CN104944769A

CN104944769A - 建造农业温室用掺稀土光转换玻璃

Info

Publication number: CN104944769A
Application number: CN201510268194.8A
Authority: CN
Inventors: 吕景文; 彭海益; 石雨强; 姜丽雪; 吴瑕; 王禹澄
Original assignee: Changchun University of Science and Technology
Current assignee: Changchun University of Science and Technology
Priority date: 2015-05-25
Filing date: 2015-05-25
Publication date: 2015-09-30

Abstract

建造农业温室用掺稀土光转换玻璃属于光功能玻璃技术领域。现有掺稀土光转换玻璃其发射光谱未能最大程度地与叶绿素吸收光谱重叠，并且化学稳定性低，制造成本高。本发明之建造农业温室用掺稀土光转换玻璃在基质玻璃中掺入稀土元素，其特征在于，所述基质玻璃为Na₂O-CaO-SiO₂玻璃，共掺稀土元素铈、钐、铥，并且，所述稀土元素分别以引入基质玻璃配料重量0.1～1.0wt％的Ce₂O₃、0.3～1.2wt％的Sm₂O₃以及0.1～0.6wt％的Tm₂O₃的方式引入。本发明能够将对植物有强烈破坏作用的近紫外光转化为能够与植物叶绿素发生光合作用的蓝紫光和红橙光，并与叶绿素吸收光谱高度重叠，化学稳定性高，制造成本低，能够用于农业温室的建造。

Description

建造农业温室用掺稀土光转换玻璃

技术领域

本发明涉及一种建造农业温室用掺稀土光转换玻璃，属于光功能玻璃技术领域。

背景技术

农作物的生长和收成与光合作用密切相关。影响植物光合作用的因素除了光强度和光周期之外，波长也是很重要影响的因素。叶绿素主要吸收380～470nm的蓝紫光和590～670nm的红橙光，叶绿素a的吸收峰为440nm和662nm，叶绿素b的吸收峰为463nm和642nm。而80～400nm(其中200～300nm为日盲区)的近紫外光对植物有强烈的破坏作用。可见，如果能够将所述近紫外光转换为所述蓝紫光和所述红橙光，则可以在化害为利充分利用太阳能的同时，增强农作物的光合作用。掺稀土光转换玻璃则能够实现这种转换，具体应用形式就是采用这种光转换玻璃建造农业温室。

姜淳等人2001年发表的一篇题为“Ce³⁺掺杂氧化物的发光特征”的文章公开一种方案。该方案制备了掺铈硼酸盐、硅酸盐、磷酸盐和锗酸盐等玻璃，在不同的基质中Ce³⁺的激发峰值波长在290～380nm波段内，发射峰值波长则在349～480nm波段内，实现了紫外向蓝紫的转换。不过，所实现的这种转换与叶绿素a、叶绿素b的吸收光谱重叠程度不够，如发射峰值波长不含红橙光；另外，对有害紫外光的化解不够彻底，如其发射峰值波长还有一部分在349～400nm范围内。

由石鹏途于2002年发表的一篇题为“农用转光玻璃研究——稀土激活硼酸盐玻璃的合成及荧光性质”的文章披露了一种方案。该方案涉及一种BaLBE体系玻璃，即BaO-La₂O₃-B₂O₃-Eu₂O₃玻璃，该玻璃基质能够同时稳定Eu³⁺和Eu²⁺两种离子，在紫外光激发下，分别产生锐线红色发射峰和宽带蓝色发射峰。但是，该方案存在以下问题：首先，其红色发射光为620nm的锐线，而叶绿素a的一个吸收峰为662nm，叶绿素b的一个吸收峰为642nm，显然其光谱重叠程度不高；其次，BaO-La₂O₃-B₂O₃-Eu₂O₃基质玻璃属于硼酸盐玻璃，其化学性质极不稳定，并且造价高，不适合作为窗用平板玻璃。

由石鹏途于2006年发表的一篇题为“稀土转光玻璃的合成及荧光性质的研究”的文章提出了一种掺稀土光转换玻璃的方案。在该方案中，钐存在650nm的发射峰，铈的发射峰值波长为393nm，发射波段一直延伸到500nm，具有增强光合作用的效果。但是，该方案存在以下问题：首先，铈的发射波段在叶绿素a的吸收峰440nm和叶绿素b的吸收峰463nm的光强度已经明显减弱；其次，由于该方案玻璃基质为CaO-B₂O₃-SiO₂，因此，这种光转换玻璃的化学稳定性较差，并且，CaO-B₂O₃-SiO₂基质玻璃造价相当昂贵，因此，不适合作为窗用平板玻璃。

章学安于2013年发表的一篇题为“稀土掺杂紫外转光硼酸盐玻璃制备与发光机制”的文章公开了一种方案。该方案采用熔融法制造一种掺稀土光转换玻璃，玻璃组分为(40-x)ZnO-xZnF₂-40B₂O₃-10SiO₂-5K₂O-5CaO-10Al₂O₃:Eu₂O₃，x＝0,10,20,30,and 40mol％，属于一种硼硅酸盐氟氧化物玻璃。采用FTIR、PL详细分析了所制得的玻璃样品的光学性质，得出该玻璃的蓝紫光和红橙光波段发射峰分别位于400nm和620nm，与叶绿素吸收光谱重叠程度不高，而作为硼硅酸盐玻璃，其化学稳定性依然不够理想，依然不适合用作窗用平板玻璃。

发明内容

本发明的目的是获得一种能够将对植物有强烈破坏作用的近紫外光转化为能够与植物叶绿素发生光合作用的蓝紫光和红橙光的掺稀土光转换玻璃，并且，提高该掺稀土光转换玻璃发射光谱与叶绿素吸收光谱的重叠程度，同时提高其化学稳定性，降低制造成本，使其能够用于农业温室的建造，为此，我们发明了一种建造农业温室用掺稀土光转换玻璃。

本发明之建造农业温室用掺稀土光转换玻璃在基质玻璃中掺入稀土元素，其特征在于，所述基质玻璃为Na₂O-CaO-SiO₂玻璃，共掺稀土元素铈、钐、铥，并且，所述稀土元素分别以引入基质玻璃配料重量0.1～1.0wt％的Ce₂O₃、0.3～1.2wt％的Sm₂O₃以及0.1～0.6wt％的Tm₂O₃的方式引入。

本发明其技术效果在于，在Na₂O-CaO-SiO₂基质玻璃中，掺入的稀土离子Ce³⁺、Tm³⁺、Sm³⁺成为激活剂。在近紫外光的激发下，Ce³⁺离子由于其特征4f-5d跃迁使其围绕420nm波长形成了一个宽带发射，如图1所示。在近紫外光的激发下，Tm³⁺离子围绕450nm波长形成了一个宽带发射，如图2所示。可见，铈和铥的发射光谱几乎覆盖了整个蓝紫光波段，而这一波段正是叶绿素的一个吸收波段所在。在近紫外光的激发下，Sm³⁺离子由于⁴G_5/2→⁶H_9/2跃迁而产生650nm峰值波长发射，如图3所示，这一波长位于叶绿素a的662nm吸收峰及叶绿素b的642nm吸收峰之间，形成对叶绿素红橙光吸收波段的覆盖。

众所周知，Na₂O-CaO-SiO₂玻璃相对于硼酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃和锗酸盐玻璃而言，其化学稳定性非常高，而造价却很低。

附图说明

图1为在Na₂O-CaO-SiO₂基质玻璃中分别单掺0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.7、1.0(wt％)的Ce₂O₃的各个玻璃样品在320nm近紫外光激发下的发射光谱曲线图，由该曲线图可知，掺入0.2wt％的Ce₂O₃得到最大发射光强度。

图2为在Na₂O-CaO-SiO₂基质玻璃中共掺铈、铥，Ce₂O₃的掺入量均为0.2wt％，Tm₂O₃掺入量分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6(wt％)的各个玻璃样品在350nm近紫外光激发下的发射光谱曲线图，由该曲线图可知，当掺入0.2wt％的Ce₂O₃时，掺入0.4wt％的Tm₂O₃得到最大发射光强度。

图3为在Na₂O-CaO-SiO₂基质玻璃中共掺铈、铥、钐，Ce₂O₃的掺入量均为0.2wt％，Tm₂O₃的掺入量均为0.4wt％，Sm₂O₃的掺入量分别为0.3、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2(wt％)的各个玻璃样品在400nm近紫外光激发下的发射光谱曲线图，由该曲线图可知，当掺入0.2wt％的Ce₂O₃、0.4wt％的Tm₂O₃时，掺入1.1wt％的Sm₂O₃在650nm得到一个峰值波长；该图同时作为摘要附图。

具体实施方式

Na₂O-CaO-SiO₂基质玻璃配料组分及配比(wt％)为：

SiO₂	Al₂O₃	CaCO₃	MgO	Na₂CO₃	KNO₃	NaCl	Sb₂O₃
								70	3	10.5	2.5	12.5	0.5	0.7	0.3

在所述Na₂O-CaO-SiO₂基质玻璃中分别单掺该配料重量的0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.7、1.0(wt％)的Ce₂O₃。经过混料、在1460～1480℃温度下熔炼30～40min、在500℃温度下退火2～8h，得到7个玻璃样品。测试该7个玻璃样品在320nm近紫外光激发下的光照强度，得到一组发射光谱曲线，如图1所示，由该曲线图可知，掺入0.2wt％的Ce₂O₃得到最大发射光强度，Ce₂O₃的掺入量为0.3wt％、0.4wt％时发射光强度明显下降，达到1.0wt％时，发射光强度非常弱。所述7个玻璃样品发射光谱在360～460nm范围内，是能够增强农作物光合作用的蓝紫光。

在所述Na₂O-CaO-SiO₂基质玻璃中掺入该配料重量的0.2wt％的Ce₂O₃，再分别掺入该配料重量的0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6(wt％)的Tm₂O₃。经过混料、在1460～1480℃温度下熔炼30～40min、在500℃温度下退火2～8h，得到6个玻璃样品。测试该6个玻璃样品在350nm近紫外光激发下的光照强度，得到一组发射光谱曲线，如图2所示，由该曲线图可知，掺入0.4wt％的Tm₂O₃得到最大发射光强度，发射光谱也最宽，所述6个玻璃样品发射光谱在380～460nm范围内，是能够增强农作物光合作用的蓝紫光。

在所述Na₂O-CaO-SiO₂基质玻璃中掺入该配料重量0.2wt％的Ce₂O₃及0.4wt％的Tm₂O₃，再分别掺入该配料重量的0.3、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2(wt％)的Sm₂O₃。经过混料、在1460～1480℃温度下熔炼30～40min、在500℃温度下退火2～8h，得到9个玻璃样品。测试该9个玻璃样品在400nm近紫外光激发下的光照强度，得到一组发射光谱曲线，如图3所示，由该曲线图可知，当Sm₂O₃的掺入量小于1.1wt％时，发射光强度随掺入量的增加而增强，并在1.1wt％达到峰值，掺入量为1.2wt％时开始出现下降趋势，发射光谱的一个峰值波长为650nm，这是能够增强农作物光合作用的红橙光。

根据具体实施方式的上述内容，本发明进一步确认Ce₂O₃、Tm₂O₃、Sm₂O₃的掺入量依次为Na₂O-CaO-SiO₂基质玻璃配料重量的0.2～0.6wt％、0.2～0.5wt％、0.8～1.1wt％。

Claims

1.一种建造农业温室用掺稀土光转换玻璃，在基质玻璃中掺入稀土元素，其特征在于，所述基质玻璃为Na₂O-CaO-SiO₂玻璃，共掺稀土元素铈、钐、铥，并且，所述稀土元素分别以引入基质玻璃配料重量0.1～1.0wt％的Ce₂O₃、0.3～1.2wt％的Sm₂O₃以及0.1～0.6wt％的Tm₂O₃的方式引入。

2.根据权利要求1所述的建造农业温室用掺稀土光转换玻璃，其特征在于，Na₂O-CaO-SiO₂基质玻璃配料组分及配比为：SiO₂70wt％，Al₂O₃3wt％，CaCO₃10.5wt％，MgO 2.5wt％，Na₂CO₃12.5wt％，KNO₃0.5wt％，NaCl 0.7wt％，Sb₂O₃0.3wt％；Ce₂O₃、Tm₂O₃、Sm₂O₃的掺入量依次为Na₂O-CaO-SiO₂基质玻璃配料重量的0.2～0.6wt％、0.2～0.5wt％、0.8～1.1wt％。