聚碳酸酯在温室中的应用

聚碳酸酯在温室中的应用

0辐射透过性能测定中聚碳酸酯板的应用聚碳酸酯板（pc）在中国的发展始于20世纪90年代。初期,产品主要从欧美国家进口,价格较高,其应用领域受到一定的限制。90年代末,随着中国经济的迅速发展,德国拜耳公司首先进入中国建厂生产,随后许多国内外塑料板生产厂家纷纷加入到这一产品的生产制造行列中来,促使价格下降,并使其应用领域迅速扩展。由于其质量轻、保温性能好、抗冲击、使用寿命长等优点,作为温室透光保温覆盖材料也得到了广泛的应用。但与玻璃和塑料薄膜等传统温室用透光覆盖材料相比,聚碳酸酯板辐射透过性能却有较大的差异,主要表现在可见光透光率低、紫外线难以透过、红外线透过率不高。随着大量聚碳酸酯板在温室上的应用,许多生产厂家为此专门研究开发农用聚碳酸酯板,以适应温室的特殊要求。由于产品在温室上应用的时间相对较短,许多要求和参数评定还在探索之中。透光性能是温室覆盖材料一项最重要的参数。测定这一参数目前主要依赖的检测方法有GB/T2410和GB/T2680,但由于聚碳酸酯中空板是一种非均质材料,直接采用上述标准检测方法所测定的数据并不能很好的反映温室用聚碳酸酯中空板辐射透过特性。为此,针对聚碳酸酯中空板的特点,在对原有检测方法进行适当修改的基础上,本文以玻璃为参照,对该材料在紫外、可见光和红外各个波段的辐射透过率进行了全面的测定和分析,为指导温室设计者和生产者正确选择和使用这种材料提供依据。1辐射透过率测定条件应注意范围对均质透明材料,国家标准GB/T2410和GB/T2680分别对塑料材料和玻璃规定了具体的测定方法。聚碳酸酯中空板由于中间肋筋的存在,实际上是一种非均质材料,其上下壁的厚度在靠近肋筋处逐渐加厚,不同部位测定的辐射透过率有一定差异。直接采用测定玻璃和塑料薄膜等均质材料辐射透过率的测定方法需要附加一定的条件。首先对待测试样的测定部位应有明确的规定;其次,对试验测定光源应有明确的规定,因为GB/T2410对光源只限定在可见光范围内,而GB/T2680提出了不同的光源波段,并按照不同的波段分别测定透过率,可对材料的检测延伸到紫外及红外区域。选择不同的测试方法,测定结果有显著的差异。为了严格地比较材料在不同波段的透过性能,本文采用了GB/T2680测定的方法,并在此基础上,针对聚碳酸酯中空板的特点,对试样的测定部位、试样的准备、测定用光源波段以及辐射透过率的计算方法提出了具体的规定。1.1辐射透过率测定要全面正确评价材料的辐射透过性能,对非均质材料,应该逐点测定材料的辐射透过率,然后按面积积分求平均值。聚碳酸酯中空板为挤出材料,其结构沿肋筋方向保持均匀,仅在垂直肋筋方向材料厚度发生变化,所以,在辐射透过率测定中可将其简化为一维线性问题进行积分求解。本研究沿聚碳酸酯中空板肋筋垂直方向以中间肋为中心,左右两侧每隔1mm测定其透光率,测定结果如图1。由图可见,在中间肋(图中0点)±2mm范围内板材透光率变化很大,并以中间肋上透光率最低,越过该区域后透光率基本稳定。为了简化测试,从对比材料性能的角度出发,本研究在板材辐射透过率测定中统一规定测定部位应避开中间肋,取相邻两肋之间中心线左右2mm的范围为测试区,如图2。1.2温室光照覆盖材料的最大限度透过率GB/T2680提出用分光光度计测定材料在选定波段范围内每个单色波长上的透过率,根据人眼对光谱的敏感程度进行加权平均后得出测定波长范围的平均透过率。所以,在分析研究材料的辐射透射性能之前,首先必须确定研究对象的辐射光谱范围。对温室材料透光性能的光谱要求,主要是根据种植作物光合作用和器官形成以及温室的保温和降温要求的光谱来选择。温室用透光覆盖材料一般要求能最大限度地透过太阳辐射中的可见光和近红外光,对太阳辐射中的紫外线部分要求低透过率,并能阻止室内长波辐射的通过。ISO9050标准中规定太阳辐射的光谱范围为300～2500nm,而实际的太阳辐射光谱一般在300～3000nm。所以从最大限度透过太阳辐射的角度讲,温室透光覆盖材料在300～3000nm(或者至少在300～2500nm)范围的辐射透过率应达到最大,除此范围之外的辐射应尽可能减少其透过率。进一步分析300～3000nm的光波,可以看出,其中包含了紫外线、可见光和近红外线三种波段。可见光的波段范围为380～760nm,是人眼视觉的敏感波段,也是作物光合作用的主要波段。其中400～700nm是植物光合有效辐射(PAR)所在波段,被植物叶绿素和类胡萝卜素强烈吸收进行光合作用,是植物生长和形态形成的必需光波段。温室透光覆盖材料在这一波段辐射透过率的高低将直接影响温室作物的生长和发育。紫外线的波段范围为280～380nm,这一波段的辐射人眼看不见,但从植物生理需要来讲,315nm以下波长的紫外线对大多数作物有害,315～380nm的近紫外线参与某些植物花青素和维生素C、维生素D的合成,对茄子、紫色花卉的着色具有重要意义,并有抑制作物徒长等形态建成作用,345nm以下波长的近紫外线可促进灰霉病分生孢子的形成,370nm以下波长的近紫外线可诱发菌核病的发生。所以,紫外线在温室中的作用是一个矛盾的集合。但对于大部分作物而言,紫外线是有害的,应尽量避免大量紫外线透射进入温室。在红外线中,720～3000nm波长的辐射对植物的伸长有一定作用,大于3000nm波长以上的红外线在温室中的作用主要是用于提高温室的温度,维持作物的体温。美国温室业制造协会(NGMA)的《温室透光覆盖材料性能检验标准》中提出5～20μm波长的红外线为温室保温的重要波段,其中7～14μm为关键波段,所以,温室透光覆盖材料应最大限度地减少对这一波段的透过率,以提高温室的保温性能。根据曹楠的分析,在温室室内温度为15℃时,按照维恩定律,其对应最大辐射波长为λm=10.056μm,而且80.75%的能量集中在5～25μm的波长范围内。综上所述,理想的透光覆盖材料应对400～700nm波长的光合有效辐射具有最高的透过能力,不透过300nm以下的紫外辐射和3000nm以上的红外辐射。1.3测试结果与测试本研究所选用4mm厚浮法玻璃和8mm、10mm厚聚碳酸酯中空板是经生产企业认可,直接从生产线上采集,并经表面保护后送达实验室进行测试。试样尺寸为50mm×50mm,每组试验取三个试样,每个试样在规定测定区域内取三个点测定,取平均值作为其测定结果。除玻璃外,所有试样均在气温23±2℃,相对湿度50%±5%的环境下状态调节不少于4h。所有试样的紫外线、可见光透过率测试均在上述状态调节环境下进行,测试仪器为Perkin-Elmer公司生产的带有积分球的Lambda35。红外辐射透过率测试在干燥的室内进行,测试仪器为Perkin-Elmer公司生产的SpectrumBXⅡ。测定时在选定点按照设定的光谱范围连续扫描,测定出单色光的透光率,按照以下的计算公式计算求得在要求波段上的平均透过率。1.4普朗克第一常数GB/T2680提出在可见光范围内透光率的计算方法是对测定波长的单色光透光率按该波长所具有的能量和人眼对该波长的敏感程度进行加权平均后获得,如公式(1)式中τt——材料在可见光范围内的平均透光率,%;τt(λ)——相应波长上的单色光透过率,%;S(λ)——标准照明体D65的相对光谱功率分布,Wm-2·nm-1,数值按式(2)计算V(λ)——相应波长上的光谱光(视)效率,%,其大小随波长的变化如图3所示;λ——波长,nm,按GB/T2680规定,计算中λ按10nm间隔取值,即λ=380、390、400、……、770、780nm;C1——普朗克第一常数,C1=3.742×108Wμm4·m-2;C2——普朗克第二常数,C2=1.439×104μm·K;T——太阳表面的热力学温度,K。式(1)中的光(视)效率是针对人眼对光谱的敏感程度而提出,但植物光合作用对光谱的敏感程度与人眼有显著差别,如图3(本图系根据文献和提供的数据绘制)。大多数植物对可见光区在420～450nm和560～680nm两区间均呈现出吸收高峰,而在470～490nm范围出现吸收低谷,而人眼对光谱最敏感的波段在555nm附近。显然,用同一个光(视)效率函数不能同时适用于人眼和植物两种对象,为此,公式(1)中的光(视)效率函数应该按照植物吸收对光谱的敏感程度更换或修正。但人眼对紫外线或红外线都不敏感,采用公式(1)时光(视)效率将均为0,不论单色光的透光率多高,经过光(视)效率加权后,透光率将均为0,这显然不符合植物生产的实际情况。王高伟等在讨论温室透光覆盖材料透光特性时提出在所有的波段范围内均不考虑光(视)效率的加权作用,即将光(视)效率作为1考虑。这种考虑方法在红外区和紫外区应该是成立的,因为在这两个区域内不论植物还是人眼都不敏感,而在300～780nm的光谱范围内,不考虑作物的敏感度,从作物光合作用的角度分析似有一定的缺陷,但在没有对植物光敏特性研究权威数据发表以前,采用这种方法也不失为一种可行的手段,而且从进入温室的能量的角度考虑,不论植物是否吸收,进入温室的能量将最终以热量的方式存在于温室中,从温室加温和降温的设计需要出发,不考虑作物对光谱的敏感性,也有一定的根据。为此,本文在分析各波段辐射的透过率时采用了不进行植物光敏性修正的方法,为此,将式(1)简化为式(3),用式(3)的计算结果作为温室透光覆盖材料的辐射透过率,其中波长λ借鉴ISO13468-2在280～780nm范围内取值缩小为5nm间隔。式中x1、x2——分别为选定测量波长范围的上、下限,nm。2测量结果与讨论按照上述测定和计算方法,本文分别测定了4mm厚浮法平板玻璃和8mm、10mm厚两种规格聚碳酸酯中空板的透光特性。2.1玻璃在生产过程中附加了紫外线因子的影响图4和图5分别为玻璃和聚碳酸酯中空板两种透光材料在紫外线和可见光光谱范围内单色光辐射透过率的测定结果,相应波段范围内的平均透过率如表1。由图4可见,玻璃在315～380nm范围内的紫外线区域有较大的透过率,而聚碳酸酯板在这一区域基本不透过,这主要是聚碳酸酯中空板在生产过程中为了提高材料的抗老化能力而在其表面或母料中附加了阻隔紫外线的添加剂所致。此外,从表1也可以看出,玻璃在可见光范围内的透光率较聚碳酸酯中空板高出近10%,这在光照条件比较弱的地区是非常重要的。这一测定结果给我们的启示是在选择聚碳酸酯中空板做温室透光覆盖材料时,一方面要考虑温室建设地区的室外光照度,从总进光量的角度衡量进入室内的光照度能否满足植物生长发育的要求;另一方面要考虑室内种植作物对紫外线的依赖程度,对种植如茄子等蔬菜和紫罗兰等紫色花卉的温室不宜选择使用这种材料做透光覆盖材料。此外,在室外光照度比较弱的地区,选用聚碳酸酯中空板做透光覆盖材料由于没有紫外线进入,室内育苗容易引起幼苗徒长,影响幼苗的商品质量。北京地区冬季种植果菜,在PC板温室中明显暴露出光照度不足的问题,而且由于进光量少,温室白天的升温速度和室内温度也都较同类型玻璃温室或塑料薄膜温室低。2.2覆盖材料在温室透照厚度和长波辐射的应用图6为玻璃和聚碳酸酯中空板在红外线光谱范围内单色光辐射透过率的测定结果。由图可见,不论玻璃还是聚碳酸酯中空板,在2～5μm和5～25μm的两个波段范围内透过率都有显著差别。玻璃在2～5μm范围内的红外透过率较高,达到45.3%,而在5～25μm的范围内几乎不透过;但聚碳酸酯中空板在2～5μm范围内的红外透过率只有玻璃的40%左右,而在5～25μm的范围内有两个透过率高峰波段,分别在15μm和22μm附近,但峰值很低,只有约5%。所以,以玻璃作为温室透光覆盖材料,能较好地透过作物需要的红外光谱(720～3000nm),而又能完全隔绝温室的长波辐射(5～20μm),是非常理想的温室透光覆盖材料。聚碳酸酯中空板,作为温室透光覆盖材料,其红外线透过特性虽较玻璃有一定差距,但总体来讲,红外线的透过率仍较低,而且两个较小的峰值透过波段也偏离了温室保温的关键波段(7～14μm),说明这种材料还是具有良好的保温性能,尤其是与聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)等塑料材料相比,具有非常优越的保温性能,即使与目前保温性能最好的PETP保温膜相比,其保温性能也要高出2个数量级,如表2。综合考虑聚碳酸酯中空板的传热性能(8mm和10mm厚材料的传热系数分别为3.3W·m-2·K-1和3.0W·m-2·K-1,是4mm玻璃的一半)和长波辐射的优异保温性能,在寒冷地区采用聚碳酸酯中空板做温室透光覆盖材料将具有较好的保温和节能效果。本文仅是对聚碳酸酯中空板辐射透过性能的研究,在实际工程设计和生产应用中,还要考虑材料的防雾滴性、耐老化性和经济性等因素,进行综合分析。3辐射透过率的测定以GB/T2680为基础,针