В настоящее время предприятиями химической промышленности разрабатывается и выводится на рынок большое количество различных модифицированных укрывных полимерных материалов, предназначенных для тепличных хозяйств [1, 2]. Среди многообразия производимых материалов можно выделить полиэтиленовые пленки, модифицированные добавками, придающими теплоудерживающие свойства (ИК пленки, теплоудерживающие, теплоизоляционные). Такие пленки за счет их модификации пропускают меньше, чем 20 % излучения в области 5–15 мкм по ГОСТ 10354-82 (по стандарту Евросоюза EN 13206 в области 7–13 мкм) [1–3]. Одним из распространенных способов модифицирования полимерных материалов является внесение различного рода добавок, в том числе и теплоудерживающих, в состав композиции на стадии смешения гранул ПЭВД и дальнейшего формирования пленок методом экструзии с раздувом [1–5]. Вторым способом придания теплоудерживающих свойств является нанесение слоя добавки толщиной в несколько микрон на поверхность готовой полимерной пленки [6].
Уменьшение прозрачности пленок в ИК области спектра приводит к тому, что температура воздуха под такими пленками в ночное время внутри культивационных сооружений выше на 2–5 °С по сравнению с немодифицированной пленкой или открытым грунтом. Показано, что применение теплоудерживающих пленок в ранний весенний период способствует повышению продуктивности растений защищенного грунта на 8–18 % [7].
Однако одним из недостатков теплоудерживающих пленок является их пониженная проницаемость не только для ИК излучения, но и области фотосинтетически активной радиации (ФАР), что приводит к снижению продуктивности растений при оптимальных температурах окружающей среды.
В современной литературе крайне мало информации об исследовании оптических и теплоудерживающих свойств модифицированных полиэтиленовых пленок. Нами проведено исследование по определению оптических и теплоудерживающих свойств полиэтиленовых пленок с нанесенными на их поверхность методом магнетронного распыления тонких слоев частиц двух различных составов, а также их влияние на микроклимат внутри теплиц.
Материалы и методы исследования
Разработка модифицирующих составов двух типов на основе соединений меди состава TiO2/Cu/TiO2 (TF1) и серебра состава TiO2/ZnO:Ga/Ag/ZnO:Ga/TiO2 (TF2), их нанесение методом магнетронного распыления толщиной 60 нм на поверхность полиэтиленовых пленок проведено сотрудниками Института сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (г. Томск, РФ) аналогично описанному способу для пленок ПЭТФ [6].
Спектры пропускания ИК излучения получены на ИК-Фурье спектрометре Nicolet 6700 (Thermo Scientific, USA) в диапазоне 400–3000 см–1 по стандартной методике.
Спектры пропускания, отражения и рассеивания пленками электромагнитного излучения УФ, видимой области и интегральное светопропускание получены на спектрофотометре Shimadzu UV 2600 с интегрирующей сферой ISR-2600 Plus (Shimadzu, Япония).
Тестирование полученных пленок проводили в весенне-осенний период 2013 г. на базе агробиологической станции ТГПУ на туннельных теплицах размером 3,0х6,0 м, высотой 2,7 м. Контролем служила теплица, укрытая светостабилизированной пленкой ПЭВД толщиной 120 мкм, на базе которой были изготовлены термические пленки TF1 и TF2 [8].
Нагрев внутри теплиц достигался естественным путем, посредством солнечного света без дополнительного отопления.
Температуру воздуха и почвы в каждой теплице измеряли регистрирующим устройством в автоматическом режиме с помощью датчиков температуры DS18S20 (Maxim integrated, USA). Температуру почвы определяли как среднее значение температур от верхнего слоя до 3 см в глубину.
Среднесуточные данные внешней температуры и облачности взяты с сайта гидрометеостанции г. Томска [9].
Данные по измерению солнечной радиации в период проведения исследования представлены Лабораторией климатологии атмосферного состава Института оптики атмосферы СО РАН (г. Томск) (на основе данных TOR станции).
Результаты исследования и их обсуждение
Основной задачей использования термических полиэтиленовых пленок в качестве укрывного материала является способность поддерживать под ними комфортные условия для роста и развития растений. Такие пленки должны не только обеспечивать выравнивание дневных и ночных температур за счет пропускания и отражения ИК излучения, но и не препятствовать пропусканию ФАР (380–710 нм) внутрь теплиц.
Эксперимент проведен нами в период с 23 мая по 3 октября 2013 г. В первые две недели проведения эксперимента среднедневная температура окружающего воздуха составляла от +3 до +12 °С. Температура воздуха и почвы внутри экспериментальных и контрольной теплиц была выше на 4–17 °С, чем в окружающей среде (рис. 1).
В дневное время при понижении температуры окружающего воздуха значения температуры внутри экспериментальных теплиц TF1 и TF2, остаются выше на 1,5–2 °С, чем в контроле, что связано с обратным отражением ИК излучения от поверхности пленок в теплицу.
А
Б
Рис. 1. Среднедневная температура в первые две недели эксперимента (с 23 мая по 5 июня 2013 г.): А – воздуха, Б – почвы. Номерам на графике соответствуют: 1 – внешняя температура, 2 – температура в теплице с покрытием TF1, 3 – температура в теплице с покрытием TF2, 4 – температура в контрольной теплице (ПЭВД)
Первые 9 суток температура почвы в экспериментальной теплице TF2 выше, чем в контрольной, в среднем на 1,5–2,5 °С и на 2,5–5 °С экспериментальной теплице TF1.
В период с 9 по 12 сутки эксперимента среднедневная температура почвы во всех теплицах выровнялась, что связано с понижением температуры окружающего воздуха. На 13 сутки температура почвы в контрольной теплице стала на 3–7 °С выше, чем в экспериментальных теплицах (TF2 и TF1), и практически сравнялась с температурой воздуха внутри теплицы, что связано с большей прозрачностью контрольной пленки и началу активизации биологических процессов в почве.
Рис. 2. График солнечной радиации (1) и облачности (2)
А
Б
Рис. 3. Средненочная температура: А – воздуха, Б – почвы. Номерам на графике соответствуют: 1 – внешняя температура, 2 – температура в теплице с покрытием TF1, 3 – температура в теплице с покрытием TF2, 4 – температура в контрольной теплице
В период проведения эксперимента были получены данные по солнечной радиации и облачности (рис. 2). Первые 14 суток характеризуются умеренной интенсивностью солнечной радиации с пиком на 4 сутки и высокой облачностью в 9–10 баллов (2–14 сутки). Температура внутри теплиц связана одновременно с солнечной радиацией и облачностью, так, например, максимум солнечной активности и 10 баллов облачности на 4 сутки соответствует росту значения температуры во всех теплицах и ее максимуму на 5 сутки вследствие аккумулирующего действия теплиц.
В ночные периоды температура в экспериментальных теплицах на 1–2 ° выше, чем в контрольной, вследствие удержания ИК излучения от почвы (рис. 3). При этом температура почвы в теплицах выше, чем температура воздуха, что связано с более длительным ее остыванием.
Для определения оптических свойств пленок были получены спектры пропускания электромагнитного излучения различных областей спектра: УФ, видимого и ИК диапазонов как со стороны нанесения модифицирующего покрытия (внешний слой), так и с обратной стороны (внутренний слой).
А
Б
Рис. 4. Спектры пропускания ИК излучения пленками на начало эксперимента (А – наружный слой с нанесенным покрытием, Б – внутренний слой пленки): 1 – TF1; 2 – TF2; 3 – контроль (пленка ПЭВД)
Интегральное светопропускание пленок по областям
|
Область (нм) |
Пропускание, % |
||
|
Контрольная пленка (ПЭВД) |
Пленка TF1 |
Пленка TF2 |
|
|
290–315 (УФ-В) |
77,6 ± 3,20 |
28,3 ± 2,51 |
59,0 ± 4,94 |
|
315–400 (УФ-А) |
84,5 ± 1,85 |
43,4 ± 5,75 |
61,2 ± 2,50 |
|
380–710 (ФАР) |
89,0 ± 1,03 |
62,0 ± 7,26 |
69,8 ± 3,07 |
Рис. 5. Спектр пропускания ИК излучения экспериментальными пленками TF1 и TF2 на конец эксперимента
Полученные спектры пропускания ИК излучения пленками представлены на рис. 4. Данные по значениям интегрального пропускания УФ и ФАР области сведены в таблицу. Контрольная полиэтиленовая пленка (3, рис. 4) во всем измеренном диапазоне имеет близкие значения пропускания излучения для ИК-А (81,1 ± 1,6) и ИК-В (80,5 ± 6,0) областей как для внутреннего, так и для внешнего слоя, то есть пленка обладает высокой прозрачностью. Также контрольная пленка обладает высокой проницаемостью в области УФ-А, УФ-В излучения и ФАР (таблица). Экспериментальные пленки за счет нанесенного слоя ИК добавки имеют меньшую проницаемость для тех же областей ИК излучения относительно контроля. Так, для пропускания излучения со стороны нанесения добавки области ИК-А меньше в 2,2 раз (TF1), 6,6 раз (TF2), для ИК-В в 1,95 раз (TF1), 5,5 раз (TF2), то есть внешний слой таких пленок отражает ИК излучение солнца. Однако пропускание ИК излучения внутренним слоем пленок на 2–4 % меньше, чем пропускание со стороны нанесенной добавки, что говорит об эффекте отражения (экранирования) пленкой прошедшего ИК излучения внутрь теплицы.
Для экспериментальных пленок также наблюдается снижение пропускания УФ излучения А и В областей относительно контрольной пленки в 2 раза (TF1), в 1,3 раза (TF2). Также величины пропускания такими пленками ФАР соответствуют значениям, предъявляемым к пленкам сельскохозяйственного назначения.
Таким образом, нанесенные модифицирующие добавки обладают способностью не только пропускать ИК излучение внутрь теплицы, но и частично его там удерживать за счет внутреннего отражения от поверхности пленок. При этом модифицирующие добавки не препятствуют пропусканию достаточного количества излучения области ФАР, что делает такие пленки пригодными для использования в качестве укрывного материала для сооружений защищенного грунта при выращивании под ними растений.
В конце первого месяца проведения исследования нами обнаружено разрушение слоя нанесенных модифицирующих добавок под действием влаги (дождь, роса). Вследствие низкой адгезии и инертности носителя (полиэтилен) слой добавок вымывался с поверхности пленки, при этом изменяя оптические и теплоудерживающие свойства экспериментальных пленок. На конец эксперимента (октябрь месяц) спектр пропускания ИК излучения экспериментальных пленок стал аналогичным спектру контрольной пленки (рис. 5).
Таким образом, модифицирование полиэтиленовых пленок методом магнетронного распыления металлосодержащими добавками придает теплоудерживающие свойства и экранирование ИК излучения на срок не более одного сельскохозяйственного сезона [8].
Заключение
В результате проведенного исследования в условиях эксплуатации полимерных материалов, модифицированных методом магнетронного распыления, установлены значения оптических и теплоудерживающих свойств. Показано, что к концу эксперимента значения таких свойств испытуемых материалов, а также спектральные характеристики и внешний вид приблизились к значениям контрольной пленки (ПЭВД) вследствие естественного удаления нанесенных покрытий, что связано с низкой адгезией добавок и инертностью основы (полиэтиленовой пленки).
Таким образом, срок эксплуатации исследуемых модифицированных пленок не превышает одного сельскохозяйственного сезона.
Вместе с тем такие пленки на начальном этапе при выращивании под ними растений оказывают положительный эффект на их рост и развитие. Такие пленки можно рекомендовать к использованию в регионе с экстремальным земледелием в ранневесенний или позднеосенний периоды, что позволит снизить энергозатраты при выращивании растений в защищенном грунте.