JP2010533223A - 光活性無機添加剤およびこれを含む光転換フィルム - Google Patents
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Abstract
本発明は、下記の化合物1)および2)よりなる群から選択される少なくとも一つの光活性無機添加剤を含む光転換フィルムを提供する:
1)Y2-p-q-z(TRIII)p(TRIV)q-(TRV)zO-2S(ここで、p=0.01〜0.1、q=0〜0.001、z=0〜0.0002であり、TRIII=Eu、TRIV=PrまたはSm、TRV=PrまたはTbである。);
2)Y2-x-y(TRI)x(TRII)ySiO5(ここで、x=0.01〜0.1、y=0〜0.005であり、TRI=Ce、TRII=NdまたはTmである。)。
このフィルムを用いて、UVスペクトル領域を植物の生長に有用なスペクトル領域へ転換させることが可能である。
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2)Y2-x-y(TRI)x(TRII)ySiO5(ここで、x=0.01〜0.1、y=0〜0.005であり、TRI=Ce、TRII=NdまたはTmである。)。
このフィルムを用いて、UVスペクトル領域を植物の生長に有用なスペクトル領域へ転換させることが可能である。
Description
本発明は、光活性無機添加剤およびこれを含む光転換フィルムに係り、さらに詳しくは、光のUVスペクトル領域を植物の生長に有用なスペクトル領域へ転換させる光活性無機添加剤およびこれを含む光転換フィルムに関する。
グリーンハウス(温室)は、作物の生長期間に日較差の大きい気候を持つ地球の北半球、南半球に広く設置されている。このような好ましくない昼夜間の気温差を減らすために、植物の生長に望ましい温度と光を維持するための設備を備えた仮のまたは常設のグリーンハウスが要求されてきた。従来、光スペクトルの可視光線領域の光透過度が高い無機(ケイ酸塩ガラス)および有機(透明有機ガラス、ポリマー)物質でシートまたはロール状の包装材を作り、この包装材を用いて保温用グリーンハウスが設置されていた。
1869年、ロシア科学者K.A.Timiryazevらは、作物に到達する光スペクトルがグリーンハウス内の植物の生長速度および収穫量に大きく影響することを最初に立証した。すなわち、彼らは、590〜700nm波長帯域のオレンジ−レッド光または420〜470nm波長帯域のブルー光が植物の収穫量を大きく増加させるということを発見した。このような植物に対する光合成特性は、植物の葉緑素であるクロロフィルの光学因子と関連がある。K.A.Timiryazevらによって提案されたこの理論は、長期間、農業の基盤および応用研究に大きな影響を与えた。
そして、K.A.Timiryazevらによって提案された前記理論に基づいて、グリーンハウス内の光の強さ、光照射時間およびスペクトル属性に関する「植物照明技術」分野が創出された。また、この新規技術分野では、グリーンハウス内に特別な白熱ランプおよび発光ランプシステムが設置され、植物生長の促進に活用された。この分野の研究結果のおかげで、秋−冬−春にわたって大規模園芸作物、野菜、イチゴ、草花、キャベツなどの高い収穫量を得ることができるようになった。ところが、グリーンハウスの照明に使用される電気費用の急激な増加によって、園芸栽培費用も急増した。よって、秋−冬−春にわたって植物の生長を促進させることができるように、グリーンハウス用高分子フィルムが活用されていた。この高分子フィルムは、次の特性を持つことが要求される。
すなわち、破れ難くて強い風圧にも耐えられる機械的強度や、全可視光線領域の光スペクトルを透過させることが可能な高い光透過性、グリーンハウス内の土壌が放出する波長サイズ10〜25μmの赤外線に対する高い吸収性および再放出性、太陽光の短波長および中波長領域のUVスペクトル吸収力(これは最近の大気のオゾン層破壊により増加したUVによる植物の日焼け防止のためのものである。)などである。
ロシア特許RU2131661は、高分子フィルムと有機ガラスで形成されたグリーンハウスの光転換カバーを開示する。ところが、この光転換カバーは、グリーンハウスにおける植物の光合成因子に大きく影響を及ぼさなかった。
U.S.S.R.特許SU1780309は、1,10−フェナントロリン、2,2’−ジピリジン、4,4’−ジメチル−2,2’−ジピリジンまたはパラフィンユーロピウムナイトレート(paraffin europium nitrate)の錯化物を含有した光転換フィルムをグリーンハウス用光転換フィルムとして使用した。
ロシア特許RU2127511のグリーンハウス用光転換フィルムは、熱可塑性高分子、光安定剤、ユーロピウム化合物系無機蛍光体(phosphor)から構成されている。光安定剤としてフェノザン−23(phenozan-23)が使用され、無機蛍光体としては、1)ユーロピウムで活性化されたストロンチウムスルフィド、2)ユーロピウム、ジスプロシウム(dysprosium)および/またはテルビウムで活性化されたカルシウムスルフィド、3)ユーロピウム、ジスプロシウムおよび/またはテルビウムで活性化されたストロンチウムカルシウムスルフィドが使用された。この光転換フィルムは、光スペクトルの290〜330nmまたは400〜440nm領域のUVスペクトルを吸収し、618〜680nmで最大強度を有する580〜760nm領域のレッドスペクトルを放出する。また、この光転換フィルムは最大2時間の蛍光特性も持っている。
一方、光透過成分である熱可塑性高分子と光活性添加物から構成され、[La1-xEux]O]m(Lig)nの一般式を有する光転換フィルムも公知になっている。ここで、m=n=1の場合、Lig=F-、Cl-、Br-を示し、m=2、n=1の場合、Lig=S2-、SiO4 2-、PO4 3-を示す。この光転換フィルムは、光学活性添加剤を0.02〜5.0重量%含み、光透過高分子を残り重量%含む。ところが、この光転換フィルムは次の問題点を持つ。
第一に、フィルムの構成成分が光スペクトルのオレンジ−レッド領域でのみ2次光を放出し、ブルー領域では2次光を放出しない。これは豆科植物と農作物に悪影響を及ぼす。
第二に、無機酸硫化物系高分子組成における添加剤の含量が0.2〜0.5重量%と高い場合にのみ、放出された2次光の強度が高くなる。
この光転換フィルムは、レッド領域における光放出強度が弱くて植物の生長に殆ど影響を及ぼさなかった。これは、フィルム生産技術が足りないうえ、ユーロピウムイットリウム酸硫化物添加剤の濃度調節の最適化およびオレンジ−レッド領域における放出スペクトルの含量に対する最適化が行われていないためである。また、光合成に対する光因子効率が低いことが原因であった。そして、ユーロピウムイットリウム酸硫化物の放出スペクトルは波長サイズ585nm、616nm、および626nmの互いに異なる光ピークから構成されているが、ピーク波長の40nm間隔は光合成効率の増加に寄与しない。
本発明は、上述した従来の技術の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、光のUVスペクトル領域を植物の生長に有用なスペクトラム領域へ転換させる光活性無機添加剤およびこれを含む光転換フィルムを提供することにある。
本発明のある観点によれば、下記の化合物1)および2)よりなる群から選択される少なくとも一つを含む、光転換フィルム用光活性無機添加剤を提供する:
1)Y2-p-q-z(TRIII)p(TRIV)q(TRV)zO2S
ここで、p=0.01〜0.1、q=0〜0.001、z=0〜0.0002であり、TRIII=Eu、TRIV=PrまたはSm、TRV=PrまたはTbであり;
2)Y2-x-y(TRI)x(TRII)ySiO5
ここで、x=0.01〜0.1、y=0〜0.005であり、TRI=Ce、TRII=NdまたはTmである。
1)Y2-p-q-z(TRIII)p(TRIV)q(TRV)zO2S
ここで、p=0.01〜0.1、q=0〜0.001、z=0〜0.0002であり、TRIII=Eu、TRIV=PrまたはSm、TRV=PrまたはTbであり;
2)Y2-x-y(TRI)x(TRII)ySiO5
ここで、x=0.01〜0.1、y=0〜0.005であり、TRI=Ce、TRII=NdまたはTmである。
本発明の他の観点によれば、下記の化合物1)および2)よりなる群から選択された少なくとも一つの光活性無機添加剤を含む光転換フィルムを提供する:
1)Y2-p-q-z(TRIII)p(TRIV)q(TRV)zO2S
ここで、p=0.01〜0.1、q=0〜0.001、z=0〜0.0002であり、TRIII=Eu、TRIV=PrまたはSm、TRV=PrまたはTbであり;
2)Y2-x-y(TRI)x(TRII)ySiO5
ここで、x=0.01〜0.1、y=0〜0.005であり、TRI=Ce、TRII=NdまたはTmである。
1)Y2-p-q-z(TRIII)p(TRIV)q(TRV)zO2S
ここで、p=0.01〜0.1、q=0〜0.001、z=0〜0.0002であり、TRIII=Eu、TRIV=PrまたはSm、TRV=PrまたはTbであり;
2)Y2-x-y(TRI)x(TRII)ySiO5
ここで、x=0.01〜0.1、y=0〜0.005であり、TRI=Ce、TRII=NdまたはTmである。
前記光転換フィルムは光安定剤をさらに含むことが好ましい。
以下、本発明をより詳しく説明する。本発明は、光転換フィルムの光転換特性を改善するために使用される光活性無機添加剤を提供する。また、本発明は、前記光活性無機添加剤を含有する光転換フィルムを提供する。
本発明に係る光活性無機添加剤は、下記の化合物よりなる群から選択された少なくとも一つを含む。
1)Y2-p-q-z(TRIII)p(TRIV)q(TRV)zO2S
ここで、p=0.01〜0.1、q=0〜0.001、z=0〜0.0002であり、TRIII=Eu、TRIV=PrまたはSm、TRV=PrまたはTbである。
ここで、p=0.01〜0.1、q=0〜0.001、z=0〜0.0002であり、TRIII=Eu、TRIV=PrまたはSm、TRV=PrまたはTbである。
2)Y2-x-y(TRI)x(TRII)ySiO5
ここで、x=0.01〜0.1、y=0〜0.005であり、TRI=Ce、TRII=NdまたはTmである。
ここで、x=0.01〜0.1、y=0〜0.005であり、TRI=Ce、TRII=NdまたはTmである。
前記化合物1)で表される無機添加物は、UV領域の光を吸収して一般的な植物の生長に有用なレッド領域の光へ変換する特性に優れる。前記化合物1)は、光転換フィルムの添加剤として、光転換フィルムの重量に対し0.0001〜0.02重量%含有されるように添加されることがよい。
また、前記化合物2)で表される無機添加物は、UV領域の光を吸収して特に豆科植物および農作物に有用なレッド領域の光へ変換する特性に優れる。前記化合物2)は、光転換フィルムの添加剤として、好ましくは光転換フィルムの重量に対し0.0001〜0.005重量%含有されるように添加されることがよい。
前記化合物1)と2)は、光転換フィルムをなす高分子材料にそれぞれ単独で添加してもよく、この2種の物質を混合して添加してもよいが、好ましくは前記2種の化合物を全て添加することがよい。この場合、化合物1)および化合物2)の添加比率は1:1〜3:1の範囲で調節されるようにすることが好ましい。
また、本発明に係る光転換フィルムの光安定性を増加させるための目的で、所定の光安定剤を添加することができる。このような光安定剤の代表的な例としては、t−アミノスクシネート(t-amino succinate)を挙げることができる。前記光安定剤を添加する場合、その含量は、好ましくは無機添加剤と1:1〜1:3となるようにし、より好ましくは1:1.2〜1:1.5の比となるようにする。
本発明に係る光転換フィルムに使用可能な熱可塑性高分子としては、特に限定されないが、例えばポリエチレン、ポリ塩化ビニール、EVA、ポリカーボネートガラスなどを挙げることができる。
本発明に係る光転換フィルムを対象としてUV光透過実験を行った結果、本発明の光転換フィルムはUV領域の光を透過させないことが確認された。しかも、前記化合物1)および2)で表される無機添加剤を共に光転換フィルムに添加した場合、人工UV光または自然UV光を問わずにブルー−オレンジ−レッド光を放出することが確認された。スペクトルのブルー、オレンジ、レッド領域における光子エネルギーの量(強度)は、前記化合物1)および2)で表される無機添加剤の比(量)と、フィルムに対する前記添加剤の重量比に依存する。ところが、光輻射強度は添加剤の量に応じて直線的に変化せず、ブルー−オレンジ−レッドの各領域における光輻射強度も非線形的に変化する。言い換えれば、添加剤の量に比例して光転換が起るのではなく、光転換量が非線形的に増加することを意味している。すなわち、光転換フィルムの添加物組成において、化合物2)の無機添加剤の比(量)を前記提示されたフィルムの重量に対し0.0001〜0.005重量%より50%まで増加させても、425nmブルー光の強度は僅か20%増加する。
下記の実施例では、光スペクトルのブルーまたはレッド領域の光の放出強度に対する添加剤含量の依存性を測定したうえ、多様な作物実験を行った。
以下、下記の実施例によって本発明を詳細に説明する。ところが、下記実施例は本発明の内容をより容易に理解させるために提示するものに過ぎず、本発明の権利範囲を限定するものではない。
実施例1
青色蛍光体(blue phosphor)としてはY1.95Ce0.05SiO5を使用し、赤色蛍光体としてはY1.95Eu0.05O2Sを使用した。
青色蛍光体(blue phosphor)としてはY1.95Ce0.05SiO5を使用し、赤色蛍光体としてはY1.95Eu0.05O2Sを使用した。
1000kgのフィルムを製造するために、0.5kgの青色蛍光体と2.0kgの赤色蛍光体を使用した。まず、2つの蛍光体を熱安定剤および酸化防止剤としてのIRGANOX1010(スイス、チバガイギーAG社製)0.5kgおよびヒンダードアミン系光安定剤(Hindered Amine Light Stabilizer)としてのTINUVIN622(スイス、チバガイギーAG社製)3kgと共に、既に20kgの低密度ポリエチレンが入っている100℃まで加熱された回転式ミキサーに入れて1時間混合した。この混合物を水平型押出機(horizontal extruder)に移し、出力プレートの温度を150℃に維持した。
完全な溶融状態となったとき、細長いロッド状に混合物の射出を開始し、冷却水を用いて冷やした後、4〜8mmの顆粒状に切断した。
これをマスターバッチといい、UV光に対する輝度は標準試料の輝度より高かった。標準試料の輝度(L)の値を100%としたとき、このマスターバッチの輝度は120%であった。よって、UV光が除去され、ブルー−オレンジ−レッド領域における輻射強度が増加したことが分かった。
次に、ツインヘッド型押出機を用いて2層フィルムを製造した。総マスターバッチ投入量のうち、フィルムの内層に35%のマスターバッチを使用し、外層には65%のマスターバッチを使用し、フィルムの主材料として低密度ポリエチレンを使用した。製造されたフィルムの厚さは120μmであり、フィルムの幅は10mであった。前記フィルムの光透過性は約91%であり、その引張強度は約130kgf/cm2であった。
実施例2
青色蛍光体としてのY1.95Ce0.05SiO50.25gと標準青色蛍光体としてのBa0.9MgEu0.1Al10O17(BMA)0.25gとを混合して使用した。ここに、赤色蛍光体としては実施例1と同様にY1.95Eu0.05O2Sを1.5kg使用した。熱安定剤および酸化防止剤としてのIRGANOX1010(スイス、チバガイギーAG社製品)および光安定剤としてのTINUVIN622(スイス、チバガイギーAG社製)をそれぞれ1kgおよび3kg使用し、低密度ポリエチレンの代わりに、低密度ポリエチレンとエチレン酢酸ビニルを4:1の比で混合した混合物の20kgを使用した。マスターバッチを製造するための混合は、実施例1と同様であった。但し、水平型押出機の出力プレートの温度を160℃に維持して細長いロッド状に混合物の射出を開始し、冷却水を用いて冷やした後、4〜8mmの顆粒状に切断した。
青色蛍光体としてのY1.95Ce0.05SiO50.25gと標準青色蛍光体としてのBa0.9MgEu0.1Al10O17(BMA)0.25gとを混合して使用した。ここに、赤色蛍光体としては実施例1と同様にY1.95Eu0.05O2Sを1.5kg使用した。熱安定剤および酸化防止剤としてのIRGANOX1010(スイス、チバガイギーAG社製品)および光安定剤としてのTINUVIN622(スイス、チバガイギーAG社製)をそれぞれ1kgおよび3kg使用し、低密度ポリエチレンの代わりに、低密度ポリエチレンとエチレン酢酸ビニルを4:1の比で混合した混合物の20kgを使用した。マスターバッチを製造するための混合は、実施例1と同様であった。但し、水平型押出機の出力プレートの温度を160℃に維持して細長いロッド状に混合物の射出を開始し、冷却水を用いて冷やした後、4〜8mmの顆粒状に切断した。
その次に、厚さ160〜180μmの3層フィルムを製造した。総マスターバッチ投入量のうち、フィルムの内層には15%のマスターバッチを使用し、中間層には35%のマスターバッチを使用し、外層には50%のマスターバッチを使用し、残りはフィルムの主材料である低密度ポリエチレンを使用した。
また、内層が曇ることを回避するために、すなわち霧滴の形成を防ぐために、内層には防霧滴剤としてフッ素化低密度ポリエチレンを添加した。
この3層フィルムの引張強度は約200kgf/cm2と非常に高い値を示し、この強度ではスノースリップまたは強い冬風に耐えることができることが分かった。
作物実験
実験方法は、密閉したビニールハウス内の植物の炭素同化作用による炭酸ガスの減少率を測定する既存のグリーンハウス実験に使用される方法と同様である。実験結果より、純粋なポリエチレンフィルムで製造したグリーンハウスと比較したとき、本発明に係るフィルムで製造したグリーンハウスは、植物の生長速度が増加(作物によって異なるが、トマトおよび唐辛子の場合には1週間)し、或いは完熟時期が加速化(トマトの場合には1週間)されるものと確認された。
実験方法は、密閉したビニールハウス内の植物の炭素同化作用による炭酸ガスの減少率を測定する既存のグリーンハウス実験に使用される方法と同様である。実験結果より、純粋なポリエチレンフィルムで製造したグリーンハウスと比較したとき、本発明に係るフィルムで製造したグリーンハウスは、植物の生長速度が増加(作物によって異なるが、トマトおよび唐辛子の場合には1週間)し、或いは完熟時期が加速化(トマトの場合には1週間)されるものと確認された。
以上説明した実施例は説明の目的で提示されたものに過ぎず、本発明を限定するものではない。当業者であれば、請求の範囲によって定められる本発明の範囲から逸脱することなく様々な変形または変更を加え得ることを理解するであろう。
本発明によれば、光のUVスペクトル領域を植物の生長に有用なスペクトル領域へ効率よく転換させることが可能である。本発明に係る光活性無機添加剤を含有した光転換フィルムは、薄い厚さにも拘らず、厚い有機ガラスと対等な程度の短波長吸収率を持つ。本発明に係るフィルムの再放出時の光子収量は、0.75〜0.9と高い。放出スペクトルの明るさは、波長が同じ光スペクトルの明るさを超え、それによって、ティミリヤゼフスペクトル(Timiryazev spectrum)効果を発揮する。また、本発明の光転換フィルムは、長波長の赤外線をグリーンハウスで散乱または反射させてグリーンハウスの土壌温度を増加させる。
Claims (6)
- 下記の化合物1)および2)よりなる群から選択される少なくとも一つを含む、光転換フィルム用光活性無機添加剤:
1)Y2-p-q-z(TRIII)p(TRIV)q(TRV)zO2S
ここで、p=0.01〜0.1、q=0〜0.001、z=0〜0.0002であり、TRIII=Eu、TRIV=PrまたはSm、TRV=PrまたはTbであり;
2)Y2-x-y(TRI)x(TRII)ySiO5
ここで、x=0.01〜0.1、y=0〜0.005であり、TRI=Ce、TRII=NdまたはTmである。 - 下記の化合物1)および2)よりなる群から選択された少なくとも一つの光活性無機添加剤を含む光転換フィルム:
1)Y2-p-q-z(TRIII)p(TRIV)q(TRV)zO2S
ここで、p=0.01〜0.1、q=0〜0.001、z=0〜0.0002であり、TRIII=Eu、TRIV=PrまたはSm、TRV=PrまたはTbであり;
2)Y2-x-y(TRI)x(TRII)ySiO5
ここで、x=0.01〜0.1、y=0〜0.005であり、TRI=Ce、TRII=NdまたはTmである。 - ヒンダードアミン系光安定剤をさらに含むことを特徴とする、請求項2に記載の光転換フィルム。
- 前記化合物1)は、前記光転換フィルムの重量に対し、0.0001〜0.02重量%含有することを特徴とする、請求項2に記載の光転換フィルム。
- 前記化合物2)は、前記光転換フィルムの重量に対し、0.0001〜0.005重量%含有することを特徴とする、請求項2に記載の光転換フィルム。
- 前記化合物1)と2)の組成比は、1:1〜3:1であることを特徴とする、請求項2に記載の光転換フィルム。
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