CN103374350B - 一种超微粒子蓄能型长余辉发光材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蓄能型长余辉发光材料及其制备方法,将多种金属氧化物分别与锰元素掺杂后,制成多种氧化物超微粒子粉体原料;再将所述多种氧化物超微粒子粉体原料全部混合均匀后,进行焙烧处理,制成蓄能型长余辉发光材料。本发明的制备工艺能耗低,制备的发光材料无毒害、无放射性,激发条件低,蓄光速度快,余辉亮度高、余辉时间长,发光性能稳定,适用范围广泛。

Description

一种超微粒子蓄能型长余辉发光材料及其制备方法
技术领域
本发明属于发光材料技术领域,具体涉及一种长余辉发光材料及其制备方法,特别是涉及一种超微粒子蓄能型长余辉发光材料及其制备方法。
背景技术
长余辉发光材料也被称作蓄光材料或夜光材料,指的是在自然光或其它人造光源照射下能够存储外界光辐照的能量,然后在室温下缓慢地以可见光的形式释放这些存储能量的光致发光材料。
长余辉发光材料的基本发光原理是在材料制备的过程中,掺杂的元素在基质中形成发光中心和陷阱中心,当受到外界光激发时,发光中心的基态电子跃迁到激发态,当这些电子从激发态跃迁回基态时,形成发光。同时,一些电子在受激时落入陷阱中心被束缚。光照撤除后,受环境温度的扰动,束缚于陷阱的电子跳出陷阱落到基态,释放的能量激发发光中心形成发光。由于束缚于陷阱的电子是受环境温度的扰动逐渐跳出陷阱,因此发光表现为一个长时间的过程,即形成了长的余辉。
常用的传统长余辉材料主要是硫化物体系材料,包括碱土金属硫化物和过渡元素硫化物,然而硫化物发光材料化学稳定性差,在紫外光照射或潮湿空气的作用下易分解,发光减弱,余辉时间短,从而限制了其广泛应用。
20世纪90年代以来,稀土掺杂的硫化物为长余辉材料的发展开辟了崭新的天地,添加稀土离子作为激活剂的发光材料的亮度和余辉时间大大提高,特别是稀土激活的碱土铝酸盐以及硅酸盐的长余辉材料具有发光效率高,余辉时间长,化学性质相对稳定,无放射性污染等优良特性,然而其还是存在着发光颜色单调,发射光谱主要集中在440-520nm范围内,且遇水不稳定或蓄光速度慢等缺陷。
目前可用来制备长余辉材料的方法主要有高温固相法、燃烧法、溶胶-凝胶法、化学沉淀法、水热合成法、电弧法、微波法、微乳液法等,其中高温固相法是应用最早和最普遍的方法,也是目前唯一真正实现工业化生产的方法,其将达到要求纯度、粒度的原料按一定比例称量、混合均匀后在一定温度、气氛、灼烧时间等条件下进行灼烧,然后经研磨、筛选等工艺制成。
授权公告号为CN100560688C的中国发明专利公开了一种长余辉发光材料,含有硫和/或硒和磷元素以及激活剂离子的复合铝酸盐发光材料,将各元素的原料混合后先在氧化气氛下烧结2-20小时,再于还原气氛下烧结2-30小时,制得的材料在500nm以下短波光激发下发出420-650nm的发射光谱,呈现蓝紫、蓝绿、黄绿、复合白光或红色发光颜色的长余辉发光,且吸光速度快,然而该方法制备能耗高,不利于大规模、低成本的工业化生产。
发明内容
本发明的首要目的是针对上述现有技术存在的问题提供一种能量消耗低、蓄光速度快,发光性能好、理化性质稳定的蓄能型长余辉发光材料及其制备方法,本发明利用掺杂锰元素的氧化物超微粒子粉体作为原料,制备工艺能耗低,制备的发光材料无毒害、无放射性,激发条件低,亮度持久,性能稳定,适用范围广泛。
为了达到上述目的,本发明一方面提供一种蓄能型长余辉发光材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
A)将多种金属氧化物分别与锰元素掺杂后,制成多种氧化物超微粒子粉体原料;
B)将上述多种氧化物超微粒子粉体原料全部混合均匀后,进行焙烧处理,制成蓄能型长余辉发光材料。
其中,所述多种金属氧化物选自:
氧化镁、氧化钛中的一种或两种;以及
氧化钇、氧化铕、氧化铝、氧化锶、氧化锌、氧化硅中的至少任意三种。
特别是,所述多种金属氧化物优选为同时含有氧化镁和氧化钛。
尤其是,所述多种金属氧化物优选为同时含有氧化镁、氧化钛、氧化钇、氧化铕、氧化铝、氧化锶、氧化锌和氧化硅。
本发明的氧化物超微粒子粉体原料均掺杂锰元素,锰元素的掺入可以提高氧化物超微粒子粉体原料及制备的蓄能型长余辉发光材料的稳定性,减缓发光材料亮度的衰减程度,从而有利于提高发光材料的性能。
其中,所述多种氧化物超微粒子粉体原料至少包括四种,每种氧化物超微粒子粉体原料的制备方法包括如下步骤:
A1)将每种金属氧化物与溶剂混合后进行研磨处理,得到混合液;
A2)在搅拌下将上述混合液与浓氨水同时滴入去离子水中,得到混合溶液;
A3)向上述混合溶液中加入硫酸锰溶液,搅拌至形成胶体溶液;
A4)将上述胶体溶液加热处理后进行粉碎,制得每种氧化物超微粒子粉体原料。
其中,步骤A1)中所述的溶剂为无水乙醇,所述金属氧化物与溶剂的重量比为1∶(0.8-1.2),优选为1∶1。特别是,所述金属氧化物的纯度至少≥99.95%。
其中,步骤A2)中所述混合液、浓氨水和去离子水之间的体积比为(10-20)∶(15-25)∶100,优选为15∶20∶100;所述浓氨水中氨的质量百分含量为25-35%。
其中,步骤A3)中所述硫酸锰溶液的质量百分含量为10-15%,所述混合溶液与硫酸锰溶液的体积比为(125-145)∶(20-30)。
其中,步骤A4)还包括:将所述胶体溶液与聚四氟乙烯分散液混合后,再进行所述的加热处理;其中所述聚四氟乙烯分散液的固含量为40-60%,所述胶体溶液与聚四氟乙烯分散液的体积比为(145-175)∶(200-300)。
本发明将氧化物与锰元素掺杂后制成超微粒子粉体原料,制备工艺能耗低,而且采用超微粒子粉体作为制备蓄能型长余辉发光材料的原料,可以使各种金属元素复合更加均匀,制备的发光材料性能更好、更加稳定。
其中,所述焙烧处理的温度为1200-1400℃,优选为1300-1350℃;处理时间为2-6小时,优选为3-5小时。
特别是,步骤A)中所述的多种金属氧化物包括氧化镁、氧化钛、氧化钇、氧化铕、氧化铝、氧化锶、氧化锌和氧化硅,步骤B)中所述多种氧化物超微粒子粉体原料中氧化镁超微粒子粉体原料、氧化钛超微粒子粉体原料、氧化钇超微粒子粉体原料、氧化铕超微粒子粉体原料、氧化铝超微粒子粉体原料、氧化锶超微粒子粉体原料、氧化锌超微粒子粉体原料和氧化硅超微粒子粉体原料的质量百分含量分别为6-20%、5-15%、14-20%、12-18%、8-20%、10-20%、10-20%、14-20%。
尤其是,所述多种氧化物超微粒子粉体原料中氧化镁超微粒子粉体原料、氧化钛超微粒子粉体原料、氧化钇超微粒子粉体原料、氧化铕超微粒子粉体原料、氧化铝超微粒子粉体原料、氧化锶超微粒子粉体原料、氧化锌超微粒子粉体原料和氧化硅超微粒子粉体原料的质量百分含量分别优选为9%、7%、16%、15%、11%、13%、13%、16%。
本发明另一方面提供一种蓄能型长余辉发光材料,按照上述方法制备而成。
本发明具有以下优点:
1、本发明以掺杂锰元素的氧化物超微粒子粉体作为制备长余辉发光材料的原料,制备工艺简单、能耗低,发光材料中各元素复合均匀,发光性能优异;
2、本发明的长余辉发光材料无毒无害无放射、不燃烧、不爆炸、不含其它有害重金属元素或化学物质,使用安全;
3、本发明的长余辉发光材料激发条件低,激发波长范围为200-450nm,激发光源易得,阳光、普通照明、环境杂散光都可作为激发光源,且不需要任何电源支持即可自动吸收任何光源和持续发光;
4、本发明的长余辉发光材料发光强度高,发光时间长,经10分钟照射即可产生高亮度余辉,是传统发光材料亮度的5-10倍,余辉时间在人眼可视亮度(≥0.32mcd/m2)情况下可长达20小时以上,远远超过人类生活中的应急要求;
5、本发明的长余辉发光材料具有较好的物理和化学特性,能在户外或恶劣环境下使用,并能抵抗较强的紫外线辐射,在强光长时间照射下性能不变,发光柔和、亮度高、理化指标安全稳定、抗老化性能优良,耐化学腐蚀性好,使用温度范围宽,应用广泛。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的蓄能型长余辉发光材料的激发光谱图;
图2是本发明实施例1制备的蓄能型长余辉发光材料的发射光谱图;
图3是本发明实施例4制备的蓄能型长余辉发光材料的激发光谱图;
图4是本发明实施例4制备的蓄能型长余辉发光材料的发射光谱图。
具体实施例方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明,本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的,并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是,在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换,但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
本发明所采用的金属氧化物原料中,氧化钇和氧化铕的纯度均≥99.995%,氧化镁、氧化钛、氧化铝、氧化锶、氧化锌和氧化硅的纯度均≥99.95%;聚四氟乙烯分散液的固含量为40-60%;浓氨水中氨的质量百分含量为25-35%。
实施例1
一、制备氧化物超微粒子粉体原料
1、将10g纯度为99.995%的氧化钇置于玛瑙研钵中,然后加入10g无水乙醇,搅拌,充分混合均匀后,置于球磨机中研磨处理10小时,至氧化钇的平均粒度达到1-10μm,得到氧化钇与无水乙醇的混合液;
2、在容器中加入100mL去离子水,于室温(25℃)在搅拌条件下同时将15mL上述混合液和20mL浓氨水缓慢滴加到去离子水中,搅拌,至沉淀完全溶解,得到氧化钇的混合溶液;
3、向上述沉淀完全溶解的混合溶液中加入20mL质量百分比浓度为10%的MnSO4溶液,混合均匀后,置入搅拌机中搅拌处理2h,至形成胶体溶液;
4、向水热反应釜中加入250mL聚四氟乙烯分散液,再加入上述胶体溶液,混合均匀后,将水热反应釜加热至110℃,于110℃下保持6h,得到块状固体材料;
5、将上述块状固体材料粉碎、过筛后,用去离子水洗涤3-5次,置于旋转烘箱中于60℃下烘干,然后粉碎,即制得掺杂锰元素的氧化钇超微粒子粉体原料;
6、按照上述1-5所述的步骤分别采用氧化镁、氧化钛、氧化铕、氧化铝、氧化锶、氧化锌、氧化硅作为原料,制备相应的掺杂锰元素的氧化物超微粒子粉体原料。
二、制备蓄能型长余辉发光材料
1、按照下述质量百分含量分别称取各掺杂锰元素的氧化物超微粒子粉体原料,原料共计100g:
氧化镁超微粒子粉体原料:  9%
氧化钛超微粒子粉体原料:  7%
氧化钇超微粒子粉体原料:  16%
氧化铕超微粒子粉体原料:  15%
氧化铝超微粒子粉体原料:  11%
氧化锶超微粒子粉体原料:  13%
氧化锌超微粒子粉体原料:  13%
氧化硅超微粒子粉体原料:  16%
2、将上述各掺杂锰元素的氧化物超微粒子粉体原料放入球磨坛中滚动混合5h,至各原料混合均匀;
3、将上述混合均匀的原料置于200mL刚玉坩埚中,在氮气保护下,于1300℃下焙烧处理4h,然后自然冷却至室温;
4、将冷却至室温的焙烧产物进行粉碎,用去离子水洗涤3-5次后,置于恒温烘箱中,于200℃下进行烘干,再次粉碎,过100目筛,即制得本发明的蓄能型长余辉发光材料。
将上述制备的蓄能型长余辉发光材料置于D65标准光源1000LX照度下照射10分钟后,用发光辉度计测定1分钟时的发光亮度以及发光材料达到0.32mcd/m2的辉度时的持续发光时间,结果见表1;
上述制备的蓄能型长余辉发光材料的激发光谱图见图1,发射光谱图见图2。
实施例2
按照下述质量百分含量分别称取实施例1制备的各掺杂锰元素的氧化物超微粒子粉体原料,原料共计100g:
氧化镁超微粒子粉体原料:  15%
氧化钛超微粒子粉体原料:  15%
氧化钇超微粒子粉体原料:  14%
氧化铕超微粒子粉体原料:  18%
氧化锌超微粒子粉体原料:  20%
氧化硅超微粒子粉体原料:  18%
按照实施例1所述方法将上述氧化物超微粒子粉体原料混合均匀后制成蓄能型长余辉发光材料;按照实施例1所述方法测定上述制备的发光材料的发光亮度及持续发光时间,结果见表1。
实施例3
按照下述质量百分含量分别称取实施例1制备的各掺杂锰元素的氧化物超微粒子粉体原料,原料共计100g:
氧化镁超微粒子粉体原料:  20%
氧化钇超微粒子粉体原料:  20%
氧化铝超微粒子粉体原料:  20%
氧化锶超微粒子粉体原料:  20%
氧化硅超微粒子粉体原料:  20%
按照实施例1所述方法将上述氧化物超微粒子粉体原料混合均匀后制成蓄能型长余辉发光材料;按照实施例1所述方法测定上述制备的发光材料的发光亮度及持续发光时间,结果见表1。
实施例4
一、制备氧化物超微粒子粉体原料
1、将10g纯度为99.95%的氧化镁置于玛瑙研钵中,然后加入12g无水乙醇,搅拌,充分混合均匀后,置于球磨机中研磨处理15小时,至氧化镁的平均粒度达到1-10μm,得到氧化镁与无水乙醇的混合液;
2、在容器中加入100mL去离子水,于室温(25℃)在搅拌条件下同时将20mL上述混合液和25mL浓氨水缓慢滴加到去离子水中,搅拌,至沉淀完全溶解,得到氧化镁的混合溶液;
3、向上述沉淀完全溶解的混合溶液中加入30mL质量百分比浓度为15%的MnSO4溶液,混合均匀后,置入搅拌机中搅拌处理3h,至形成胶体溶液;
4、向水热反应釜中加入300mL聚四氟乙烯分散液,再加入上述胶体溶液,混合均匀后,将水热反应釜加热至110℃,于110℃下保持8h,得到块状固体材料;
5、将上述块状固体材料粉碎、过筛后,用去离子水洗涤3-5次,置于旋转烘箱中于60℃下烘干,然后粉碎,即制得掺杂锰元素的氧化镁超微粒子粉体原料;
6、按照上述1-5所述的步骤分别采用氧化钛、氧化钇、氧化铕、氧化铝、氧化锶、氧化锌、氧化硅作为原料,制备相应的掺杂锰元素的氧化物超微粒子粉体原料。
二、制备蓄能型长余辉发光材料
1、按照下述质量百分含量分别称取各掺杂锰元素的氧化物超微粒子粉体原料,原料共计100g:
氧化镁超微粒子粉体原料:  9%
氧化钇超微粒子粉体原料:  18%
氧化铕超微粒子粉体原料:  17%
氧化铝超微粒子粉体原料:  14%
氧化锶超微粒子粉体原料:  13%
氧化锌超微粒子粉体原料:  13%
氧化硅超微粒子粉体原料:  16%
2、将上述各掺杂锰元素的氧化物超微粒子粉体原料放入球磨坛中滚动混合4h,至各原料混合均匀;
3、将上述混合均匀的原料置于200mL刚玉坩埚中,在氮气保护下,于1350℃下焙烧处理3h,然后自然冷却至室温;
4、将冷却至室温的焙烧产物进行粉碎,用去离子水洗涤3-5次后,置于恒温烘箱中,于200℃下进行烘干,再次粉碎,过100目筛,即制得本发明的蓄能型长余辉发光材料。
按照实施例1所述方法测定上述制备的发光材料的发光亮度及持续发光时间,结果见表1;上述制备的蓄能型长余辉发光材料的激发光谱图见图3,发射光谱图见图4。
实施例5
按照下述质量百分含量分别称取实施例4制备的各掺杂锰元素的氧化物超微粒子粉体原料,原料共计100g:
氧化镁超微粒子粉体原料:  6%
氧化钛超微粒子粉体原料:  10%
氧化钇超微粒子粉体原料:  18%
氧化铕超微粒子粉体原料:  12%
氧化铝超微粒子粉体原料:  10%
氧化锶超微粒子粉体原料:  15%
氧化锌超微粒子粉体原料:  15%
氧化硅超微粒子粉体原料:  14%
按照实施例3所述方法将上述氧化物超微粒子粉体原料混合均匀后制成蓄能型长余辉发光材料;按照实施例1所述方法测定上述制备的发光材料的发光亮度及持续发光时间,结果见表1。
实施例6
一、制备氧化物超微粒子粉体原料
1、将10g纯度为99.995%的氧化钇置于玛瑙研钵中,然后加入8g无水乙醇,搅拌,充分混合均匀后,置于球磨机中研磨处理8小时,至氧化钇的平均粒度达到1-10μm,得到氧化钇与无水乙醇的混合液;
2、在容器中加入100mL去离子水,于室温(25℃)在搅拌条件下同时将10mL上述混合液和15mL浓氨水缓慢滴加到去离子水中,搅拌,至沉淀完全溶解,得到氧化钇的混合溶液;
3、向上述沉淀完全溶解的混合溶液中加入25mL质量百分比浓度为10%的MnSO4溶液,混合均匀后,置入搅拌机中搅拌处理2h,至形成胶体溶液;
4、向水热反应釜中加入200mL聚四氟乙烯分散液,再加入上述胶体溶液,混合均匀后,将水热反应釜加热至110℃,于110℃下保持6h,得到块状固体材料;
5、将上述块状固体材料粉碎、过筛后,用去离子水洗涤3-5次,置于旋转烘箱中于60℃下烘干,然后粉碎,即制得掺杂锰元素的氧化钇超微粒子粉体原料;
6、按照上述1-5所述的步骤分别采用氧化钛、氧化铕、氧化铝、氧化锶、氧化锌、氧化硅作为原料,制备相应的掺杂锰元素的氧化物超微粒子粉体原料。
二、制备蓄能型长余辉发光材料
1、按照下述质量百分含量分别称取各掺杂锰元素的氧化物超微粒子粉体原料,原料共计100g:
氧化钛超微粒子粉体原料:  12%
氧化钇超微粒子粉体原料:  16%
氧化铕超微粒子粉体原料:  15%
氧化铝超微粒子粉体原料:  15%
氧化锶超微粒子粉体原料:  13%
氧化锌超微粒子粉体原料:  13%
氧化硅超微粒子粉体原料:  16%
2、将上述各掺杂锰元素的氧化物超微粒子粉体原料放入球磨坛中滚动混合5h,至各原料混合均匀;
3、将上述混合均匀的原料置于200mL刚玉坩埚中,在氮气保护下,于1200℃下焙烧处理6h,然后自然冷却至室温;
4、将冷却至室温的焙烧产物进行粉碎,用去离子水洗涤3-5次后,置于恒温烘箱中,于200℃下进行烘干,再次粉碎,过100目筛,即制得本发明的蓄能型长余辉发光材料。
按照实施例1所述方法测定上述制备的发光材料的发光亮度及持续发光时间,结果见表1。
对照例1
以普通市售的(Ca、Sr)S:Eu,Tm发光材料作为对照例,按照实施例1所述方法测定普通市售发光材料的发光亮度及持续发光时间,结果见表1。
表1本发明制备的蓄能型长余辉发光材料的发光亮度及发光时间
  实施例   发光强度(mcd/m2)   持续发光时间(h)
  实施例1   1095   >20h
  实施例2   852   >20h
  实施例3   745   >20h
  实施例4   718   >18h
  实施例5   986   >20h
  实施例6   625   >16h
  对照例1   116   <1h
表1结果表明:本发明制备的蓄能型长余辉发光材料的发光强度高,发光时间长,经10分钟照射即可产生高亮度余辉,是传统发光材料亮度的5-10倍,余辉时间在人眼可视亮度(0.32mcd/m2)情况下可长达20小时以上,远远超过人类生活中的应急要求,应用范围广泛。

Claims (8)

1.一种蓄能型长余辉发光材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
A)将多种金属氧化物分别与锰元素掺杂后,制成多种氧化物超微粒子粉体原料;
B)将上述多种氧化物超微粒子粉体原料全部混合均匀后,进行焙烧处理,制成蓄能型长余辉发光材料;
其中,步骤A)所述多种金属氧化物选自:氧化镁、氧化钛中的一种或两种;以及氧化钇、氧化铕、氧化铝、氧化锶、氧化锌、氧化硅中的至少任意三种;
其中,步骤A)所述的多种氧化物超微粒子粉体原料至少包括四种,其种每种氧化物超微粒子粉体原料的制备方法包括如下步骤:
A1)将每种金属氧化物与溶剂混合后进行研磨处理,得到混合液;
A2)在搅拌下将上述混合液与浓氨水同时滴入去离子水中,得到混合溶液;
A3)向上述混合溶液中加入硫酸锰溶液,搅拌至形成胶体溶液;
A4)将上述胶体溶液加热处理后进行粉碎,制得每种氧化物超微粒子粉体原料。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤A1)中所述的溶剂为无水乙醇,所述金属氧化物与溶剂的重量比为1:(0.8-1.2)。
3.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,步骤A2)中所述混合液、浓氨水和去离子水之间的体积比为(10-20):(15-25):100。
4.如权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤A3)中所述硫酸锰溶液的质量百分含量为10-15%,所述混合溶液与硫酸锰溶液的体积比为(125-145):(20-30)。
5.如权利要求3所述的制备方法,其特征在于,步骤A4)还包括:将所述胶体溶液与聚四氟乙烯分散液混合后,再进行所述的加热处理;其中所述聚四氟乙烯分散液的固含量为40-60%,所述胶体溶液与聚四氟乙烯分散液的体积比为(145-175):(200-300)。
6.如权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,所述焙烧处理的温度为1200-1400℃,处理时间为2-6小时。
7.如权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,步骤A)中所述的多种金属氧化物包括氧化镁、氧化钛、氧化钇、氧化铕、氧化铝、氧化锶、氧化锌和氧化硅,步骤B)中所述多种氧化物超微粒子粉体原料中氧化镁超微粒子粉体原料、氧化钛超微粒子粉体原料、氧化钇超微粒子粉体原料、氧化铕超微粒子粉体原料、氧化铝超微粒子粉体原料、氧化锶超微粒子粉体原料、氧化锌超微粒子粉体原料和氧化硅超微粒子粉体原料的质量百分含量分别为6-20%、5-15%、14-20%、12-18%、8-20%、10-20%、10-20%、14-20%。
8.一种蓄能型长余辉发光材料,其特征在于,按照上述任一所述制备方法制备而成。
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