«Наука в Сибири» ПОЛИСВЕТАНОВЫЙ ДОМ ДЛЯ РАСТЕНИЙ
Е.Коваль, заведующий лабораторией, г. Томск.
Разработка состава, технологии производства и применения
Наиболее перспективным современным направлением в области разработки и производства специальных пленок для закрытого грунта в сельском хозяйстве как в технически развитых странах, так и в России является целенаправленное регулирование фотофизических свойств полимерных пленок. Такое регулирование достигается путем придания полимерным композиционным материалам, используемым для производства специальных пленок, свойств избирательно пропускать, отражать или поглощать электромагнитное излучение УФ-, видимого и ИК-диапазонов. К настоящему времени разработан достаточно большой круг химических, технологических методов и приемов.
Основным отличием проводимой нами работы является использование для регулирования фотофизических свойств специальных полимерных пленок фотолюминофоров на основе соединений редкоземельных элементов (прежде всего европия). Отличительная особенность таких пленок -- способность поглощать проходящее через них электромагнитное излучение УФ-диапазона и преобразовывать его в излучение красной области спектра.
Это направление является Российским приоритетом. В первых сообщениях на эту тему, появившихся в начале 80-х годов, показала возможность создания принципиально нового класса светопрозрачных пленочных материалов путем введения в их состав комплексных соединений европия. Такие материалы, названные авторами "полисветаны", при использовании в качестве покрытия сооружений закрытого грунта оказывает значительное влияние на физиологию выращиваемых под ними растений (полисветановый эффект).
Для целого ряда культур использование светокорректирующих пленок дает эффекты, значительно превосходящие полученные при использовании других типов современных пленок, выпускаемых в технически развитых странах, сопоставимых по стоимости и техническим показателям. Это, в свою очередь, стало одним из основных стимулов развития фундаментальных и прикладных работ в указанной области в ряде научных коллективов РАН (Владивосток, Томск, Уфа, Москва).
В СО РАН под руководством Г.Толстикова с 1998 года проводится работа по программе "Полимерные композиционные материалы -- избирательные фильтры -- преобразователи электромагнитного излучения и их применение в биологических исследованиях, сельском хозяйстве и медицине", предусматривающей комплексное решение проблемы от научных исследований до промышленного производства. В рамках этой программы предпринята попытка объединения усилий специалистов в области химии, химической технологии, физики, биологии. Программа предусматривает также решение проблем, связанных с разработкой методов синтеза специальных добавок для получения полимерных композиционных материалов -- селективных фильтров преобразователей электромагнитного излучения, изучением их химических и фотохимических превращений в неводных средах, в том числе в полимерной матрице, исследованием особенностей их фотофизических свойств и применением в качестве покровных материалов для сооружений закрытого грунта.
Основная задача исследований, проводимых в рамках программы "Сибирь", -- разработка специальных полимерных пленок для сельского хозяйства на основе полиэтилена высокого давления (ПЭВД). Особенность применения ПЭВД -- гетерогенный, дисперсный характер систем полимер-люминофор, что определяется крайне низкой растворимостью фотолюминофоров на основе соединений европия.
Для таких систем интегральные свойства определяются не только химической природой компонентов полимерных композиций и характером их взаимодействия, но и размером и формой частиц, характером их распределения в полимерной матрице.
Все это, наряду с требованиями фотобиологии, определяет круг изучаемых особенностей фотофизических свойств разрабатываемых пленок. Такие свойства, определяются как по стандартным методикам, так и по специально разработанным нами для этой цели.
Доля вторичного люминесцентного излучения может быть оценена путем сравнения спектров солнечного излучения с излучением прошедшим через пленку. В целом доля вторичного излучения не превышает десятых долей процента.
Спектральный состав прошедшего через пленки электромагнитного излучения может быть оценен методом УФ-спектрофотометрии. При прохождении излучения через пленки наблюдается уменьшение доли коротковолновой составляющей электромагнитного излучения на величину от 5 до 15%. Спектры показывают также уменьшение доли прямого и относительное увеличение доли рассеянного излучения при прохождении через пленки на 20--50%.
При этом кроме значения исходных показателей фотофизических свойств для фотобиологии важным является изучение динамики изменения фотофизических свойств в условиях эксплуатации. Совокупность указанных фотофизических свойств полиэтиленовых пленок с фотолюминофорами и определяет в конечном счете проявляемый ими полисветановый эффект.
Изучение фотофизических свойств светокорректирующих пленок является одной из наиболее сложных задач. В настоящее время даже разные российские школы, занимающиеся этой проблемой, используют разные методики, разный приборный парк, что приводит к получению практически несопоставимых результатов. В связи с этим в 1999 г. в рамках договоров о сотрудничестве региональных отделений РАН сформирована программа совместных работ в этой области Сибирского и Дальневосточного отделений, Уфимского научного центра РАН -- "Разработка основ создания полимерных пленок -- фотоселективных фильтров -- преобразователей электромагнитного излучения", предусматривающая формирование единого подхода к решению проблемы.
Уровень развития указанной области в настоящее время не позволяет достаточно достоверно прогнозировать совокупное изменение как фотофизических свойств пленок, так и проявляемый ими полисветановый эффект, в зависимости от состава композиционных материалов, химической природы компонентов, технологии их приготовления и других факторов. Основное развитие здесь проходит за счет экспериментального изучения таких зависимостей. С этой целью нами на базе ОАО "Томский нефтехимический комбинат" разработана экономная и рациональная схема изготовления образцов специальных пленок.
На первом этапе для получения предварительных результатов по влиянию на свойства пленок химической природы компонентов композиционных материалов и других факторов, нарабатываются лабораторные образцы пленок шириной "20 мм из минимального количества исходных компонентов (полиэтилен -- сотни грамм, добавки -- десятки мг).
Испытания таких образцов позволяет получить предварительные данные, способные оптимизировать количественный и качественный состав композиционных материалов.
Используемое лабораторное оборудование идентично промышленному, что позволяет провести предварительную отработку технологии получения специальных пленок и получать образцы для детального исследования их технологических и эксплуатационных характеристик. Результаты позволяют сделать выбор образцов для проведения предварительных биологических испытаний. Такие испытания -- биологическое тестирование пленок -- проходят на агробиостанции Томского педуниверситета по методике, отработанной совместно с Томским госуниверситетом.
В 1999 г. в рамках программы "Сибирь" исследована эффективность применения выпускаемых Российскими производителями фотолюминофоров для получения светокорректирующих пленок. Использовано 12 образцов, доступных в необходимом количестве (сотни кг/год), приемлемых по стоимости. Рассмотрено влияние на свойства пленок добавок стабилизаторов, красителей. Отработан состав пленок и технология изготовления с использованием фотолюминофоров двух типов. Наработано 10 лабораторных образцов пленок и двух опытно-промышленных партий для биологического тестирования и предварительных сельскохозяйственных испытаний, что стало возможным только благодаря своевременной финансовой поддержке программой "Сибирь". В результате отработано два варианта светокорректирующих пленок для промышленного производства, Кемеровский завод "Полимер" уже выпустил 107 т (таких пленок, адаптированных к условиям региона Западной Сибири. На 2000 г. запланировано увеличение объема выпуска до 300--400 т).
Сельскохозяйственные испытания разрабатываемых пленок проводятся на предприятиях агропромышленного комплекса в рамках научно-технической программы Администрации Томской области "Сибирская теплица".
стр. |