CN114603956A - 一种复合转光膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合转光膜，包括若干层高分子薄膜，其中中间层为光转换膜层，其他层为透光或保护功能的高分子薄膜；所述光转换膜层由量子点、助剂与高分子基膜材料组成。本发明增强大棚中高波段的光谱成分，有利于植物的更快的生长，同时提升果实的品质和口感，从而达到绿色和智慧农业目的。

Description

一种复合转光膜及其制备方法
技术领域
本发明属于无机荧光材料及高分子农膜结合的技术领域，具体涉及一种复合转光膜及其制备方法。
背景技术
中国农业目前大量使用农药或化肥等农资产品，一方面是高投入和利用率低，另一方面会导致土壤退化和生态环境破坏等等问题。因此未来农业的发展要走创新之路，采用新的技术来提升品质，又要保护环境，走可持续发展之路。通过研究发现特定波段的光对植物的生长有促进作用，可以缩短生长周期，提升果实品质，同时对某些病虫害有抑制作用，减少农药的使用量。
太阳光是植物进行光合作用的能量来源，但是太阳光本身是由连续波段的光谱组成，而且不同波段的能量也不一样。而作物对于不同波段的光，它的利用效率和效果也是不一样的，特殊波段的光能不仅可以调控作物的生长周期，而且也可以调整营养成分。对植物的光合作用最为重要的是太阳光中的红光(600～700nm)，其次才是蓝光(440～500nm)；紫外波段的光(200～430nm)反而容易促进枝干老化和病菌繁殖，对植物的生长有不良影响；其余一部分光则作用不大。
转光功能农膜做为一种高档复合功能的农用薄膜，通过在膜材当中加入量子点光转换材料，可以改善透过温室棚膜的光组成，增加对农作物有利的光谱，减少不利于农作物的光谱，使其有益于植物进行光合作用，这种同时具有增产功能薄膜对推进农业现代化建设具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种复合转光膜及其制备方法，增强大棚中高波段的光谱成分例如640nm的红光，有利于植物的更快的生长，同时提升果实的品质和口感，从而达到绿色和智慧农业目的。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种复合转光膜，包括若干层高分子薄膜，其中间层为光转换膜层，其他层为透光或保护功能的高分子薄膜；所述光转换膜层由量子点、助剂与高分子基膜材料组成。
进一步的，所述高分子基膜材料为低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、乙烯-醋酸乙烯树脂和聚氯乙烯中的至少一种中的一种或几种。
进一步的，所述量子点为钙钛矿量子点、元素周期表II-VI族、III-V族、IV-VI族、或IV族半导体化合物制得的量子点或其对应的核壳结构量子点中的一种或几种。
进一步的，所述量子点在成膜材料中的浓度为0.01～5%。
进一步的，所述助剂为乙烯基双硬脂酰胺、硬脂酸锌、硬脂酸季戊四醇酯、聚乙二醇、金属氧化物、钛酸酯偶联剂和铝酸酯偶联剂等中的至少一种。
进一步的，所述量子点光转换中间膜层两侧含有一层或多层高透光性的保护层或封装层。
进一步的，所述保护层或封装层含有有机和/或无机材料的一种或几种。
一种复合转光膜的制备方法，包括以下步骤：
1）将量子点、助剂1和高分子材料混合，通过造粒工艺制备得到量子点色母粒；
2）将量子点色母粒、助剂2和成膜高分子材料混合均匀后，通过吹膜工艺制得中间光转换膜；
3）将助剂3和成膜高分子材料混合均匀后，与步骤2的材料同时通过多喷头吹膜得到其他层；
4) 多喷头吹膜的时候，步骤2的材料处在最中间喷头来吹膜。
进一步的，所述助剂1、助剂2和助剂3分别为抗紫外剂、光扩散剂和抗氧剂。
进一步的，所述光膜层数为3、5、7或9层。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明采用的量子点转光剂是结晶性离子型化合物，不仅具有优异的发光特性，非有机染料型，化学性质稳定；转光膜在500～700nm之间存在高效激发，可以将紫外光和一部分蓝光转换成对植物生长有用的红、绿光，提高光能利用率；
2、本发明通过对量子点转光剂进行预分散制备色母粒，再用于制备具有转光功能的农膜，来提高纳米材料在薄膜基体中的分散性，减少了对转光剂再处理的步骤
3、本发明膜是由多层结构组成，量子点材料在中间层，外部膜材可充分保护它，减少水氧对材料的侵蚀，提升了材料的稳定性，延长了膜材的使用寿命。
附图说明
图1是本发明实施例5制得的红色转光膜吸收和发射光谱图；
图2是本发明实施例6制得的绿色转光膜吸收和发射光谱图；
图3是本发明实施例5制得的新型红色转光膜的转光效果图，其中虚线框里面表示红色光谱被增强的区域；
图4是本发明实施例6制得的新型绿色转光膜的转光效果图，其中虚线框里面表示绿色光谱被增强的区域。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种复合转光膜，包括若干层高分子薄膜，其中中间层为光转换膜层，其他层为透光或保护功能的高分子薄膜；所述光转换膜层由量子点、助剂与高分子基膜材料组成。其制备方法，包括以下步骤：
1）将量子点、助剂1和高分子材料混合，通过造粒工艺制备得到量子点色母粒；
2）将量子点色母粒、助剂2和成膜高分子材料混合均匀后，通过吹膜工艺制得中间光转换膜；
3）将助剂3和成膜高分子材料混合均匀后，与步骤2的材料同时通过多喷头吹膜得到其他层；
4) 多喷头吹膜的时候，步骤2的材料处在最中间喷头来吹膜。
其中助剂1、助剂2和助剂3分别为抗紫外剂、光扩散剂和抗氧剂。
实施例1： 一种量子点红色母粒的制备方法
量子点红色母粒的制备步骤如下：
按5-10%质量百分比将红色CdSe类量子点材料（举例样品其发射波长为640nm）、1-3%质量浓度的有机硅微球光扩散剂和聚乙烯（PE）混合均匀后，加入挤出机进料漏斗，在160℃的操作温度、经转速为500r/min 的双螺杆挤出机挤出，风冷造粒，制备即得改性量子点色母粒样品。
其中CdSe类型量子点，可以换成InP、CuInS2或是其他类型的量子点材料，质量浓度和加工温度略有区别，材料的发光波长可以根据需要做调整。
实施例2： 一种量子点绿色母粒的制备方法
量子点绿色母粒的制备步骤如下：
按5-10%质量百分比将绿色CdSe类量子点材料（举例样品其发射波长为540nm）、1-3%质量浓度的聚苯乙烯微球光扩散剂和聚乙烯（PE）混合均匀后，加入挤出机进料漏斗，在160℃的操作温度、经转速为500r/min 的双螺杆挤出机挤出，风冷造粒，制备即得改性量子点色母粒样品。
其中CdSe类型量子点，也可以换成InP、CuInS2或是其他类型的量子点材料，质量浓度和加工温度略有区别，材料的发光波长可以根据需要做调整。
实施例3： 一种量子点红色母粒的制备方法
量子点红色母粒的制备步骤如下：
按5-10%质量百分比将红色InP类量子点材料（举例样品其发射波长为620nm）、1-3%质量浓度的光扩散剂和聚丙烯（PP）混合均匀后，加入挤出机进料漏斗，在215℃左右的温度进行加工。本发明未提及的技术均为现有技术。的操作温度、经转速为300-500r/min 的双螺杆挤出机挤出，风冷造粒，制备即得改性量子点色母粒样品。
其中InP类型量子点，也可以换成CdSe、CuInS2或钙钛矿其他类型的量子点材料，质量浓度和加工温度略有区别，材料的发光波长可以根据需要做调整。
实施例4： 一种量子点绿色母粒的制备方法
量子点红色母粒的制备步骤如下：按5-10%质量百分比将绿色钙钛矿类量子点材料（举例样品其发射波长为520nm）、1-3%质量浓度的光扩散剂和聚氯乙烯（PVC）混合均匀后，加入挤出机进料漏斗，在130-160℃的操作温度、经转速为300-500r/min 的双螺杆挤出机挤出，风冷造粒，制备即得改性量子点色母粒样品。
其中钙钛矿类型量子点，也可以换成CdSe、InP、CuInS2或是其他类型的量子点材料，质量浓度和加工温度略有区别，材料的发光波长可以根据需要做调整。
实施例5：红色量子点转光功能农膜的制备
取10Kg本发明前述实施例1中制备的红光转光色母粒、抗紫外剂（质量浓度1-5%）、聚乙烯100Kg和乙烯基双硬脂酰胺5Kg，将上述材料依序投加到高速混合机。用高速混合机搅拌，其中搅拌速度为1200r/min， 搅拌时间为1h，待搅拌均匀后，加入吹膜机料槽中等待吹膜。
取聚乙烯400Kg和抗氧剂（质量浓度1-5%），用高速混合机混合均匀后加入吹膜机中等待吹膜。中间的膜头吹带有量子点的膜，两边的膜头分别吹空白的聚乙烯膜，形成类似于三明治结构的叠层膜，上下两边的膜起到保护中间量子点色转换核心层的作用。
其中，吹膜机熔融温度为160-180℃，模头温度为160℃。通过调整每个喷头吹膜的厚度，最终可以得到三层结构的薄膜厚度为90微米；也可以吹出五层结构的薄膜，整体厚度为150微米左右。根据需要，也可以吹出更多层结构的农膜；也可以根据实际需要，调整单膜厚度，最终得到膜厚在90-200微米之间的转光农膜。
根据膜厚和农作物特定需要，可以调整红色母粒的用量，来调整整个农膜里面红色量子点的浓度，来调整太阳光里面可以转换的紫外和蓝光的能量。
实施例6：绿色量子点转光功能农膜的制备
取10Kg本发明前述实施例2中制备的绿光转光色母粒、抗紫外剂（质量浓度1-5%）、聚乙烯100Kg和 5Kg亚磷酸类酯的抗氧剂，将上述材料依序投加到高速混合机。用高速混合机搅拌，其中搅拌速度为1200r/min， 搅拌时间为1h，待搅拌均匀后，加入吹膜机料槽中等待吹膜。
取聚乙烯400Kg和抗氧剂（质量浓度1-5%），用高速混合机混合均匀后加入吹膜机中等待吹膜。中间的膜头吹带有量子点的膜，两边的膜头分别吹空白的聚乙烯膜，形成类似于三明治结构的叠层膜，上下两边的膜起到保护中间量子点色转换核心层的作用。
其中，吹膜机熔融温度为160-180℃，模头温度为160℃。通过调整每个喷头吹膜的厚度，最终可以得到三层结构的薄膜厚度为90微米；也可以吹出五层结构的薄膜，整体厚度为150微米左右。根据需要，也可以吹出更多层结构的农膜；也可以根据实际需要，调整单膜厚度，最终得到膜厚在90-200微米之间的转光农膜。
根据膜厚和农作物特定需要，可以调整绿色母粒的用量，来调整整个农膜里面绿色量子点的浓度，来调整太阳光里面可以转换的紫外和蓝光的能量。
实施例7：红色量子点转光功能农膜的制备
取10Kg本发明前述实施例3中制备的红光转光色母粒、抗紫外剂（质量浓度1-5%）、聚丙烯100Kg和硬酯酸锌6Kg，将上述材料依序投加到高速混合机。用高速混合机搅拌，其中搅拌速度为1200r/min， 搅拌时间为1h，待搅拌均匀后，加入吹膜机料槽中等待吹膜。
取聚丙烯400Kg和抗氧剂（质量浓度1-5%），用高速混合机混合均匀后加入吹膜机中等待吹膜。中间的膜头吹带有量子点的膜，两边的膜头分别吹空白的聚乙烯膜，形成类似于三明治结构的叠层膜，上下两边的膜起到保护中间量子点色转换核心层的作用。
其中，吹膜机熔融温度为180-200℃，模头温度为180℃。通过调整每个喷头吹膜的厚度，最终可以得到三层结构的薄膜厚度为90微米；也可以吹出五层结构的薄膜，整体厚度为150微米左右。根据需要，也可以吹出更多层结构的农膜；也可以根据实际需要，调整单膜厚度，最终得到膜厚在90-200微米之间的转光农膜。
根据膜厚和农作物特定需要，可以调整红色母粒的用量，来调整整个农膜里面红色量子点的浓度，来调整太阳光里面可以转换的紫外和蓝光的能量。
实施例8：绿色量子点转光功能农膜的制备
取10Kg本发明前述实施例1中制备的绿光转光色母粒、抗紫外剂（质量浓度1-5%）、聚氯乙烯100Kg和硬脂酸季戊四醇酯3Kg，将上述材料依序投加到高速混合机。用高速混合机搅拌，其中搅拌速度为1200r/min， 搅拌时间为1h，待搅拌均匀后，加入吹膜机料槽中等待吹膜。
取聚氯乙烯400Kg和抗氧剂（质量浓度1-5%），用高速混合机混合均匀后加入吹膜机中等待吹膜。中间的膜头吹带有量子点的膜，两边的膜头分别吹空白的聚乙烯膜，形成类似于三明治结构的叠层膜，上下两边的膜起到保护中间量子点色转换核心层的作用。
其中，吹膜机熔融温度为140-160℃，模头温度为160℃。通过调整每个喷头吹膜的厚度，最终可以得到三层结构的薄膜厚度为90微米；也可以吹出五层结构的薄膜，整体厚度为150微米左右。根据需要，也可以吹出更多层结构的农膜；也可以根据实际需要，调整单膜厚度，最终得到膜厚在90-200微米之间的转光农膜。
根据膜厚和农作物特定需要，可以调整绿色母粒的用量，来调整整个农膜里面绿色量子点的浓度，来调整太阳光里面可以转换的紫外和蓝光的能量。
图3为实施例5所制备的功能农膜的透光谱图。由图可以看出模拟 太阳光源透过转光功能农膜后，在红光区域(600～800nm)的光谱强度明显比普通不添加红光转光剂的空白膜要强许多，由此结果可以知道功能农膜中的红光转光剂吸收近紫外和蓝光成分，并将其转化为植物所需要的红光成分。
图4为实施例6所制备的功能农膜的透光谱图。由图可以看出模拟 太阳光源透过转光功能农膜后，在绿光区域(520～580nm)的光谱强度明显比普通不添加绿光转光剂的空白膜要强许多，由此结果可以知道功能农膜中的绿光转光剂吸收近紫外和蓝光成分，并将其转化为植物所需要的绿光成分。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种复合转光膜，其特征在于，包括若干层高分子吹塑制得的薄膜，其中中间层为光转换膜层，其他层为透光或保护功能的高分子薄膜；所述光转换膜层由量子点色母粒、助剂与高分子基膜材料采用吹塑薄膜的方式制得。
2.根据权利要求1所述的一种复合转光膜，其特征在于，所述高分子基膜材料为低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、乙烯-醋酸乙烯树脂和聚氯乙烯中的至少一种中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种复合转光膜，其特征在于，所述量子点为钙钛矿量子点、元素周期表II-VI族、III-V族、IV-VI族、或IV族半导体化合物制得的量子点或其对应的核壳结构量子点中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种复合转光膜，其特征在于，所述量子点在成膜材料中的浓度为0.01～5%。
5.根据权利要求1所述的一种复合转光膜，其特征在于，所述助剂为乙烯基双硬脂酰胺、硬脂酸锌、硬脂酸季戊四醇酯、聚乙二醇、金属氧化物、钛酸酯偶联剂和铝酸酯偶联剂等中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种复合转光膜，其特征在于，所述量子点光转换中间膜层两侧含有一层或多层高透光性的保护层或封装层。
7.根据权利要求7所述的一种复合转光膜，其特征在于，所述保护层或封装层含有有机和/或无机材料的一种或几种。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种复合转光膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将量子点、助剂1和高分子材料混合，通过造粒工艺制备得到量子点色母粒；
2）将量子点色母粒、助剂2和成膜高分子材料混合均匀后，通过吹膜工艺制得中间光转换膜；
3）将助剂3和成膜高分子材料混合均匀后，与步骤2的材料同时通过多喷头吹膜得到其他层；
4) 多喷头吹膜的时候，步骤2的材料处在最中间喷头来吹膜。
9.根据权利要求8所述的一种复合转光膜的制备方法，其特征在于，所述助剂1、助剂2和助剂3分别为抗紫外剂、光扩散剂和抗氧剂。
10.根据权利要求8所述的一种复合转光膜的制备方法，其特征在于，所述所述光膜层数为3、5、7或9层。
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