1％至20％；即光转换材料和膜主体的质量比为0.1:99.9至20:80。
进一步地，在光转换材料中，芳香胺结构单元通过
Figure BDA0001895085810000041
结构与巴比妥酸结构单元相连，其中*表示与芳香胺结构单元和巴比妥酸结构单元的结合位点。基于芳香胺结构单元的结构特征，其只能与
Figure BDA0001895085810000042
结构的单键侧的结合位点相结合，而巴比妥酸结构单元则与双键侧的结合位点相结合。
进一步地，光转换材料的结构式为：
Figure BDA0001895085810000043
具体来讲，在上述两个结构式中，R1、R2、R3、R4独立地选择氢原子、含碳数为1至8的直链或支链烷基；或者，R1与R2之间相连形成五元环或六元环，和/或，R3与R4之间相连形成五元环或六元环。
优选地，光转换材料选自下述式1-1～式2-5任一所述的物质：
Figure BDA0001895085810000051
如此，在本发明的光转换材料中，通过对分子中R1、R2、R3、R4结构单元的调整，能微调光转换膜的吸收光谱波长和发射光谱波长；同时也能调节光转换材料在膜主体中的分散性能，获得具有更高光谱转换效率及稳定性能的光转换膜。
优选地，在本发明的光转换膜中，膜主体为由聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和乙烯-醋酸乙烯共聚物中的至少一种原料制成的膜。
上述光转换材料分子中存在的巴比妥酸结构单元是拉电子单元，拉电子单元与另外一端的芳香胺结构单元形成分子内的电子转移结构，因此这类有机化合物具有较强的光谱吸收能力以及波长较长的发射光谱。通常来讲，具有分子内电子转移结构的化合物具有较宽的发射光谱特征，而本发明所提供的光转换材料因其本身存在着巴比妥酸结构单元，其吸收光谱和发射光谱反而具有较窄的光谱半峰宽。另外，上述两类光转换材料分子结构的差异在于巴比妥酸结构单元中的一个氧原子为硫原子所取代，而硫原子的取代能红移有机化合物的吸收光谱和发射光谱的最大波长，从而能更好地实现光转换膜的将绿光转换为红橙光的作用效果。
具体参照图1，本发明还提供一种光转换膜的制作方法，包括下述步骤：
在步骤S1中，将光转换材料与膜原料进行混合，形成光转换膜原料。
具体来讲，光转换膜原料中光转换材料的质量分数为0.1％至20％。
进一步地，膜原料为由聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和乙烯-醋酸乙烯共聚物中的至少一种。
在步骤S2中，将光转换膜原料进行加热融化并加工成膜，获得光转换膜。
具体地，在该步骤中，将光转换膜原料在80℃至190℃条件下进行加热融化。
以下将通过具体的实施例来说明本发明的上述光转换膜及其制备方法，但本领域技术人员将理解的是，下述实施例仅是本发明的具体示例，不用于限定其全部。
实施例一
本实施例提供一种光转换膜。
该光转换膜包括聚乙烯膜和均匀分散在聚乙烯膜中的光转换材料，其中采用的光转换材料是上述化学结构式为式1-2的有机化合物。并且在该光转换膜中，光转换材料的质量分数为0.1％；即光转换材料与聚乙烯膜的质量比为0.1:99.9。
本实施例中的光转换材料的吸收光谱如图2所示，发光光谱如图3所示。
本实施例的上述光转换膜可采用下述制作方法来制作：
首先，将上述式1-2的结构所示的光转换材料加入聚乙烯中混合均匀，控制光转换材料的质量分数为0.1％，即光转换材料与聚乙烯膜原料按照0.1:99.9的质量比混合，得到光转换膜原料。
然后，将上述光转换膜原料加热至80℃后维持30min，采用压延法获得均匀一致的光转换膜。
上述光转换膜在510nm至540nm波段的平均透过率约为75％，主发射峰位于650nm；由此即能够吸收510nm～550nm的绿光、发射600nm～750nm的红橙光，从而达到将绿光转换为红橙光的目的，促进农作物生长。
实施例二
本实施例提供一种光转换膜。
该光转换膜包含聚氯乙烯膜和均匀分散在聚氯乙烯膜中的光转换材料，其中采用的光转换材料是上述化学结构式为式2-1的有机化合物。并且在该光转换膜中，光转换材料的质量分数为0.5％；即光转换材料与聚氯乙烯膜的质量比为0.5:99.5。
本实施例中的光转换材料的吸收光谱如图4所示，发光光谱如图5所示。
本实施例中的上述光转换膜可采用下述制作方法来制作：
首先，将上述式2-1的结构所示的光转换材料加入聚氯乙烯中混合均匀，控制光转换材料的质量分数为0.5％，即光转换材料与聚氯乙烯膜原料按照0.5:99.5的质量比混合，得到光转换膜原料。
然后，将上述光转换膜原料加热至190℃后维持3min，采用挤出法获得均匀一致的光转换膜。
该光转换膜在510nm至540nm波段的平均透过率约为68％，主发射峰位于681nm；由此即能够吸收510nm～550nm的绿光、发射600nm～750nm的红橙光，从而达到将绿光转换为红橙光的目的，促进农作物生长。
实施例三
本实施例提供一种光转换膜。
该光转换膜包括由聚乙烯和聚氯乙烯以1:1质量比制成的混合膜和均匀分散在该混合膜中的光转换材料，其中采用的光转换材料是上述化学结构式为式1-2的有机化合物。并且该光转换膜中，光转换材料的质量分数为20％；即光转换材料与混合膜的质量比为20:80。
本实施例中的上述光转换膜可采用下述制作方法来制作：
首先，将上述式1-2的结构所示的光转换材料加入聚乙烯和聚氯乙烯的混合物中混合均匀，控制聚乙烯和聚氯乙烯的质量比为1:1，控制光转换材料的质量分数为20％，即光转换材料与混合膜原料按照20:80的质量比混合，得到光转换膜原料。
然后，将上述光转换膜原料加热至170℃后维持10min，采用挤出法获得均匀一致的光转换膜。
该光转换膜在510nm至540nm波段的平均透过率约为50％，主发射峰位于650nm；由此即能够吸收510nm～550nm的绿光、发射600nm～750nm的红橙光，从而达到将绿光转换为红橙光的目的，促进农作物生长。
实施例四
本实施例提供一种光转换膜。
该光转换膜包括聚乙烯膜和均匀分散在聚乙烯膜中的光转换材料，其中采用的光转换材料是上述化学结构式为式1-2的有机化合物。并且在该光转换膜中，光转换材料的质量分数为5％；即光转换材料与聚乙烯膜的质量比为5:95。
本实施例的上述光转换膜可采用下述制作方法来制作：
首先，将上述式1-2的结构所示的光转换材料加入聚乙烯中混合均匀，控制光转换材料的质量分数为5％，即光转换材料与聚乙烯膜原料按照5:95的质量比混合，得到光转换膜原料。
然后，将上述光转换膜原料加热至80℃后维持30min，采用压延法获得均匀一致的光转换膜。
上述光转换膜在510nm至540nm波段的平均透过率约为65％，主发射峰位于650nm；由此即能够吸收510nm～550nm的绿光、发射600nm～750nm的红橙光，从而达到将绿光转换为红橙光的目的，促进农作物生长。
实施例五
本实施例提供一种光转换膜。
该光转换膜包括聚氯乙烯膜和均匀分散在聚氯乙烯膜中的光转换材料，其中采用的光转换材料是上述化学结构式为式2-1的有机化合物。并且在该光转换膜中，光转换材料的质量分数为10％；即光转换材料与聚氯乙烯膜的质量比为10:90。
本实施例的上述光转换膜可采用下述制作方法来制作：
首先，将上述式2-1的结构所示的光转换材料加入聚氯乙烯中混合均匀，控制光转换材料的质量分数为10％，即光转换材料与聚氯乙烯膜原料按照10:90的质量比混合，得到光转换膜原料。
然后，将上述光转换膜原料加热至190℃后维持3min，采用挤出法获得均匀一致的光转换膜。
上述光转换膜在510nm至540nm波段的平均透过率约为60％，主发射峰位于681nm；由此即能够吸收510nm～550nm的绿光、发射600nm～750nm的红橙光，从而达到将绿光转换为红橙光的目的，促进农作物生长。
实施例六
本实施例提供一种光转换膜。
该光转换膜包括聚氯乙烯膜和均匀分散在聚氯乙烯膜中的光转换材料，其中采用的光转换材料是上述化学结构式为式2-1的有机化合物。并且在该光转换膜中，光转换材料的质量分数为15％；即光转换材料与聚氯乙烯膜的质量比为15:85。
本实施例的上述光转换膜可采用下述制作方法来制作：
首先，将上述式2-1的结构所示的光转换材料加入聚氯乙烯中混合均匀，控制光转换材料的质量分数为15％，即光转换材料与聚氯乙烯膜原料按照15:85的质量比混合，得到光转换膜原料。
然后，将上述光转换膜原料加热至190℃后维持3min，采用挤出法获得均匀一致的光转换膜。
上述光转换膜在510nm至540nm波段的平均透过率约为56％，主发射峰位于681nm；由此即能够吸收510nm～550nm的绿光、发射600nm～750nm的红橙光，从而达到将绿光转换为红橙光的目的，促进农作物生长。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims (10)

1.一种光转换膜，包括膜主体和均匀分散在所述膜主体内的光转换材料；其特征在于，所述光转换材料为具有芳香胺结构单元的巴比妥酸类有机化合物。
2.根据权利要求1所述的光转换膜，其特征在于，在所述光转换材料中，所述芳香胺结构单元通过
Figure FDA0001895085800000011
结构与巴比妥酸结构单元相连，其中*表示与所述芳香胺结构单元和所述巴比妥酸结构单元的结合位点。
3.根据权利要求2所述的光转换膜，其特征在于，所述光转换材料的结构式为：
Figure FDA0001895085800000012
其中R1、R2、R3、R4独立地选择氢原子、含碳数为1至8的直链或支链烷基；或者，R1与R2之间相连形成五元环或六元环，和/或，R3与R4之间相连形成五元环或六元环。
4.根据权利要求3所述的光转换膜，其特征在于，所述光转换材料选自下述式1-1～式2-5任一所述的物质：
Figure FDA0001895085800000013
5.根据权利要求1-4任一所述的光转换膜，其特征在于，所述膜主体为由聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和乙烯-醋酸乙烯共聚物中的至少一种为原料制成的膜。
6.根据权利要求5所述的光转换膜，其特征在于，所述光转换膜中所述光转换材料的质量分数为0.1％至20％。
7.一种如权利要求1-6任一所述的光转换膜的制作方法，其特征在于，包括步骤：
S1、将所述光转换材料与膜原料进行混合，形成光转换膜原料；
S2、将所述光转换膜原料加热融化并加工成膜，获得光转换膜。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述光转换膜原料中所述光转换材料的质量分数为0.1％至20％。
9.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述膜原料为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和乙烯-醋酸乙烯共聚物中的至少一种。
10.根据权利要求7-9任一所述的制作方法，其特征在于，在所述步骤S2中，将所述光转换膜原料在80℃至190℃下进行加热融化。
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