一种复合结构高转光率多层聚合物转光农膜

摘要

本发明公开了一种复合结构高转光率多层聚合物转光农膜，沿阳光穿透方向依次包括增透膜单元、转光膜单元和光谱选择膜单元；增透膜单元由N层采用聚合物A制成的A光学膜层和M层采用聚合物B制成的B光学膜层交替叠加而成，N层A光学膜层的厚度按照叠加方向呈线性梯度逐层递增，M层B光学膜层的厚度沿叠加方向呈线性梯度逐层递增；光谱选择膜单元由n层采用聚合物X制成的X光学膜层和m层采用聚合物Y制成的Y光学膜层交替叠加而成；n层X光学膜层的厚度按照叠加方向呈线性梯度逐层递增，m层Y光学膜层的厚度沿叠加方向呈线性梯度逐层递增。本发明可以根据各种农作物进行针对性的生产，提高了转光农膜的光谱匹配度、转光效率以及耐候性。

说明书

技术领域

本发明涉及多层转光农膜技术领域，尤其涉及一种复合结构高转光率多层聚合物转光农膜。

背景技术

转光农膜是在农膜中引入转光剂，以改善透过农膜的光质，从而增强植物的光合作用，促进植物生长发育和养分吸收。转光膜的基本原理是体系中存在不稳定的离子或磷电子，可被紫外光或绿光的光能激发，处于高能状态，能量传给中心离子后，电子由不稳定的激发态回到稳定的基态，伴随一定波长光谱的发出，发射光的能量低于激发光的能量。

转光农膜作为一种新型覆盖材料，与其他棚膜相比，能够实现光谱转换，棚内增温/降温、保温效果好(纳米材料具有红外阻隔效应，它能把白天进入棚内的光线，在晚上以远红外线形式向外辐射时加以阻隔)、作物生化效应强，对不同作物具有早熟、高产、提高营养成分(维生素、固型物、糖份的含量都有显著增加，且农作物根系发达，茎叶茂盛)等功能。较使用普通农用膜的设施蔬菜，转光膜可增加温度3℃～50C.增产20％左右，提前7～10d上市，同时作物的品质得到了很好的改善。还可提高农作物抗病虫害的能力，减少农药的使用量。

目前市售的转光膜的光谱匹配性不高，发射光谱的珠峰需要与植物光合作用光谱不相匹配或匹配度低，且因转光剂浓度过高会影响膜的透过率，转光剂浓度一般在0.1％-0.15％，这种浓度的转光膜转光不充分，因此在浓度无法提高的前提下，通过其他手段提高转光效率成为急需解决的问题之一。此外，易老化及转光剂与功能助剂相容性问题也是转光膜改进的研究热点。

发明内容

本发明提出了一种复合结构高转光率多层聚合物转光农膜，沿阳光穿透方向依次包括增透膜单元、转光膜单元和光谱选择膜单元，本发明可以根据各种农作物进行针对性的生产，提高了转光农膜的光谱匹配度和转光效率，同时解决了转光剂和功能助剂的相容性问题，提高了转光农膜的耐候性。

本发明提出的一种复合结构高转光率多层聚合物转光农膜，沿阳光穿透方向依次包括增透膜单元、转光膜单元和光谱选择膜单元；

其中，增透膜单元由N层采用聚合物A制成的A光学膜层和M层采用聚合物B制成的B光学膜层交替叠加而成，N层A光学膜层的厚度按照叠加方向呈线性梯度逐层递增，M层B光学膜层的厚度沿叠加方向呈线性梯度逐层递增，聚合物A和聚合物B具有不同的折射率；

光谱选择膜单元由n层采用聚合物X制成的X光学膜层和m层采用聚合物Y制成的Y光学膜层交替叠加而成；n层X光学膜层的厚度按照叠加方向呈线性梯度逐层递增，m层Y光学膜层的厚度沿叠加方向呈线性梯度逐层递增，聚合物X和聚合物Y具有不同的折射率。

优选地，增透膜单元中，N层A光学膜层的厚度按照叠加方向分别定义为d₁、d₂、…d_N，且满足如下关系：

d_i＝d⁰+α(i-1)；

其中，d_i为第i层A光学膜层的厚度，d⁰为A光学膜层的初始厚度，α为N层A光学膜层厚度的线性梯度斜率，i＝1～N。

优选地，增透膜单元中，M层B光学膜层的厚度按照叠加方向分别定义为t₁、t₂、…t_M，且满足如下关系：

t_j＝t⁰+β(j-1)；

其中，t_j为第j层B光学膜层的厚度，t⁰为B光学膜层的初始厚度，β为M层B光学膜层厚度的线性梯度斜率，j＝1～M。

在具体实施例中，增透膜单元中，M、N的取值可以为M＝N或M＝N-1或M＝N+1。

优选地，光谱选择膜单元中，n层X光学膜层的厚度按照叠加方向分别定义为k₁、k₂、…k_n，且满足如下关系：

k_a＝k⁰+γ(a-1)；

其中，k_a为第a层A光学膜层的厚度，k⁰为X光学膜层的初始厚度，γ为n层X光学膜层厚度的线性梯度斜率，a＝1～n。

优选地，光谱选择膜单元中，m层Y光学膜层的厚度按照叠加方向分别定义为q₁、q₂、…q_m，且满足如下关系：

q_b＝q⁰+δ(b-1)；

其中，q_b为第b层Y光学膜层的厚度，q⁰为Y光学膜层的初始厚度，δ为m层Y光学膜层厚度的线性梯度斜率，b＝1～m。

在具体实施例中，光谱选择膜单元中，m、n的取值可以为m＝n或m＝n-1或m＝n+1。

优选地，增透膜单元中，A光学膜层和B光学膜层交替叠加方向与阳光穿透方向相同或相反。

优选地，光谱选择膜单元中，X光学膜层和Y光学膜层交替叠加方向与阳光穿透方向相同或相反。

优选地，增透膜单元中A光学膜层和B光学膜层交替叠加方向和光谱选择膜单元中X光学膜层和Y光学膜层交替叠加方向相同或相反。

优选地，聚合物A选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对萘二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯中的一种。

优选地，聚合物X选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对萘二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯中的一种。

优选地，聚合物A和聚合物X为相同的聚合物。

优选地，聚合物A和聚合物X为聚四氟乙烯。

优选地，聚合物B选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、聚碳酸酯中的一种。

优选地，聚合物Y选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、聚碳酸酯中的一种。

优选地，聚合物B和聚合物Y为相同的聚合物。

优选地，聚合物B和聚合物Y为聚甲基丙烯酸甲酯。

优选地，转光膜单元由包含转光剂的聚合物材料制成。

优选地，根据目标转光农膜的光学特性选择转光剂。

优选地，目标转光农膜的光学特性包括透射特性和反射特性。

优选地，根据转光剂的转光特性设计增透膜单元中A光学膜层膜厚、折射率、线性梯度关系和B光学膜层的膜厚、折射率、线性梯度关系，以及光谱选择膜单元中X光学膜层的膜厚、折射率、线性梯度关系和Y光学膜层的膜厚、折射率、线性梯度关系。

在具体实施例中，根据所需的目标转光农膜的光学特性选择合适的转光剂制备转光膜单元，再根据转光膜单元转化所需的光源特性设计增透膜单元的滤光特性，最后根据转光膜单元转化后的光谱特性和植物所需波段设计光谱选择膜单元的滤光特性。

优选地，转光剂的转光特性包括绿光转红光、紫外光转红光、紫外光转蓝光以及红蓝双能复合转光。

优选地，增透膜单元中可以添加功能助剂。

优选地，光谱选择膜单元可以添加功能助剂。

优选地，功能助剂包括抗氧化剂、防雾滴剂、光稳定剂中的一种或多种。

本发明制得的复合结构高转光率多层聚合物转光农膜结构如图1所示，其中，增透膜单元的作用是针对转光剂吸收波段(例如B、C波段紫外线)，反射多余紫外波段同时增加有用光的透射率；

转光膜单元的作用是将植物不需要的波段光转化成植物需要的波段；

光谱选择膜单元的作用一方面对植物所需的光波如红光、蓝光、远红光、A波段紫外光进行选择性的透射；另一方面将不断地能被转光膜单元转化但未被转化的光重新反射进入转光膜单元进行多次转化，提高转光膜单元的转化率。

在具体实施例中，复合结构高转光率多层聚合物转光农膜可以采用多层拉伸复合技术制得，且可以根据各种农作物对光谱的需求进行“菜单式”的生产，选择不同的转光剂类型，并调整增透膜单元和光谱选择膜单元的厚度、折射率和梯度关系制备不同性能的转光农膜，例如设施叶菜类专用转光剂及转光农膜、设施瓜果类专用转光剂及转光农膜、通用型纳米转光剂及转光农膜、纳米长效流滴转光农膜、纳米漫散射转光农膜、纳米遮阳降温转光农膜。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、提高了转光农膜的光谱匹配度，通过在转光膜单元两侧添加增透膜单元和光谱选择膜单元，选择性将植物所需光波进行透射并反射多余或有害光波，提高了转光农膜发射光谱的珠峰与植物光合作用光谱的匹配度，具有很好的转光效果。

2、提高了转光农膜的转光效率，光谱选择膜单元将未被转化的光波重新反射进入转光膜单元实现多次重复转化，在没有提高转光剂的浓度的前提下，提高了转光效率。

3、解决了转光剂和功能助剂的相容性问题，本发明可在增透膜单元和光谱选择膜单元添加不同的功能助剂，避免了转光剂与功能助剂之间的发生化学反应而影响转光剂和功能助剂各自的效果。

4、增透膜单元将有害或多余的光波进行反射，可有效缓解转光农膜的萤光衰减效应，提高转光农膜的耐候性。

附图说明

图1为复合结构高转光率多层聚合物转光农膜的结构示意图；

图2为实施例1中增透膜单元的滤光特性图；

图3为实施例1中光谱选择膜单元的滤光特性图。

具体实施方式

如图1所示，图1为复合结构高转光率多层聚合物转光农膜的结构示意图。

参照图1，本发明提出的一种复合结构高转光率多层聚合物转光农膜，沿阳光穿透方向依次包括增透膜单元、转光膜单元和光谱选择膜单元；

其中，增透膜单元由N层采用聚合物A制成的A光学膜层和M层采用聚合物B制成的B光学膜层交替叠加而成，N层A光学膜层的厚度按照叠加方向呈线性梯度逐层递增，M层B光学膜层的厚度沿叠加方向呈线性梯度逐层递增，聚合物A和聚合物B具有不同的折射率；

光谱选择膜单元由n层采用聚合物X制成的X光学膜层和m层采用聚合物Y制成的Y光学膜层交替叠加而成；n层X光学膜层的厚度按照叠加方向呈线性梯度逐层递增，m层Y光学膜层的厚度沿叠加方向呈线性梯度逐层递增，聚合物X和聚合物Y具有不同的折射率。

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

一种复合结构高转光率多层聚合物转光农膜，沿阳光穿透方向依次包括增透膜单元、转光膜单元和光谱选择膜单元；

其中，增透膜单元由128层由聚四氟乙烯制成的光学膜层和128层聚甲基丙烯酸甲酯制成的光学膜层交替叠加而成，其滤光特性如图2所示；

聚四氟乙烯光学膜层的厚度满足一下关系：

d_i＝27.78+0.2893(j-1)

d_i为第i层聚四氟乙烯光学膜层的厚度，i＝1～128

聚甲基丙烯酸甲酯光学膜层的厚度满足一下关系：

t_j＝25.14+0.2605(i-1)

t_j为第j层聚甲基丙烯酸甲酯光学膜层的厚度，a＝j～128

转光膜单元由用掺有纳米级转光微粒Eu-nHA的PMMA制得，PMMA中Eu-nHA的浓度为0.15wt％，Eu-nHA的吸收和发射特性如下所示：

名称吸收峰值/nm发射峰值/nm发射半波宽Eu-nHA390615-

光谱选择膜单元由128层由聚四氟乙烯制成的光学膜层和128层聚甲基丙烯酸甲酯制成的光学膜层交替叠加而成，其滤光特性如图3所示；

聚四氟乙烯光学膜层的厚度满足一下关系：

k_a＝85.39+0.2025(b-1)

k_a为第a层聚四氟乙烯光学膜层的厚度，a＝1～128

聚甲基丙烯酸甲酯光学膜层的厚度满足一下关系：

q_b＝76.86+0.1866(a-1)

q_b为第b层聚甲基丙烯酸甲酯光学膜层的厚度，b＝1～128

实施例2

一种复合结构高转光率多层聚合物转光农膜，沿阳光穿透方向依次包括增透膜单元、转光膜单元和光谱选择膜单元；

其中，增透膜单元由128层由聚四氟乙烯制成的光学膜层和128层聚甲基丙烯酸甲酯制成的光学膜层交替叠加而成；

聚四氟乙烯光学膜层的厚度满足一下关系：

d_i＝28.14+0.3616(j-1)

d_i为第i层聚四氟乙烯光学膜层的厚度，i＝1～128

聚甲基丙烯酸甲酯光学膜层的厚度满足一下关系：

t_j＝25.17+0.3256(i-1)

t_j为第j层聚甲基丙烯酸甲酯光学膜层的厚度，a＝j～128

转光膜单元由用掺有纳米级转光微粒CaS:Eu²⁺的聚甲基丙烯酸甲酯制得，聚甲基丙烯酸甲酯中CaS:Eu²⁺的浓度为0.15wt％，CaS:Eu²⁺的吸收和发射特性如下所示：

名称吸收峰值/nm发射峰值/nm发射半波宽/nmCaS:Eu²⁺54065070

光谱选择膜单元由128层由聚四氟乙烯制成的光学膜层和128层聚甲基丙烯酸甲酯制成的光学膜层交替叠加而成；

聚四氟乙烯光学膜层的厚度满足一下关系：

k_a＝85.39+0.2025(b-1)

k_a＝为第a层聚四氟乙烯光学膜层的厚度，a＝1～128

聚甲基丙烯酸甲酯光学膜层的厚度满足一下关系：

q_b＝76.86+0.1866(a-1)

q_b为第b层聚甲基丙烯酸甲酯光学膜层的厚度，b＝1～128

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。