CN111302315B - 一种氮碳基转光剂的制备方法、应用、以及光转换塑料薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种氮碳基转光剂的制备方法、应用、以及光转换塑料薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种氮碳基转光剂的制备方法、应用、以及光转换塑料薄膜及其制备方法。该氮碳基蓝光转换塑料薄膜的组成原料包括：与薄膜基体材料相容性好的、稳定的无机氮碳基转光剂、聚乙烯等基体材料、石蜡等辅助剂，其中氮碳基转光剂的组成为C3NxHy，其中4<x≤4.01，0.00<y≤0.03。本发明的光转换塑料薄膜能够吸收太阳光中导致植物产生病害的紫外线，并将紫外线转换成有利于植物生长的蓝光。本发明的光转换塑料薄膜不仅具有转光剂浓度可控、分散均匀、加工方便的特点，而且具有良好的热稳定性和光稳定性。该光转换塑料薄膜的推广使用能够提高棚膜的使用寿命，提高大棚的室温，降低农作物的病害，提高农作物的产量。

Description

一种氮碳基转光剂的制备方法、应用、以及光转换塑料薄膜及 其制备方法
技术领域
本发明涉及农用塑料薄膜技术领域，尤其涉及一种氮碳基转光剂的制备方法、应用、以及光转换塑料薄膜及其制备方法。
背景技术
1983年，苏联科学院的L.N.Golodkava、A.F.Lepaev等人才明确提出了“农用光转换膜”的概念简称“转光膜”。转光膜就是在普通塑料薄膜中添加转光剂从而将太阳光中的紫外线和黄绿光转换成对植物生长有利的蓝光和红光，提高太阳光的利用率，实现农作物增产增收的效果。光转换的主要特点是既有聚乙烯膜的优点(拉伸性好、透光性好、防尘、防雾滴、防老化),又具有光转换功能。在对太阳光转换过程中，转光剂起到至关重要作用。
目前，转光剂主要包括有机染料、配位化合物和无机盐。有机染料主要是还原红、罗丹明等具有较好荧光发射的染料。该类化合物与棚膜基础树脂相容性较好，在农膜中浓度可控，分散均匀，易于加工。但是该类有机染料在长时间光照下容易发生氧化分解，存在使用寿命短、价格高等缺点，这些缺点限制了它在农膜中的大规模使用。无机盐类转光剂主要是稀土离子或者重金属离子掺杂的碱土铝酸盐、氧化物、硫化物、钨酸盐和硅酸盐等。具有价格低、耐高温等特点。但是无机盐的结晶度较高,与薄膜树脂的相容性较差，难于分散,造成薄膜均匀性及透光率下降,加工性能较差。这些也限制了无机盐类转光剂的进一步应用。配位化合物转光剂是有机配体络合稀土元素的配合物,具有发光亮度高、光色单一性好、光热稳定性强、不易老化、易于分散于各种溶剂和有机材料中等优点。但是该类化合物往往会出现荧光淬灭现象，另外合成步骤繁琐、抗老化效果差、成本高昂等缺点，这也在一定程度上制约了稀土配合物在农膜领域的应用。
氮碳基材料是以氮化碳为基础的无机材料，氮化碳材料具有α相、β相、类石墨相(g-C3N4)、立方相和准立方相五种结构。其中，g-C3N4的结构和性质与石墨烯类似，同样具有优异的化学稳定性、光学性质和力学性质。特别在光学方面，g-C3N4具有较宽的光学带隙(带宽约为2.7eV)、较高的光生载流子的复合效率。这些优异的性能使g-C3N4在新型半导体光电材料方面，特别是光催化方面得到极大关注和研究。因此g-C3N4是一类新兴的具有重要应用前景的光转换剂，然而其在光转换塑料薄膜方面的应用尚未见报道。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种氮碳基转光剂的制备方法、应用、以及光转换塑料薄膜及其制备方法。
一种无机氮碳基转光剂的制备方法,包括以下步骤：
(1)将富氮化合物和含碳反应助剂混合均匀；
(2)将混合好的物料放入刚玉坩埚内，放入高温电阻炉内，在空气或者氮气气氛下进行焙烧，程序升温到400～650℃，在该温度下焙烧2～20小时，然后自然冷却到室温；
(3)将冷却后的粉体研磨，洗涤，干燥得到氮碳基转光剂。
进一步地，如上所述的氮碳基转光剂的制备方法,所述富氮化合物为尿素、氰胺、二聚氰胺、三聚氰胺中的一种或多种。
进一步地，如上所述的氮碳基转光剂的制备方法,所述含碳反应助剂为葡萄糖、淀粉中的一种或两种。
一种氮碳基转光剂在作为制备光转换塑料薄膜中的应用。
一种光转换塑料薄膜，其原料包括：氮碳基转光剂、辅助剂和基体树脂材料；
所述碳基转光剂的质量百分比含量为0.001～1％；所述辅助剂的质量百分比含量为0.001～10％；所述基体树脂材料的质量百分比含量为89.9～99.998％。
进一步地，如上所述的光转换塑料薄膜，所述氮碳基转光剂的组成为C3NxHy，其中4<x≤4.01，0.00<y≤0.03。
进一步地，如上所述的光转换塑料薄膜，所述辅助剂为指白油、石蜡、聚乙二醇中的一种或几种。
进一步地，如上所述的光转换塑料薄膜，所述基体树脂材料为聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯中的一种或几种。
一种光转换塑料薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将氮碳基转光剂、辅助剂在60℃-70℃迅速搅拌1小时，混合均匀，然后迅速冷却到室温；
(2)将步骤1得到的混合物和热塑性树脂原料混合1小时，然后通过双螺杆挤出机在100℃下制备得到转光剂母料；
(3)将转光剂母料与热塑性树脂原料混合，通过单螺杆吹塑机吹塑成膜；其中，吹塑机在熔融温度为170℃-175℃、摸头温度为180℃-185℃。
有益效果：
本发明采用的氮碳基转光剂不同于以往的有机染料、无机盐和配合物转光剂，属于一类新型的转光剂。氮碳基转光剂虽然属于无机转光剂，但是不含有金属离子，不属于无机盐类。氮碳基转光剂主要是氮、碳元素，并含有少量氢元素。该类转光剂具有明显的两个优势：一是生成成本低，二是与以碳氢元素为主的有机高聚物有很好的相容性。
本发明提供的所述光转换塑料薄膜包括塑料薄膜基体材料、辅助剂以及均匀分布于所述塑料薄膜基体材料中的转光剂，其中转光剂是关键材料。
本发明在制备氮碳基转光剂过程中添加了葡萄糖、淀粉等有机固体燃料，制备的氮碳基转光剂与有机高分子具有较好的相容性。将氮碳基转光剂、辅助材料和基体材料通过双螺杆挤出机制备成氮碳基转光母料，将转光母料与基体热塑性树脂混合吹塑成膜。采用该方法制备的光转换塑料薄膜具有制备工艺简单、组分混合均匀的优点。达到地球表面的紫外线的波长范围在280-400nm，而本发明的的光转换薄膜对于260-400nm的紫外线都有很好的吸收效率。
本发明的光转换薄膜的使用，不仅能够提高塑料薄膜的使用寿命，降低紫外线对农作物的危害。而且能够将紫光线转换成400-500nm的蓝光，提高有利于植物光合作用的蓝光强度，缩短农作物的生长周期，提高农作的产量。总之，本发明的光转换塑料薄膜的原料便宜、制备工艺简单、适合工业化生产，对紫外线的有效吸收使得它特别适用于高原的棚膜。
所述转光膜的辅助剂主要是增加氮碳基转光剂与棚膜塑料相容性的助剂。
所述氮碳基转光剂的吸收在波长在260～400nm范围内的紫外线，在260～400nm紫外线激发下，发射波长在400～500nm范围的蓝光。
所述光转换塑料薄膜在太阳光照射下，可吸收太阳光中的紫外线，将紫外线转换成有利于植物生长的410～500nm的蓝光。
本发明的光转换塑料薄膜能够吸收太阳光中导致植物产生病害的紫外线，并将紫外线转换成有利于植物生长的蓝光。本发明的光转换塑料薄膜不仅具有转光剂浓度可控、分散均匀、加工方便的特点，而且具有良好的热稳定性和光稳定性。该光转换塑料薄膜的推广使用能够提高棚膜的使用寿命，提高大棚的室温，降低农作物的病害，提高农作物的产量。
附图说明
图1为实施例1所制备的氮碳基转光剂的XRD；
图2为实施例1所制备的氮碳基转光剂的紫外吸收光谱；
图3为实施列1所制备的氮碳基转光剂的发射光谱；
图4为实施例4所制备的光转换薄膜的紫外吸收光谱；
图5为实施列4所制备的光转换薄膜的激发光谱；
图6为实施列4所制备的光转换薄膜的发射光谱；
图7为实施列4所制备的光转换薄膜(图左)和普通薄膜(图右)在365nm紫外线照射下的对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施列1
称量好5.00克三聚氰胺和1.00克葡萄糖，将两者混合均匀并放入坩埚中，将坩埚放入高温管式炉里，在空气气氛下，管式炉从室温以5℃/min的升温速率升温至650℃，650℃下保温时间4到16小时，然后冷却到室温。将烧结得到的样品研磨成粉末，用去离子水洗涤三次，除去残留的杂物，在120℃下烘干2个小时，得到组成为C3N4.001H0.003的粉末状氮碳基转光剂。
针对制备的氮碳基转光剂，做了结构与性能测试。采用BrukerD2Phaser仪器测试粉末衍射图谱。采用元素分析仪测定样品的组成。采用紫外可见分光光度计，测量了样品的吸收光谱。采用安捷伦cary Eclipse荧光分光光度计测试激发和发射光谱。其中在30KV电压下采用铜靶获得的X射线衍射图谱见图1，波长为激发光谱图见图2，发射光谱图见图3。图1的X射线衍射峰表明该氮碳基转光剂的主要成分为g-C3N4；图2的吸收光谱图显示样品对260～400nm的光有强的吸收，图3发射光谱显示该荧光粉可以发射出蓝光。
实施例2
称量好5.00克氰胺和2.00克淀粉，将两者混合均匀放入坩埚中，将坩埚放入高温管式炉里，在空气气氛下，管式炉从室温以5℃/min的升温速率升温至600℃，600℃下保温时间2小时，然后冷却到室温。将烧结得到的样品研磨成粉末，用去离子水洗涤三次，除去残留的杂物，在120℃下烘干4个小时，得到组成为C3N4.005H0.015的粉末状氮碳基转光剂。
实施例3
称量好2.00克尿素、3.00克三聚氰胺、1.00克葡萄糖和1.00克淀粉，将物料混合均匀并放入坩埚中，将坩埚放入高温管式炉里，在氮气气氛下，管式炉从室温以10℃/min的升温速率升温至400℃，400℃下保温时间20小时，然后冷却到室温。将烧结得到的样品研磨成粉末，用去离子水洗涤三次，除去残留的杂物，在100℃下烘干6个小时，得到组成为C3N4.01H0.03的粉末状氮碳基转光剂。
实施例4
将50克氮碳基转光剂和50克石蜡在70℃下迅速搅拌1小时，混合均匀，然后迅速冷却到室温。将冷却后的物料与400克低密度聚乙烯加入混料机混合1小时，待混合均匀，通过挤出温度为100℃的双螺杆挤出机挤出造粒，得到均匀混有氮碳基转光剂的转光母料。
将上述100克氮碳基转光母料与1公斤聚乙烯母料通过混料机混合均匀，混合好的物料放入盛料器，通过吹塑机在熔融温度为170℃、摸头温度为180℃的条件下吹塑成膜，得到氮碳基蓝光转换塑料薄膜。
针对制备的氮碳基蓝光转换塑料薄膜，做了性能测试。图4为薄膜的紫外吸收图谱、图5为薄膜在紫外线激发下的激发图谱、图6为薄膜在紫外激发下的发射图谱、图7为薄膜在紫外线下的图片。通过图4-图7，得出的结论是：氮碳基光转换塑料薄膜能够吸收260-400nm的紫外线，并且将280-400nm的紫外线转换成400-500nm的蓝光，与未掺杂光转换剂的塑料薄膜相比，能够有效将紫外线转换成蓝光。该结论说明了氮碳基转光剂能够掺入到农膜中形成光转换塑料薄膜，该薄膜能够吸收对植物生长有害的紫外线，并将紫外线转化成有利于植物生长的蓝光。
实施例5
将5克氮碳基转光剂、25克石蜡和20克白油在60℃下迅速搅拌1小时，混合均匀，然后迅速冷却到室温。将冷却后的物料与450克低密度聚乙烯加入混料机混合1小时，待混合均匀，通过挤出温度为100℃的双螺杆挤出机挤出造粒，得到均匀混有氮碳基转光剂的转光母料。
将上述5克氮碳基转光母料与2.5公斤聚乙烯母料通过混料机混合均匀，混合好的物料放入盛料器，通过吹塑机在熔融温度为175℃、摸头温度为185℃的条件下吹塑成膜，得到氮碳基蓝光转换塑料薄膜。
实施例6
将5克氮碳基转光剂和45克石蜡在70℃熔融状态下迅速搅拌1小时，混合均匀，然后迅速冷却到室温。将冷却后的物料与450克低密度聚乙烯加入混料机混合2小时，待混合均匀，通过挤出温度为100℃的双螺杆挤出机挤出造粒，得到均匀混有氮碳基转光剂的转光母料。
将上述5克氮碳基转光母料与5公斤聚乙烯母料通过混料机混合均匀，混合好的物料放入盛料器，通过吹塑机在熔融温度为175℃、摸头温度为185℃的条件下吹塑成膜，得到氮碳基蓝光转换塑料薄膜。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种无机氮碳基转光剂的制备方法,其特征在于，包括以下步骤：
（1）将富氮化合物和含碳反应助剂混合均匀；
（2）将混合好的物料放入刚玉坩埚内，放入高温电阻炉内，在空气或者氮气气氛下进行焙烧，程序升温到400～650℃，在该温度下焙烧2～20小时，然后自然冷却到室温；
（3）将冷却后的粉体研磨，洗涤，干燥得到氮碳基转光剂；
所述富氮化合物为尿素、氰胺、二聚氰胺、三聚氰胺中的一种或多种；
所述含碳反应助剂为葡萄糖、淀粉中的一种或两种。
2.一种权利要求1所述的无机氮碳基转光剂在作为制备光转换塑料薄膜中的应用。
3.一种包含权利要求1所述无机氮碳基转光剂的光转换塑料薄膜，其特征在于，其原料包括：所述无机氮碳基转光剂、辅助剂和基体树脂材料；
所述碳基转光剂的质量百分比含量为0.001~1%；所述辅助剂的质量百分比含量为0.001~10%;所述基体树脂材料的质量百分比含量为89.9~99.998%。
4.根据权利要求3所述的光转换塑料薄膜，其特征在于，所述氮碳基转光剂的组成为C3NxHy，其中4<x≤4.01，0.00<y≤0.03。
5.根据权利要求3所述的光转换塑料薄膜，其特征在于，所述辅助剂为白油、石蜡、聚乙二醇中的一种或几种。
6.根据权利要求3所述的光转换塑料薄膜，其特征在于，所述基体树脂材料为聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯中的一种或几种。
7.一种包含权利要求1所述无机氮碳基转光剂的光转换塑料薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将氮碳基转光剂、辅助剂在60℃-70℃迅速搅拌1小时，混合均匀，然后迅速冷却到室温；
（2）将步骤1得到的混合物和热塑性树脂原料混合1小时，然后通过双螺杆挤出机在100℃下制备得到转光剂母料；
（3）将转光剂母料与热塑性树脂原料混合，通过单螺杆吹塑机吹塑成膜；其中，吹塑机在熔融温度为170℃-175℃、摸头温度为180℃-185℃。
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