КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК C08K3/14 C08K3/34 

Изобретение относится к области новых материалов сельскохозяйственного назначения, а именно к полимерным композициям для получения на основе светопрозрачных термопластичных полимеров пленочных материалов в качестве покрытий для теплиц.

Полимерные пленочные материалы на основе полиэтилена, сополимера этилена с винилацетатом, поливинилхлорида и других полимеров, используемые для выращивания растений в условиях защитного грунта (Полимерные пленочные материалы. / Под. ред. В.Е.Гуля. - М.: Химия, 1976, с.103-105, 24-25), должны удовлетворять следующим основным требованиям:

- иметь высокую пропускательную способность в видимой области спектра (0,45-0,75 мкм);

- иметь высокую отражательную и поглощательную способности в тепловом участке спектра (8-15 мкм), излучаемого грунтом (теплоудерживающий эффект);

- иметь высокую поглощательную способность ультрафиолетового излучения (0,29-0,33 мкм).

Известен полимерный пленочный материал для ограждения теплиц (Патент РФ №2059999, МПК⁶ C 08 L 23/02, С 08 К 5/00, 1996), содержащий светопрозрачный термопластичный полимер и оптически активную добавку, в качестве которой служит, по крайней мере, одно из неорганических высокотемпературных оксогалогенидных и халькогенидных соединений лантана, иттрия, европия и эрбия, обеспечивающий преобразование ультрафиолетовой составляющей света и поглощение дальнего ИК-излучения.

Композиция для получения этого материала содержит активной добавки 0,05-1,00 мас.% и компонента 99,00-99,95 мас.%.

Недостатком является то, что вследствие сложного состава этот пленочный материал имеет достаточно высокую стоимость, кроме того, ограниченную стабильность люминесцентных свойств при солнечном облучении (300-600 дней). Так как все оксогалогениды редкоземельных элементов на воздухе и, особенно в присутствии влаги, разрушаются, а повышение теплоудерживающих свойств достигается за счет поглощения дальнего ИК-излучения, и в связи с этим только часть энергии излучения грунта возвращается в теплицу, а наиболее эффективный способ теплоу держания энергии излучения за счет отражения отсутствует.

Известна композиция для получения пленки сельскохозяйственного назначения (Авт. св. СССР №1106818, МПК³ C 08 L 23/04, С 08 К 3/22, 1984). Данная композиция включает полиэтилен высокого давления или сополимер этилена с винилацетатом, гидрат окиси алюминия и стабилизатор, и для повышения теплоудерживающих свойств при одновременном уменьшении рассеивания видимого света пленкой дополнительно содержит окись металла, выбранную из группы: окись цинка, двуокись титана и трехокись сурьмы, при следующем соотношении компонентов, мас.%: полиэтилен высокого давления или сополимер этилена с винилацетатом 92,9-98,88; гидрат окиси алюминия 1-6; окись металла 0,02-0,3; стабилизатор - остальное.

Присутствие в материале бензона ОА снижает его спектральное пропускание УФ-излучения до 15%, а теплоудерживающие добавки (окислы металлов - титана, цинка, сурьмы) уменьшают спектральное пропускание в дальней ИК-области до 15-25%. Вследствие сложного состава и стоимости этот материал не получил широкого распространения в практике возделывания овощей в закрытом грунте. Кроме того, неполное поглощение ультрафиолета не позволяет в полной мере использовать этот эффект для прибавки урожая, а снижение пропускания излучения в ИК-области достигается в основном за счет его поглощения, а наиболее эффективный способ теплоудержания энергии излучения за счет рассеяния отсутствует.

Наиболее близким техническим решением является композиция пленочного полимерного материала для покрытия теплиц, содержащая термопластичный полимер, стабилизатор и оптический активатор на основе соединений европия (Патент РФ №2127511, МПК⁶ A 01 G 9/22, 1999).

Недостатком композиции является высокая стоимость материала и невысокие теплосберегающие свойства.

Задачей изобретения является создание композиции для получения пленки сельскохозяйственного назначения, позволяющей получать пленку, обладающую повышенными теплосберегающими свойствами, позволяющую создать в теплице наиболее благоприятный температурный режим.

Поставленная задача решается с помощью композиции для получения пленки сельскохозяйственного назначения, включающей термопластичный полимер, добавку и стабилизатор. В качестве добавки композиция содержит карбид кремния зеленого цвета в α-фазе в количестве 0,1-0,2 мас.% с размером частиц 0,1-10 мкм.

Предпочтительно композиция имеет следующее соотношение компонентов, мас.%: указанный карбид кремния 0,1-2,0; стабилизатор 5,5-6,0; термопластичный полимер - остальное.

Для получения прозрачного в видимой области света термопластичного полимера композиция предпочтительно содержит указанный карбид кремния в количестве 0,1-0,2 мас.% при следующем содержании компонентов, мас.%: указанный карбид кремния 0,1-0,2, стабилизатор 5,5-6,0; термопластичный полимер - остальное.

Композиция содержит указанный карбид кремния предпочтительно с размером частиц 1,0-7,0 мкм.

В качестве термопластичного полимера композиция содержит предпочтительно полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен, полистирол, полиметилметакрилат, поликарбонат, полиамид и их сополимеры.

В качестве стабилизатора в предлагаемой композиции могут быть использованы любые известные стабилизаторы, неокрашивающие полимеры, обладающие светостабилизирующим и термостабилизирующим действием и способные предохранять старение пленок. В композиции при необходимости могут быть добавлены и противостарители.

В таблице даны примеры составов композиций.

Предлагаемый теплоудерживающий материал является одновременно рассеивающей и поглощающей системой. Процессы ослабления излучения складываются из процессов поглощения и рассеяния частицами карбида кремния, расположенными в термопластичном полимере.

Нами было найдено, что полимерная композиция для пленок сельскохозяйственного назначения, включающая карбид кремния, обладает наибольшим теплоудерживающим эффектом, так как имеет минимальную пропускательную и максимальную отражательную способности в области спектра излучения защищаемого грунта. При температуре грунта 0-20°С основная энергия излучения сосредоточена в диапазоне длин волн 8-15 мкм.

Рассматриваемый светопрозрачный теплоудерживающий материал состоит из полупрозрачной матрицы (термопластичного полимера) и частиц карбида кремния диаметром предпочтительно 1-7 мкм. В этой области спектра относительный показатель преломления матрицы n_матр≅1,5, и излучение, проникая в глубинные слои, воздействует на частицы уже с длинами волн 8-22 мкм. В этой области спектра оптические свойства карбида кремния претерпевают нормальную и аномальную дисперсии. В окрестности полосы поглощения 10-12 мкм (область аномальной дисперсии) мнимая часть комплексного показателя преломления (показатель поглощения - ) достигает очень больших значений (до 10), а действительная часть (показатель преломления) принимает очень малые значения (n→0), при этом относительный показатель преломления имеет очень большие значения. В связи с этим обстоятельством ослабление падающего излучения светопрозрачным материалом в рассматриваемой области спектра происходит в основном за счет рассеяния с малым поглощением.

В этой области спектра излучение поступает от грунта и имеет диффузный характер, что приводит к росту эффективной длины взаимодействия со светопрозрачным теплоудерживающим материалом и, в конечном счете, к более эффективному рассеянию поступающего излучения.

Например, отражение излучения в спектральном интервале 8-15 мкм от ПВХ-пленки толщиной 150 мкм составляет 4%, а отражение этого излучения от светопрозрачного теплоудерживающего материала с концентрацией частиц карбида кремния 0,15% уже составляет 38%.

В видимой части спектра (0,45-0,75 мкм) процесс взаимодействия излучения с материалом происходит с малым поглощением, так как мнимые части комплексных показателей преломления веществ частиц карбида кремния и матрицы (термопластичного полимера) очень малы

Присутствие рассеивающего фактора в ослаблении излучения (относительный показатель преломления n_част./n_матр.≅1,5) способствует просветлению слоя светопрозрачного теплоудерживающего материала, так как параметр дифракции ρ=πd/λ≫1, где d - средний диаметр частицы, λ - длина волнового излучения, а значит, дифракционно рассеянный свет в основном концентрируется в узком пучке, направленном вперед вдоль падающего солнечного излучения.

Например, пропускательная способность в видимой области спектра ПВХ-пленки толщиной 150 мкм составляет 75-78%, и полусферическая пропускательная способность сдоя материала аналогичной толщины с содержанием 0,15% карбида кремния имеет величину 70%.

В ультрафиолетовой области спектра (0,29-0,33 мкм) показатель поглощения карбида кремния заметно возрастает, а показатель преломления n_sic˜n_матр. Это обстоятельство приводит к тому, что ослабление падающего излучения на материал происходит, главным образом, за счет поглощения.

Например, пропускательная способность ПВХ-пленки толщиной 150 мкм составляет 15% на длине волны 0,32 мкм, а пропускательная способность слоя материала толщиной 150 мкм с содержанием 0,15% частиц карбида кремния - уже ˜1%.

Таким образом, предлагаемый теплоудерживающий материал характеризуется близким к нулю спектральным пропусканием УФ-излучения (0,29-0,33 мкм), высоким спектральным отражением и сильным поглощением дальнего к ИК-излучения (8-15 мкм), высоким спектральным пропусканием в видимой области спектра (0,45-0,75 мкм).

Предлагаемую полимерную композицию готовят следующим образом: добавку - дисперсное вещество (карбид кремния) тщательно перемешивают с пластификатором в соотношении 1:2. ПВХ нагревают до 70°С, вводят стабилизатор и смесь карбида кремния с пластификатором. Производят смешение на больших оборотах при температуре 110±5°С и перерабатывают в изделия известными методами, например экструзией, литьем под давлением и т.д.

Теплосберегающие свойства экспериментальных образцов покрытий были исследованы в лабораторных условиях. Измерения выполнены с помощью метода динамического терморадиометра (Емельянов А.А. Приборы и техника эксперимента, 2003, №4, стр.149-153). Металлический зачерненный диск помещался в капсулу, стенки которой выполнены из исследуемого теплосберегающего покрытия, и подвергался в течение определенного промежутка времени внешнему воздействию лучистой энергии, спектральный состав которой был близок к солнечному. В эксперименте фиксировались нагрев и охлаждение диска при наличии внешнего излучения и без него. Результаты поставленных экспериментов свидетельствуют о том, что оптические свойства материала капсулы оказывают существенное влияние на тепловое состояние диска. Заявляемый состав композиции выбран из экспериментальных данных. Для выпуска опытной партии теплосберегающего покрытия был выбран состав композиции, который имел материал стенок капсулы в эксперименте с наибольшими температурой, скоростью разогрева и временем охлаждения, и показал наилучшие теплосберегающие свойства: 0,15% карбида кремния, 6,0% стабилизатора, поливинилхлорид - остальное.

На образцах опытного теплосберегающего покрытия и поливинилхлоридной пленки с толщинами 150 мкм были получены спектральные характеристики, которые представлены на следующих чертежах.

Из фиг.1 следует, что ПВХ-пленка в области теплового участка солнечного спектра обладает повышенной пропускательной способностью по отношению к светопрозрачному теплоудерживающему материалу (СТМ) с соединением карбида кремния. При использовании в качестве парниковых покрытий рассматриваемых материалов под воздействием солнечного излучения в теплице с ПВХ-пленкой более высокая ее пропускательная способность приведет к повышенным температурам в этой теплице.

Из фиг.2 и 3 следует, что в области теплового участка солнечного спектра отмечается более высокая отражательная способность СТМ. Это обстоятельство является важным с точки зрения снижения температур перегрева при интенсивном солнечном излучении. В области длинноволнового теплового участка спектра W>800 (спектральная область излучения грунта) наблюдается появление отражательной способности у СТМ, чего нет у ПВХ-пленки. Наличие более высокой отражательной способности у СТМ в этом участке спектра вызывает возврат теплового излучения грунта обратно в теплицу и тем самым повышение теплосбережения и замедление охлаждения в отсутствие солнечного излучения. Следовательно, тепловая инерция теплицы с СТМ возрастает, и время приближения к наиболее низкой температуре будет увеличиваться при снижении температуры окружающей среды.

На фиг.4 представлен график изменения температур окружающей среды и в теплицах 29-30 июля 2003 г. Термопары располагались во всех случаях на расстоянии 100 мм от поверхности грунта. Каждая термопара была защищена непрозрачным экраном от попадания прямых солнечных лучей. Теплообмен теплиц с окружающим пространством за счет передвижения воздушных масс из защищенного пространства за пределы покрытия исключался.

Из фиг.4 видно, что у поверхности грунта температура в теплицах в максимальном значении различается на величину более 4°С. При этом максимальное значение температуры за пределами теплиц достигает 21°С, а в теплице с СТМ 37°С и с ПВХ-пленкой 41°С. Наличие двух горбов объясняется изменением энергии солнечного излучения за счет облачности. При снижении интенсивности солнечного излучения происходит падение температуры наружного воздуха, а следовательно, и температур в теплицах. Однако в ночное время скорость снижения температуры в теплице с СТМ становится медленнее и уже в самое холодное время суток (8,5°С) в экспериментальной теплице на 0,5°С теплее по сравнению с базовой теплицей. С появлением солнца температуры наружного воздуха и в теплицах начинают возрастать. При этом скорость разогрева в экспериментальной теплице отстает и к 12 часам дня разность температур в теплицах достигает 3°С.

На фиг.5 представлены изменения температур в теплицах в период сильного похолодания. Из фиг.5 видно, что с понижением температуры наружного воздуха после восхода солнца на 5°С температура в базовой теплице снижается также на 5°С, а в теплице с СТМ за это же время температура снижается на 4°С. Дальнейшее потепление в течение одного часа вызывает разогрев наружного воздуха на 6°С, в теплице с ПВХ-пленкой 18°С, в теплице с СТМ 14°С. При снижении температуры наружного воздуха на 6°С с 8 часов утра до 11 часов до величин 1°С в теплицах происходит снижение с ПВХ-пленкой на 16°С, с СТМ на 12,5°С. Очень важным моментом является то, что разность температур в теплицах в таких условиях составляет 1,5°С. Из экспериментальных данных о температурном состоянии теплиц следует, что наибольший теплосберегающий эффект в теплице в теплице с СТМ проявляется в области более низких температур. Так, например, при температуре наружного воздуха (фиг.4) +8,5°С, температурная разность между теплицами составляет 0,5°С, а при снижении внешней температуры (фиг.5) до +1°С в теплице с СТМ уже на 1,5°С теплее. Это обстоятельство имеет следующее объяснение. При снижении температуры грунта происходит смещение максимума его энергии излучения в более длинноволновую часть спектра согласно закону Вина, а в этой области заметно возрастает коэффициент отражения СТМ (фиг.3), что и приводит, в конечном счете, к усилению эффекта теплосбережения.

Предлагаемое парниковое покрытие имеет существенные преимущества. За счет рассеяния покрытием теплового излучения, испускаемого грунтом, в теплице более продолжительное время удерживаются положительные температуры, величина которых на 0,5-1°С превышает температуры в теплицах с обычной пленкой. Это обстоятельство позволяет миновать пик нулевых температур и обеспечить сохранность растений. Установление более высоких температур в теплице с предлагаемым покрытием в ночное время снижает вероятность развития таких болезней, как фитофтороз, мучнистая роса.

В жаркое время суток, при палящем солнце в теплицах с обычным пленочным покрытием возникает опасность перегрева растений. Предлагаемое покрытие снижает величины максимальных температур в теплице и тем самым позволяет обеспечить более комфортные условия жизнедеятельности растений.

Аналогичные свойства получены при использовании в качестве термопластичного пленочного полимера полиэтилена.

Таким образом, использование парникового покрытия с повышенными теплосберегающими свойствами позволит решить важные практические проблемы защиты растений: снизить вредное влияние низких ночных температур и защитить растения от солнечных ожогов. Может быть рекомендовано в качестве перспективного парникового покрытия теплиц.

№ п/пТермопластичный полимерСтабилизаторКарбид кремнияПропускательная способность на длине волны 0,32 мкм, %Отражение излучения в спектральном интервале 8-15 мкм, %марка% мас.% мас.Размер частиц, МКМ1.ПоливинилхлоридФенозан-23 ТУ 6-22-0205603-3-880,050,151,01,0382.Полиэтилен высокого давленияБензон ОА*
Фосфит НФ**0,5
0,50,10,11,5393.ПолипропиленФенозан-230,12,010,01,2374.ПолиамидБензон ОА
Фосфит НФ1,0
1,00,17,01,1385.ПоливинилхлоридБензон ОА
Синтамид С-5***4,0
2,00,157,01,1366.ПолистиролБензон ОА
Фосфит НФ0,1
0,10,210,01,3357.ПоливинилхлоридБензон ОА
Синтамид С-54,0
2,0--15,048.По прототипуФенозан-230,1--13,08Бензон ОА* - 2-окси-4-алкоксибензофенон.
Фосфит НФ** - трис-нонилфенилфосфит.
Синтамид С-5*** - оксиэтилированный моноэтаноламид кислот фракции C₁₈-C₁₆.

Изобретение относится к области новых материалов сельскохозяйственного назначения, а именно к полимерным композициям для получения на основе светопрозрачных термопластичных полимеров пленочных материалов в качестве покрытий для теплиц. Описывается композиция для получения пленки сельскохозяйственного назначения, включающая термопластичный полимер, добавку и стабилизатор. В качестве добавки композиция содержит α-фазу зеленого цвета карбида кремния в количестве 0,1-2,0 мас.% с размером частиц 0,1-10 мкм, а в качестве термопластичного полимера - полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен, полистирол, полиметилметакрилат, поликарбонат, полиамид, их сополимеры и другие подходящие термопластичные полимеры. Изобретение позволяет получить пленку, обладающую повышенными теплосберегающими свойствами и позволяющую создать в теплице наиболее благоприятный температурный режим. 4 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Композиция для получения пленки сельскохозяйственного назначения, включающая термопластичный полимер, добавку и стабилизатор, отличающаяся тем, что в качестве добавки она содержит карбид кремния зеленого цвета в α-фазе в количестве 0,1-0,2 мас.%. с размером частиц 0,1-10 мкм.2. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что имеет следующее содержание компонентов, мас.%:

Указанный карбид кремния0,1-2,0Стабилизатор5,5-6,0Термопластичный полимерОстальное

Указанный карбид кремния0,1-0,2Стабилизатор5,5-6,0Термопластичный полимерОстальное

5, Композиция по п.1, отличающаяся тем, что в качестве термопластичного полимера она содержит полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен, полистирол, полиметилметакрилат, поликарбонат, полиамид и их сополимеры.