一种能促进植物生长的光转化膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于固体发光材料
技术领域
，具体涉及一种能促进植物生长的光转化膜及其制备方法和应用。背景技术
植物在生长和果实成熟的过程中需要光提供能量，因此光的调节是调控植物生长的重要手段之一。植物对光的吸收主要是通过叶绿素和光敏色素进行，叶绿素吸收的光主要是蓝光区域(400nm～500nm)和红光区域(600nm～700nm)的光，光敏色素吸收红光及深红(650nm～750nm)区域的光，分别对应于植物的光向性、光合作用和光形态发生。其中对植物生长最重要的是位于红光区域的光，因为红光会使植物的发育显著加速，促进干物质的积累，鳞茎、块根、叶球以及其他植物器官的形成，引起植物较早开花、结实，在植物增色中起着主导作用，而位于这个范围外的光则很少被吸收，对植物光合作用的贡献很少。因此，实际上植物的生长过程对太阳光的利用率很低，因而设法提高植物的光能利用率可以大大提高植物的生长速度和产量。
为了更好地促进经济作物的生长，一种以LED为发光体的LED植物灯应运而生。但LED植物灯有许多缺点：目前市面上的LED植物灯的发射光谱曲线与植物光合作用吸收的光谱曲线差异较大，光源能量利用率不高；并且，LED芯片价格高，在使用过程中还需要消耗大量电力资源，增加了种植成本。因此，虽然LED植物生长灯可以提高农作物产量，但不适用于培育一些低经济作物，适用性较低。
目前常用的另一种将太阳光转化为红光来促进植物生长的方法是用含有杂环化合物的乙烯薄膜之类的有机红色发光材料将植物覆盖，就像传统的植物乙烯基的房子。然而，太阳光中存在紫外光，紫外光对膜有伤害，从而使得膜黄变和崩解；并且该有机红色发光材料在太阳下稳定性较低，发射的红光会在3个月内出现衰减，不能满足植物的生长需求。因此，设计一种价格低廉且能够提高植物对太阳辐射能利用率的新型光转化膜对于提高植物的生长速度和产量方面具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的缺陷，提供了一种利用Rb0.2K1.8CaPO4F:Eu荧光粉和PDMS作为原料制备光转化膜的制备方法，该工艺方法技术简单，无任何有害物质产生，绿色环保，显著降低了生产成本，同时利用该方法制备的光转化膜补光能力强，效率高，更有利于促进植物的生长发育，具有良好的经济效益。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种能促进植物生长的光转化膜，所述光转化膜由具有Pnma结构的荧光粉和折射率为1.4～1.6的聚合物按质量比1:9～2:3混合烘干制备而成，所述具有Pnma结构的荧光粉为Rb0.2K1.8CaPO4F:Eu。
所述荧光粉由具有Pnma结构的Eu掺杂于Rb0.2K1.8CaPO4F制备而成。
所述聚合物为PDMS或聚碳酸酯。
所述光转化膜的制备方法，包括荧光粉的制备和荧光粉光转化膜的制备，具体按以下步骤进行：
1)按Rb0.2K1.8Ca0.98PO4F:0.02Eu化学表达式中各化学组成的化学计量比分别称取以下原料：
铷化合物：采用碳酸铷(Rb2CO3)、含铷的氢氧化物、含铷的硝酸盐、含铷的碳酸盐、含铷的硫酸盐或含铷的磷酸盐；
钾化合物：采用碳酸钾(K2CO3)、含钾的氢氧化物、含钾的硝酸盐、含钾的硫酸盐或含钾的磷酸盐；
钙化合物：采用碳酸钙(CaCO3)、含钙的氢氧化物、含钙的硝酸盐、含钙的硫酸盐或含钙的磷酸盐；
磷化合物：采用磷酸二氢胺(NH4H2PO4)或含磷的氢氧化物；
氟化合物：采用氟化钾(KF)、含氟的氢氧化物、含铬的硝酸盐、含铬的碳酸盐、含铬的硫酸盐或含铬的磷酸盐；
铕化合物：采用氧化铕(Eu2O3)、含铕的氢氧化物、含铕的硝酸盐、含铕的碳酸盐、含铕的硫酸盐或含铕的磷酸盐；
将上述所取各原料组分混合研磨至微米级，制得混合原料粉末；
2)将步骤1)得到的混合原料粉末置于温度为850℃的还原气氛中煅烧4小时；将煅烧后的原料粉末随炉冷却至室温，得到含Eu2+的Pnma结构的荧光粉；
3)按质量比1:9将聚合物和固化剂混合，将步骤2)中得到的荧光粉和混合的聚合物按质量比1:9～2:3进行混合，将混合后的荧光粉和聚合物在真空脱泡机中搅拌2.5分钟，搅拌均匀后，置入烘箱内烘干，并按现有制膜工艺制出光转化膜。
所述步骤2)中的还原气氛采用气体为：氨气(NH3)、或是按体积百分比由5～25％的氢气(H2)和95～75％的氮气(N2)组成的混合气体、或是按体积百分比由5～25％的一氧化碳(CO)和95～75％的氮气(N2)组成的混合气体。
所述光转化膜在促进作物生长过程中的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)该工艺方法技术简单，得到的膜中的荧光粉分布均匀，设备操作简单，无任何有害物质产生，绿色环保，显著降低了生产成本；
2)利用该方法制备的光转化膜补光能力强，效率高，发射光谱范围为400～850nm，光谱覆盖区域广，更有利于促进植物的生长发育，具有良好的经济效益。
附图说明
图1是实施例1制得的Rb0.2K1.8CaPO4F:Eu荧光粉的xrd图与标准卡片的对照图。
图2是实施例1制得的Rb0.2K1.8CaPO4F:Eu荧光粉的激发和发射光谱图。
图3是实施例2制得的Rb0.2K1.8CaPO4F:Eu荧光粉与PDMS胶制作的光转化膜与荧光粉的发射光谱对照图。
图4是实施例3制得的Rb0.2K1.8CaPO4F:Eu荧光粉与PDMS胶制作的光转化膜与荧光粉的发射光谱对照图。
图5是实施例4制得的Rb0.2K1.8CaPO4F:Eu荧光粉与PDMS胶制作的光转化膜与荧光粉的发射光谱对照图。
图6是实施例5制得的Rb0.2K1.8CaPO4F:Eu荧光粉与PDMS胶制作的光转化膜与荧光粉的发射光谱对照图。
图7是用植物和太阳的位置关系来设置光转化膜的示意图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例和附图来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
为了更好地理解本发明的实质性内容，进行以下说明：
本发明是将太阳光转换成红色光的荧光粉光转化膜，它由聚合物和分散在聚合物中的荧光粉组成。到目前为止，氮化物如CaAlSiN3:Eu已被用于植物生长。当氮化硅荧光粉粉吸收太阳光线产生红光，红光无法轻易脱离粉末的表面，因为在红光从粉末内部进入空气中会发生全反射。在氮化物荧光粉的情况下，超过1/3的光不能进入粒子外。经过我们的研究，发明了一种光学性能优越的聚合物，如PDMS胶与Rb0.2K1.8CaPO4F:Eu荧光粉的组合，当Rb0.2K1.8CaPO4F:Eu(n＝1.47)分散在PDMS(n＝1.41)中时这两种物质折射率n几乎相差不大。因此混合以后，全反射发生比较小。
由具有Pnma结构的Eu掺杂于磷酸盐制备而成的Rb0.2K1.8CaPO4F:Eu荧光粉能够将太阳光转化为明亮的红光,其中发射光谱范围为(400～850nm)。
如图7所示，用植物和太阳的位置关系在植物两侧设置薄膜或平板，解决了现有从植物上方用薄膜覆盖植物时，会导致薄膜发出红光出现反射损失的问题。相比之下，采用在植物两侧设置薄膜或平板的方式是几乎所有从平板两侧发出的深红色光线都可以射向植物，从而加速植物的生长。
本发明提供了一种能促进植物生长的光转化膜，所述光转化膜由PDMS胶以及Rb0.2K1.8CaPO4F:Eu荧光粉合成。
所述Rb0.2K1.8CaPO4F:Eu荧光粉按化学表达式合成，在合成光转化膜的过程中PDMS胶的含量分别为90％，80％，70％和60％。
所述PDMS胶可采用聚碳酸酯聚合物进行替换。
所述光转化膜的制备方法，具体按以下步骤进行：
步骤1:按Rb0.2K1.8CaPO4F:Eu化学表达式中各化学组成的化学计量比分别称取化学式中各自元素的化合物，其中原材料为：Rb2CO3，K2CO3，CaCO3，NH4H2PO4，KF，Eu2O3；
将按计量比称取的原料进行充分研磨后置于温度为850℃的还原气氛中煅烧4小时，随炉冷却至室温，得煅烧物，研磨煅烧物，得到含Eu2+的Pnma结构的Rb0.2K1.8CaPO4F:Eu粉末；
步骤2：将PDMS胶和固化剂以质量比1：9进行混合，将步骤1合成的荧光粉以不同的比例与PDMS胶进行混合，得到混合物；
步骤3：将混合物放到真空脱泡机中进行抽真空搅拌(搅拌时间根据根据量的不同，从而搅拌时间不同，目的是让荧光粉在胶中分散均匀，不要存在偏聚现象)，然后放入烘箱中烘4～8小时，烘干后，按现有制膜工艺制出光转化膜。
实施例1
按Rb0.2K1.8Ca0.98PO4F:0.02Eu分子式所示的化学计量比，称取0.6928g的Rb2CO3、1.656g的K2CO3、2.97g的CaCO3、3.45g的NH4H2PO4、1.745g的KF、0.0528g的Eu2O3，将称取的各原料充分研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚，置于管式炉中，在温度为850℃(5％H2和95％N2气氛)下煅烧4小时(升温速度为5℃/min)，随炉冷却至室温，得煅烧物；研磨所得煅烧物，制得荧光粉。荧光粉的XRD图谱如图1所示，图中各峰峰形、峰位与PDF卡片一一对应，证明制得的粉末的物相为单相。
随后测量该样品的激发和发射光谱，见图2，激发光谱显示存在比较宽的吸收光谱(300～450nm)，激发峰峰值分别位于380nm；发射光谱显示了一个很宽的发射峰，其中峰值在650nm处。通过光谱图我们可以发现，Rb0.2K1.8CaPO4F:Eu在紫外光300～380nm区域有吸收，从而避免了太阳光对膜造成的黄变和崩解。
实施例2
在实施例1的基础上，将荧光粉与胶按照1:9的比例制作光转化膜。具体为：称取1.215g的PDMS胶，加入实施例1中制得的0.15g的荧光粉，再加入0.135g的固化剂；随之将其放入真空脱泡机中进行抽真空搅拌(搅拌时间为2min30s)。将搅拌均匀后的混合物放入烘箱内烘干。6h后将烘干好的光转化膜1取出，测量其在380nm处激发下的发射光谱，如图3。
实施例3
在实施例1的基础上，将荧光粉与胶按照2:8的比例制作光转化膜。具体为：称取1.08g的PDMS胶，加入实施例1中制得的0.3g的荧光粉，再加入0.12g的固化剂；将其放到真空脱泡机中搅拌均匀。将搅拌均匀后的混合物放入烘箱内烘干。6h后将烘干好的光转化膜2取出，测量其在380nm处激发下的发射光谱，如图4。
实施例4
在实施例1的基础上，将荧光粉与胶按照3:7的比例制作光转化膜。具体为：称取0.945的PDMS胶，加入实施例1中制得的0.45g的荧光粉，再加入0.105g的固化剂；将其放到真空脱泡机中进行抽真空搅拌。将搅拌均匀后的混合物放入烘箱内烘干。6h后将烘干好的光转化膜3取出，测量其在380nm处激发下的发射光谱，如图5。
实施例5
在实施例1的基础上，将荧光粉与胶按照4:6的比例制作光转化膜。具体为：称取0.81的PDMS胶，加入实施例1中制得的0.6g的荧光粉，再加入0.09g的固化剂；将其放到真空脱泡机中进行抽真空搅拌。将搅拌均匀后的混合物放入烘箱内烘干。6h后将烘干好的光转化膜4取出，测量其在380nm处激发下的发射光谱，如图6。
结论：实施例1中制得的荧光粉和实施例2-5制得的光转化膜在380nm处激发的发射强度进行对比。从图3中我们可以看出实施例2中所制备的光转化膜1的发光强度为荧光粉的27.7％；从图4中我们可以看出实施例3所制备的光转化膜2的发光强度为荧光粉的46.4％；从图5中我们可以看出实施例4所制备的光转化膜3的发光强度为荧光粉的51.9％；从图6中我们可以看出实施例5所制备的光转化膜4的发光强度为荧光粉的56.8％。从以上得出的结果很明显的发现随荧光粉的掺杂比例上升，光转化膜的发光强度也不断上升，当光转化膜中荧光粉的比例为30％以上时，光转化膜的发光强度已经超过荧光粉发光强度的50％，因此达到了预期效果，表明了通过上述方法制备的光转化膜可以为植物提供强的红光，从而促进植物生长。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理。
