CN110870424B - 基于保留特定波长的透光材料及其复合载体在农业的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于保留特定波长的透光材料及其复合载体在农业的应用,其中,该透光材料用以保留特定的光波长,使特定区段的光波长得以通过该透光材料;本发明可应用于植物的培育,使光波长的特定区段为可调节植物生长的光波长范围,以提高植物行光合作用的效果,使促进植物生长;并可借由添加隔热材料,使达致夏天隔热、冬天保温的效果,以提供植物适性的生长环境,借以提升农作物生长效率,进而提高产率,可有助于解决人类的粮食问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于保留特定波长的透光材料及其复合载体在农业的应用,尤指一种可使仅促进植物生长的光波长得以通过,以提升植物生长的生长速率。
背景技术
21世纪以来,由于工业技术日益增进,全球人口也急速增长,人类的粮食供求是当前需要解决的课题之一;然而,随科技发展,相关产业大量使用石化燃料,导致全球暖化造成各地气候极端变化,导致动植物之生长受到抑制而短缺,再加上地球人口数急遽成长,故已衍生严重的粮食问题;是以,近年来常见于透过温室农业以及有机农业或农棚的开发,以提升农作物产量,期能解决人类之粮食问题。
为调节适用于植物生长的环境,故一般而言现有的农业用披覆材料主要为塑料膜或塑料网,如欧盟专利第1095964B1号及美国专利第5138792号所示者,借以构筑形成一温室,以达致遮荫、防虫、保温或隔热的效果,塑料膜及塑料网皆仍具有隔热、不透气的问题。
此外,植物生长通常需要阳光,光环境是植物生长发育不可缺少的重要因素之一,依据「Photo morphogenesis in Plant」的文献记载,在太阳光中波长范围400nm至520nm的蓝光和波长范围610nm至720nm的红光,对植物光合作用影响最大,而当太阳光进入大气层时,约有5%紫外光、45%可见光与50%红外光能量分布,其中有部分光波长将导致抑制生长,而部分者则可促进于植物生长,是以,近年来针对光波长的选择应用在植物生长之研究繁多,如中国专利CN1038252A、中国台湾专利第I463942号、美国专利第8505237号及美国专利第5953857号,即利用覆盖物的透光材料以筛选保留特定波长的光线,并排除不利于植物生长的光线波长,借以提升植物的生长效率;波长为315nm至400nm的紫外光,其可抑制茎的徒长、避免叶片黄化,且可增加叶绿素、并能促进花青素形成,有助于植物的增艳效果,并对人体有诸多帮助,此外,紫外光亦可促进蛋白质及有机酸类之合成,且可提高种子的发芽率,具有增加作物产量之优点,然此为前述专利案所未提及,故前述专利案令其透光材料可通过的光波长最短者仅为400nm至500nm,其对于植物生长的促进仍有限。
现有另使用LED照明应用于农业植栽,如美国专利第20160353672号及中国CN105246322A所述,借以透过LED可日夜不断提供植物在不同阶段生长给予不同光源的调整,加速植株成长,然而,虽单一LED光源的耗电量低,然其累积后的所需电量仍极为可观,其亦将导致能源的耗费及地球暖化的缺失。
有鉴于此,吾等发明人乃潜心进一步研究光波长对植物生长的影响,并着手进行研发及改良,期以一较佳发明以解决上述问题,且在经过不断试验及修改后而有本发明的问世。
发明内容
本发明的目的为解决前述问题,为达致以上目的,吾等发明人提供一种基于保留特定波长的透光材料,其包括:一透光材料,其包括一透光基材及一隔热材料,该隔热材料选自由氧化锡锑(ATO)、氧化铟锡(ITO)、二氧化钛、二氧化硅、氧化锌、氧化钨所组成的群组中的至少其一;该透光材料用以保留波长于750nm以下中的特定区段的光波长,使所述光波长得以通过该透光基材;该特定区段为:区段A:320nm至380nm;区段B:400nm至550nm;区段C:650nm至750nm;且于一光线穿透该透光材料后,于该特定区段的平均穿透率分别为:区段A:5至35%之间;区段B:30至70%之间;区段C:15至65%之间;其中,该光线可为一自然光源(太阳光)。
据上所述的基于保留特定波长的透光材料,其中,该透光基材包括有机颜料,该有机颜料选自由C.I.红色PR48:1、C.I.红色PR48:2、C.I.红色PR48:3、C.I.红色PR53-1、C.I.红色PR101、C.I.红色PR102、C.I.红色PR122、C.I.红色PR146、C.I.红色PR168、C.I.红色PR176、C.I.红色PR185、C.I.红色PR188、C.I.红色PR254、C.I.蓝色PB15:0、C.I.蓝色PB15:1、C.I.蓝色PB15:2、C.I.蓝色PB15:3、C.I.蓝色PB15:4、C.I.蓝色PB15:6、C.I.紫色PV 19、C.I.紫色PV 23、C.I.紫色PV 32所组成的群组中的至少其一。
本发明另提供一种基于保留特定波长的透光材料的复合载体,其具有前述的基于保留特定波长的透光材料,其还包括一载体,该载体为热塑性或热固性的聚合物,或生物可分解塑料。
据上所述的基于保留特定波长的透光材料的复合载体,其中,该载体为热塑性或热固性的聚合物,该聚合物选自由聚乙烯(Polyethylene,PE)、低密度聚乙烯(Low DensityPolyethylene,LDPE)、线性低密度聚乙烯(Linear Low Density Polyethylene,LLDPE)、聚丙烯(Polypropylene,PP)、聚氯乙烯(PolyVinyl Chloride,PVC)或聚乙烯醋酸乙烯酯(Ethylene Vinyl Acetate,EVA)、聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate),PMMA),聚碳酸酯(Polycarbonate,PC),聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethyleneterephthalate,PET)所组成的群组中之至少其一。
据上所述的基于保留特定波长的透光材料的复合载体,其中,该载体为生物可分解塑料,该生物可分解塑料选自由聚乳酸(Polylactide,PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(Polybutylene succinate,PBS)、聚丁二酸-己二酸-丁二酯共聚物(Polybutylenesuccinate adipate,PBSA)、聚对苯二甲酸-己二酸-丁二酯共聚物(Poly(butyleneadipate-co-terephthalate),PBAT)、聚羟基烷酸酯(Polyhydroxyalkanoates,PHA)、聚己内酯(Polycaprolactone,PCL)、聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)、纤维素纳米纤维(Cellulose Nanofiber,CNF)所组成的群组中的至少其一。
据上所述的基于保留特定波长的透光材料的复合载体,其中,该载体与该透光材料混合形成一组合物,该组合物为单层或多层的薄膜、编织网、遮蔽板、编织布或塑料布。
据上所述的基于保留特定波长的透光材料的复合载体,其中,该有机颜料的重量百分比介于0.2至1%之间,该隔热材料的重量百分比介于0.2至1%之间。
据上所述的基于保留特定波长的透光材料的复合载体,还包括一添加物,该添加物为选自由生物分解剂、抗氧化剂、光稳定剂、加工助剂、抗静电剂、填料、增强材料,防雾剂所组成的群组中的至少其一。
据上所述的基于保留特定波长的透光材料的复合载体,其中,该添加物的重量百分比介于0.1至1%之间。
本发明另提供一种基于保留特定波长的透光材料的复合载体应用于农业的用途,其将前述的基于保留特定波长的透光材料的复合载体覆设于至少一作物与一光源之间。
本发明主要可应用于农业,并主要透过筛选欲保留太阳光的波长,使保留特定区段的光波长得以通过透光材料,借以提高植物行光合作用的效果,加速植物生长;并借由结合隔热材料,使在全球暖化的高温环境中,可降低温度,有助于农作物成长,于冬季时亦可有助于温室保温之效果,而复合载体可为热塑性或热固性的聚合物,或为生物可分解塑料,以制备形成薄膜、编织网、遮蔽板、编织布或塑料布,以利于建置温室、户外棚架,或用以披覆于植物的生长空间处,借以同时达致促进植物生长、隔热及驱虫的功效者。
附图说明
图1为实施例1穿透率(T%)对波长(λ)的光谱图。
图2为实施例2穿透率(T%)对波长(λ)的光谱图。
具体实施方式
关于发明人的技术手段,举数种较佳实施例配合附图于下文进行详细说明,使能够深入了解并认同本发明。
本发明所定义的「保留特定波长」,指可令特定区段的光波长可予穿透。
本发明一种基于保留特定波长的透光材料,其包括:
一透光材料,其包括一透光基材及一隔热材料,该隔热材料选自由氧化锡锑(ATO)、氧化铟锡(ITO)、二氧化钛、二氧化硅、氧化锌、氧化钨所组成之群组中的至少其一;
该透光材料用以保留波长于750nm以下中的特定区段的光波长,使所述光波长得以通过该透光基材;该特定区段为:
区段A:320nm至380nm;
区段B:400nm至550nm;
区段C:650nm至750nm;
不仅于此,虽区段A、区段B及区段C皆有助于植物生长,惟其比例仍须予以控制,方能使植物有较佳的生长量,故本发明于一光线穿透该透光材料后,于该特定区段的平均穿透率分别为:
区段A:5至35%之间;
区段B:30至70%之间;
区段C:15至65%之间。
借此,本发明借由更进一步控制各区段的平均穿透率,借以提高较佳的植物生长适性的光波长及其强度。
本发明主要利用具全光谱的光线照射该透光材料后,使位于区段A、区段B及区段C的光波长可予穿透该透光材料;就全光谱的光线而言,其为利用自然的太阳光,因太阳光具有全光谱,且属具吸收谱线(夫朗和斐谱线)的连续光谱,而关于太阳光谱中的暗特征谱线仅具数条单一波长的光线,其对于植物生长的影响甚小而可予忽略,故光照来源仍以无须额外耗损能源的太阳光为较佳。
本发明对区段A、区段B及区段C的光波长的保留范围,及其穿透后的强度配置,主要因区段A的光波长可促进花青素形成、蛋白质及有机酸类的合成,而就花青素而言,其除有助于植物的增艳效果外,对人体亦具有诸多帮助,故其显具有增加作物产量及提升营养的效果;而就区段B及区段C而言,因光是植物行光合作用的能量来源,而植物感受外界环境的光受体包括光敏色素(Phytochrome)以及隐花色素(Cryptochrome,CRY),而这些光受体对于光谱的敏感性不同(即吸收不同波长范围),透过这些光受体来接收光质、光量与光照的变化,进而引发不同反应来完成植物的生长发育,其中光敏色素主要感受红光(620~700nm)及近红外光(700~800nm),光敏色素作用为影响植物形态;隐花色素是植物感受蓝光与近紫外线(330-390nm)区域的一种蓝色受体,其主要吸收峰分别为370nm、420nm、450nm以及480nm;隐花色素可调控植物光合作用,对于植物生长发育具有调节作用,例如幼苗阶段控制植物幼茎生长、幼苗去黄化反应以及开花周期调节等;而区段C则系属红、近红外光,可被叶绿素强烈吸收,并可表现较强的光周期作用。
此外,本发明的透光材料可抑制750nm以下的区段A、区段B及区段C以外的光波长,使其穿透率至约5%、10%、15%、20%或25%以下,并且其穿透率需低于区段A,以降低其对植物生长的影响;而就750nm以上的光波长,则可选择性保留或滤除,因其并不显着影响植物的生长,故本发明仅对750nm以下的区段A、区段B及区段C进行光波长的保留及穿透强度的控制。
其中针对区段B及区段C的平均穿透率范围比例在1:2至9:2之间;较佳为1:2至3:1之间;其中若蓝光比例减小,植物生长激素会减少,导致植株生长与开花延迟;反之若红光偏多,则叶绿素吸收率较低,影响植物的光合作用与生长速度。
在一具体的实施例中,该透光材料为或包括有机颜料,该有机颜料选自由C.I.红色PR48:1、C.I.红色PR48:2、C.I.红色PR48:3、C.I.红色PR53-1、C.I.红色PR101、C.I.红色PR102、C.I.红色PR122、C.I.红色PR146、C.I.红色PR168、C.I.红色PR176、C.I.红色PR185、C.I.红色PR188、C.I.红色PR254、C.I.蓝色PB15:0、C.I.蓝色PB15:1、C.I.蓝色PB15:2、C.I.蓝色PB15:3、C.I.蓝色PB15:4、C.I.蓝色PB15:6、C.I.紫色PV19、C.I.紫色PV 23、C.I.紫色PV 32所组成的群组中的至少其一;本发明中,单一或多重混合的有机颜料皆可达致前述光波长保留范围及其穿透后的强度,并可使用单一或多种有机颜料进行制备。
对于透光材料的复合载体而言,在一实施例中,还包括一载体,该载体为热塑性或热固性的聚合物,或生物可分解塑料;其中,当载体为热塑性或热固性的聚合物时,该聚合物选自由聚乙烯(Polyethylene,PE)、低密度聚乙烯(Low Density Polyethylene,LDPE)、线性低密度聚乙烯(Linear Low Density Polyethylene,LLDPE)、聚丙烯(Polypropylene,PP)、聚氯乙烯(PolyVinyl Chloride,PVC)或聚乙烯醋酸乙烯酯(Ethylene VinylAcetate,EVA)、聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate),PMMA),聚碳酸酯(Polycarbonate,PC),聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate,PET)所组成的群组中的至少其一;而于该载体为生物可分解塑料时,该生物可分解塑料选自由聚乳酸(Polylactide,PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(Polybutylene succinate,PBS)、聚丁二酸-己二酸-丁二酯共聚物(Polybutylene succinate adipate,PBSA)、聚对苯二甲酸-己二酸-丁二酯共聚物(Poly(butylene adipate-co-terephthalate),PBAT)、聚羟基烷酸酯(Polyhydroxyalkanoates,PHA)、聚己内酯(Polycaprolactone,PCL)、聚乙烯醇(Polyvinylalcohol,PVA)、纤维素纳米纤维(Cellulose Nanofiber,CNF)所组成的群组中的至少其一。
在另一实施例中,聚合物亦可为热塑性弹性体,该热塑性弹性体选自由天然橡胶(Natural rubber,NR)、聚丁二烯橡胶(Polybutadiene rubber,BR)、苯乙烯-丁二烯橡胶(Styrene butadiene rubber,SBR)、丁腈橡胶如丙烯腈一丁二烯橡胶(Nitrile butadienerubber,NBR)、乙烯丙烯橡胶(Ethylene propylene monomer rubber,EPM)、乙烯丙烯二烯烃单体橡胶(Ethylene propylene diene monomer rubber,EPDM)所组成的群组中的至少其一。
并在一应用中,该载体与该透光材料混合形成一组合物,其混合制备方式属现有技术,故在此不予赘述,该组合物为单层或多层的薄膜、编织网、遮蔽板、编织布或塑料布,以介于光源(如:太阳光)照射位置与植物间之面或空间为范畴,据以直接披覆植物生长空间的周围,或其受太阳光照射之面,或构筑形成温室或户外棚架者,使达致防风、驱虫之目的,并能予以达致前述促进植物生长的效果。
另就组成比例而言,该有机颜料的重量百分比介于0.2至1%之间,较佳者为0.3至0.6%之间;该隔热材料的重量百分比介于0.2至1%之间,较佳者为0.2至0.6%之间,使其添加不影响透光材料的对于区段A、区段B及区段C光波长的保留;而其余部分者为载体。
在一较佳的实施例中,本发明于制成时,所采隔热材料的粒径在200nm以下,较佳为100nm以下,借可有助于维持透光材料的透光性。
在另一实施例中,亦可依照需求而添加一添加物,该添加物为选自由生物分解剂、抗氧化剂、光稳定剂、加工助剂、抗静电剂、填料、增强材料,防雾剂所组成的群组中的至少其一;该添加物的重量百分比介于0.1至1%之间,较佳者为0.2至0.5%之间,使其添加不影响透光材料的对于区段A、区段B及区段C光波长的保留,而有机颜料及隔热材料的重量百分比则同如前述,借以赋予组合物具有添加物所属种类的对应效果。
需特别说明的是,虽保留的光波长位于区段A、区段B及区段C内,惟仍有在太阳光照射下使得光量强度太高或不足的疑虑,借以于光量强度太高时,可能致使植物表面水分蒸散过快而叶烧,光量强度不足时则导致植物吸收不佳而养分失调;是以,有机颜料、隔热材料及添加物的较佳范围,皆为避免影响透光材料的透光性,并维持本发明所保留之特定区段及平均穿透率。
据上所述,举具体实施例说明如下:
[实施例1]
分别将41克的3%氧化钨以及12.5克的C.I.紫色PV 23混入196克的LDPE(低密度聚乙烯),并藉由单轴挤出机以200℃至250℃的温度进行混练,以T字模挤出后,经一滚轮制成0.12mm厚的组合物透光薄膜,所得的组合物透光薄膜各成份的重量比例为:氧化钨:0.5%、C.I.紫色PV 23:0.5%,其余为LDPE;其光谱图如图1所示。
[实施例2]
分别将0.83克的60%二氧化钛与2.5克的30%C.I.蓝色PB15:3混入246.67克的LDPE,并借由单轴挤出机以200℃至250℃的温度进行混练,以T字模挤出后,经一滚轮制成0.11mm厚的组合物透光薄膜,所得的组合物透光薄膜各成份的重量比例为:二氧化钛:0.2%、C.I.蓝色PB15:3:0.3%,其余为LDPE;其光谱图如图2所示。
[比较例]
将250克的LDPE,借由单轴挤出机以200℃至250℃的温度混练,以T字模挤出后,经滚轮制成0.12mm厚的薄膜,所得的该薄膜的组成分的重量比例为100%LDPE。
[实验1]
将前述实施例1、实施例2及比较例所制得的组成物薄膜进行覆盖,并置于气温为31℃的环境下,经远红外线灯连续照射四小时后,该比较例的覆盖区域下的表面温度为45℃,观察实施例1与实施例2的组成物薄膜覆盖区域与环境温度的温差,其实验结果如下表1所示:【表1】
由上表1可见,将本发明的组合物薄膜置放于红外光线下,实施例1与实施例2的组成物薄膜覆盖区域的表面温度,分别和环境温度相差为4℃、3℃,相对于比较例而言,证明本发明具有隔热效果。
另,就实施例1及实施例2的组合物薄膜以Agilent公司型号为Cary 60UV-Vis的紫外可见分光亮度计测量,依据量测数据计算平均穿透率(T%)数据如上表1所示,可证本发明的复合载体相对于比较例而言,具有可保留特定区段的光波长。
以下利用实施例1与比较例进行叶菜类的作物种植试验,以确认本发明具有促进植物生长快速的功效。
[实验2]
本实验透过种植作物菠菜、甜A菜及苋菜,并将菠菜、甜A菜及苋菜个别的菜苗移植至48公升,含有培养土的塑料盘,并分别将实施例1与比较例制得的组合物薄膜架设在塑料盘上约30公分高,并放置于一光源(太阳光)下,在不额外施加肥料营养的情形下,观察菠菜、甜A菜及苋菜的生长结果,如下表2所示:【表2】
其中,关于叶绿素含量检测方法与计算,取完整的植株中,无病虫害且叶色一致的叶片,经洗净后去除叶梗,于烘箱中以60℃恒温3小时以去除水分;干燥后秤取0.5克的叶片,加入100ml 95%乙醇,而后于瓶口用封口膜密封并以铝箔纸包覆,在室温下避光萃取24小时;后将萃取液先以离心机离心10分钟后再以紫外分光仪测量665nm和645nm处的吸亮度值,以叶绿素包括叶绿素a及叶绿素b的含量计算叶绿素总含量,其中,叶绿素a及叶绿素b的含量计算如下数学式1所示:
【数学式1】
叶绿素a(μg/ml)=13.7A665-5.76A645
叶绿素b(μg/ml)=25.8A645-7.60A665
其中,A665及A645系光波长于665nm、645nm下的吸收值;而叶绿素总含量为叶绿素a及叶绿素b含量的加总。
如前所述,显见本发明经区段A至区段C的穿透率的控制后,相较于比较例的结果,显见本发明确实可显着提升植物的生长,有助于促进农业的发展。
以上所述,仅为本发明的数种较佳实施例,但不能以此限定本发明实施的范围,即大凡依本发明申请专利范围及发明说明书内容所作的等效变化与修饰,皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
Claims (9)
1.一种基于保留特定波长的透光材料,其特征在于,包括:一透光材料,包括一透光基材及一隔热材料,隔热材料选自由氧化锡锑、氧化铟锡、二氧化钛、二氧化硅、氧化锌、氧化钨所组成的群组中的至少其一;
透光材料用以保留波长于750nm以下中的特定区段的光波长,使所述光波长得以通过该透光基材;该特定区段为:
区段A:320nm至380nm;
区段B:400nm至550nm;
区段C:650nm至750nm;
且于一光线穿透该透光材料后,于该特定区段的平均穿透率分别为:
区段A:5至35%之间;
区段B:30至70%之间;
区段C:15至65%之间;
该透光基材包括有机颜料,该有机颜料选自由C.I.红色PR48:1、C.I.红色PR48:2、C.I.红色PR48:3、C.I.红色PR53-1、C.I.红色PR101、C.I.红色PR102、C.I.红色PR122、C.I.红色PR146、C.I.红色PR168、C.I.红色PR176、C.I.红色PR185、C.I.红色PR188、C.I.红色PR254、C.I.蓝色PB15:0、C.I.蓝色PB15:1、C.I.蓝色PB15:2、C.I.蓝色PB15:3、C.I.蓝色PB15:4、C.I.蓝色PB15:6、C.I.紫色PV 19、C.I.紫色PV 23、C.I.紫色PV 32所组成的群组中的至少其一。
2.一种基于保留特定波长的透光材料的复合载体,其特征在于,具有如权利要求1所述的基于保留特定波长的透光材料,其还包括一载体,该载体为热塑性或热固性的聚合物,或生物可分解塑料。
3.如权利要求2所述的基于保留特定波长的透光材料的复合载体,其特征在于,该载体为热塑性或热固性的聚合物,该聚合物选自由聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚乙烯醋酸乙烯酯、聚甲基丙烯酸甲酯,聚碳酸酯,聚对苯二甲酸乙二酯所组成的群组中的至少其一。
4.如权利要求2所述的基于保留特定波长的透光材料的复合载体,其特征在于,该载体为生物可分解塑料,该生物可分解塑料选自由聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚丁二酸-己二酸-丁二酯共聚物、聚对苯二甲酸-己二酸-丁二酯共聚物、聚羟基烷酸酯、聚己内酯、聚乙烯醇、纤维素纳米纤维所组成的群组中的至少其一。
5.如权利要求2所述的基于保留特定波长的透光材料的复合载体,其特征在于,该载体与该透光材料混合形成一组合物,该组合物为单层或多层的薄膜或编织网或遮蔽板或编织布或塑料布。
6.如权利要求2所述的基于保留特定波长的透光材料的复合载体,其特征在于,该有机颜料的重量百分比介于0.2至1%之间,该隔热材料的重量百分比介于0.2至1%之间。
7.如权利要求6所述的基于保留特定波长的透光材料的复合载体,还包括一添加物,该添加物为选自由生物分解剂、抗氧化剂、光稳定剂、加工助剂、抗静电剂、填料、增强材料,防雾剂所组成的群组中的至少其一。
8.如权利要求7所述的基于保留特定波长的透光材料的复合载体,其中,该添加物的重量百分比介于0.1至1%之间。
9.一种基于保留特定波长的透光材料的复合载体应用于农业的用途,其特征在于,将如权利要求2所述的基于保留特定波长的透光材料的复合载体覆设于至少一作物与一光源之间。
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