CN109250910B - 一种荧光玻璃材料及其制备方法、灯罩和植物灯 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学技术领域，尤其涉及一种荧光玻璃材料及其制备方法、灯罩和植物灯。本发明提供了一种荧光玻璃材料，荧光玻璃材料的化学组成为(P2O5)0.56(B2O3)0.15(Al2O3)0.20(ZnF2)0.10(Eu2O3)x(Sm2O3)y；其中，0＜x+y≤0.005。本发明荧光玻璃材料通过掺杂铕和/或钐，使得能够在激发光源的激发下，发射峰值在410nm左右的蓝紫光和峰值在610nm和/或644nm左右的红光，发射光能够匹配植物吸收特性，为植物提供生长需求进行光合作用。

Description

一种荧光玻璃材料及其制备方法、灯罩和植物灯
技术领域
本发明属于光学技术领域，尤其涉及一种荧光玻璃材料及其制备方法、灯罩和植物灯。
背景技术
叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，叶绿素吸收大部分的红光和蓝光但反射绿光，所以叶绿素呈现绿色，它在光合作用的光吸收中起核心作用，包括叶绿素a、叶绿素b、叶绿素c、叶绿素d、叶绿素f以及原叶绿素和细菌叶绿素等。高等植物叶绿体中的叶绿素主要有叶绿素a和叶绿素b两种，叶绿素的可见光波段的吸收光谱，在蓝光和红光处各有一显著的吸收峰，吸收峰的位置随叶绿素种类不同而有所不同。如叶绿素a最大吸收峰分别出现在430nm及670nm附近；叶绿素b的最大吸收峰则分别出现在470nm及630nm附近。
为了促进植物生长，常采用人工光源为植物提供生长需求进行光合作用。但是，目前还没有针对叶绿素吸收波长对应的荧光玻璃材料。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种荧光玻璃材料及其制备方法、灯罩和植物灯，本发明荧光玻璃材料的发射波长与叶绿素吸收波长相对应，能够降低光谱能量损失，提高能量利用率。
本发明的具体技术方案如下：
一种荧光玻璃材料，荧光玻璃材料的化学组成为(P2O5)0.56(B2O3)0.15(Al2O3)0.20(ZnF2)0.10(Eu2O3)x(Sm2O3)y；
其中，0＜x+y≤0.005。
本发明荧光玻璃材料通过掺杂铕和/或钐，使得能够在激发光源的激发下，发射峰值在410nm左右的蓝紫光和峰值在610nm和/或644nm左右的红光，发射光能够匹配植物吸收特性，为植物提供生长需求进行光合作用。
本发明中，荧光玻璃材料发射的混合光中蓝紫光和红光的比例可以通过调节Sm3+/Eu3+掺杂量进行调节，随Sm3+/Eu3+掺杂量的增加，410nm左右的蓝紫光发光相对强度降低，610nm和644nm左右的红光发光相对强度增加。荧光玻璃材料在610nm和/或644nm左右的发射光还可通过在254nm激发光源的基础上额外补加波长为400nm左右的激发光源加以调节混合光成分。
优选的，0＜x+y≤0.0025。
本发明还提供上述技术方案所述荧光玻璃材料的制备方法，包括以下步骤：
将磷源、硼源、铝源、氟化锌、铕源和钐源进行固相反应，得到化学组成为(P2O5)0.56(B2O3)0.15(Al2O3)0.20(ZnF2)0.10(Eu2O3)x(Sm2O3)y的荧光玻璃材料；
其中，0＜x+y≤0.005。
优选的，所述固相反应的温度为1350℃～1550℃；
所述固相反应的时间为10min～40min。
更优选的，固相反应的温度为1400℃～1500℃；
固相反应的时间为10min～30min。
进一步优选的，固相反应的温度为1450℃；
固相反应的时间为10min。
本发明中，进行固相反应之前还包括：将磷源、硼源、铝源、氟化锌、铕源和钐源进行研磨，混合均匀。
固相反应具体包括：在空气氛围下以4℃/min～8℃/min从25℃加热到1350℃～1550℃后，在1350℃～1550℃下进行10min～40min固相反应。
固相反应之后还包括：在270℃～310℃淬火，再在270℃～310℃退火2h～3h。
优选的，所述磷源选自NH4H2PO4、(NH4)2HPO4或(NH4)3PO4；
所述硼源为H3BO3；
所述铝源选自Al2O3、Al(OH)3或Al2(CO3)3；
所述铕源选自Eu2O3、EuF3、乙酸铕(III)或乙酸铕(III)水合物；
所述钐源选自Sm2O3、SmF3、乙酸钐(III)或乙酸钐(III)水合物。
优选的，所述磷源中的磷、所述硼源中的硼、所述铝源中的铝、所述氟化锌中的锌、所述铕源中的铕和所述钐源中的钐的摩尔比为(55～57)：(14～16)：(19～21)：(9～11)：(0～0.005)：(0～0.005)。
更优选的，所述磷源中的磷、所述硼源中的硼、所述铝源中的铝、所述氟化锌中的锌、所述铕源中的铕和所述钐源中的钐的摩尔比为(55.5～56.5)：(14.5～15.5)：(19.5～20.5)：(9.5～10.5)：(0～0.0025)：(0～0.0025)。
进一步优选的，所述磷源中的磷、所述硼源中的硼、所述铝源中的铝、所述氟化锌中的锌、所述铕源中的铕和所述钐源中的钐的摩尔比为56：15：20：10：0.00625：0.00625。
本发明还提供一种玻璃，玻璃的材料包括上述技术方案所述荧光玻璃材料或上述技术方案所述制备方法制得的荧光玻璃材料。
本发明还提供一种灯罩，灯罩的材料包括上述技术方案所述荧光玻璃材料或上述技术方案所述制备方法制得的荧光玻璃材料。
植物生长灯能够为植物提供生长需求进行光合作用的人工光源，可以在促进植物生长的同时降低光谱能量损失、提高能量利用率。LED作为绿色高效的新照明光源，其应用越来越广泛，它具有发光效率高、能量消耗低、使用寿命长、材料可回收、环保等优点。采用LED作为植物生长光源，促进植物生长已经成为LED重要应用领域。目前市面上的植物灯绝大多数都是由发射不同波长光的LED混合而成，但LED体积很小，存在光源自身散热问题及光线分布不均匀的问题。
本发明还提供一种植物灯，包括上述技术方案所述灯罩和激发光源。
本发明中，植物灯的灯罩材料为上述技术方案荧光玻璃材料或上述技术方案制备方法制得的荧光玻璃材料，能够在激发光源的激发下，发射峰值在410nm左右的蓝紫光和峰值在610nm和/或644nm左右的红光，发射光能够匹配植物吸收特性。灯罩可根据需要设计成不同面积，不存在光源自身散热问题及光线分布不均匀的问题，能够替代传统的LED加荧光粉型植物灯。
优选的，所述激发光源的波长为240nm～270nm。
更优选的，所述激发光源的波长为245nm～265nm。
进一步优选的，所述激发光源的波长为254nm。低压汞灯发射光谱能量集中在253.7nm左右，是可以使用的一种激发光源，相应波长的LED芯片也可用作激发光源。
混合光成分的不同对植物的作用效果也将不同，本发明中，灯罩和激发光源优选为分体式，可通过更换使用不同钐和铕掺杂量的荧光玻璃材料的灯罩增强植物灯的使用范围，更换成本低、操作方便。
本发明中，荧光玻璃材料的形状更具可塑性，可根据激发光源，设计成柱形或面状等有效解决散热和光线分布不均匀等问题的灯罩。
本发明中，植物灯在610nm和/或644nm左右的发射光还可通过在254nm激发光源的基础上额外补加波长为400nm左右的激发光源加以调节混合光成分。
综上所述，本发明提供了一种荧光玻璃材料，荧光玻璃材料的化学组成为(P2O5)0.56(B2O3)0.15(Al2O3)0.20(ZnF2)0.10(Eu2O3)x(Sm2O3)y；其中，0＜x+y≤0.005。本发明荧光玻璃材料通过掺杂铕和/或钐，使得能够在激发光源的激发下，发射峰值在410nm左右的蓝紫光和峰值在610nm和/或644nm左右的红光，发射光能够匹配植物吸收特性，为植物提供生长需求进行光合作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例中PBA-Eu-Sm、PBA-Eu和PBA-Sm的紫外可见吸收光谱图；
图2为本发明实施例中PBA-Eu-Sm在254nm光激发下的发射光谱图；
图3为本发明实施例中PBA-Eu-Sm在监控416nm、616nm及651nm波长条件下的激发光谱图；
图4为本发明实施例中叶绿素a的紫外可见吸收光谱图；
图5为苯发明实施例中叶绿素b的紫外可见吸收光谱图；
图6为本发明实施例中PBA-Eu在254nm光激发下的发射光谱图；
图7为本发明实施例中PBA-Eu在监控418nm及616nm波长条件下的激发光谱图；
图8为本发明实施例中PBA-Sm在254nm光激发下的发射光谱图；
图9为本发明实施例中PBA-Sm在监控414nm及651nm波长条件下的激发光谱图；
图10为本发明实施例5中提供的一种植物灯的主视图；
图11为本发明实施例5中提供的一种植物灯的左视图；
图12为本发明实施例5中提供的一种植物灯的俯视图；
图13为本发明实施例6中提供的一种植物灯的主视图；
图14为本发明实施例6中提供的一种植物灯的左视图；
图15为本发明实施例6中提供的一种植物灯的俯视图；
图16为本发明实施例7中提供的一种植物灯的主视图；
图17为本发明实施例7中提供的一种植物灯的左视图；
图18为本发明实施例7中提供的一种植物灯的俯视图；
其中，PBA-Eu为(P2O5)0.56(B2O3)0.15(Al2O3)0.20(ZnF2)0.10(Eu2O3)0.0025，PBA-Sm-Eu为(P2O5)0.56(B2O3)0.15(Al2O3)0.20(ZnF2)0.10(Eu2O3)0.000625(Sm2O3)0.000625，PBA-Sm为(P2O5)0.56(B2O3)0.15(Al2O3)0.20(ZnF2)0.10(Sm2O3)0.0025；
图示说明：1.灯罩；2.激发光源；3.灯头；4.UV-LED。
具体实施方式
本发明提供了一种荧光玻璃材料及其制备方法、灯罩和植物灯，用于解决现有技术中的技术缺陷。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例进行PBA-Eu-Sm荧光玻璃材料的制备，采用摩尔比为56：15：20：10：0.00625：0.00625的NH4H2PO4、H3BO3、Al2O3、ZnF2、Eu2O3和Sm2O3经过研磨预混合均匀，在电炉中空气氛围下以5℃/min从25℃加热到1450℃后立即取出，倒在290℃铜板上淬火，然后在290℃退火3h即得化学组成为(P2O5)0.56(B2O3)0.15(Al2O3)0.20(ZnF2)0.10(Eu2O3)0.000625(Sm2O3)0.000625的PBA-Eu-Sm荧光玻璃材料。
实施例2
本实施例进行PBA-Eu荧光玻璃材料的制备，采用摩尔比为56：15：20：10：0.0025：0的NH4H2PO4、H3BO3、Al2O3、ZnF2和Eu2O3经过研磨预混合均匀，在电炉中空气氛围下以5℃/min从25℃加热到1450℃后立即取出，倒在290℃铜板上淬火，然后在290℃退火3h即得化学组成为(P2O5)0.56(B2O3)0.15(Al2O3)0.20(ZnF2)0.10(Eu2O3)0.0025的PBA-Eu荧光玻璃材料。
实施例3
本实施例进行PBA-Sm荧光玻璃材料的制备，采用摩尔比为56：15：20：10：0：0.0025的NH4H2PO4、H3BO3、Al2O3、ZnF2和Sm2O3经过研磨预混合均匀，在电炉中空气氛围下以5℃/min从25℃加热到1450℃后立即取出，倒在290℃铜板上淬火，然后在290℃退火3h即得化学组成为(P2O5)0.56(B2O3)0.15(Al2O3)0.20(ZnF2)0.10(Sm2O3)0.0025的PBA-Sm荧光玻璃材料。
实施例4
对实施例1PBA-Eu-Sm荧光玻璃材料、实施例2PBA-Eu荧光玻璃材料和对比例3PBA-Sm荧光玻璃材料进行紫外可见吸收光检测，结果如图1所示。结果表明，PBA-Eu-Sm荧光玻璃材料、PBA-Eu荧光玻璃材料和PBA-Sm荧光玻璃材料在可见光区无明显吸收，均为无色透明玻璃材料。
对PBA-Eu-Sm荧光玻璃材料的发射光和激发光进行检测，结果如图2和图3所示。结果表明，PBA-Eu-Sm荧光玻璃材料在254nm光激发下，发射光主要集中在375nm～475nm和575nm～720nm这两个范围，峰值分别为416nm和616nm。图4和图5分别为叶绿素a和叶绿素b的紫外可见吸收光谱图，PBA-Eu-Sm荧光玻璃材料的发射光谱与叶绿素a/b的吸收光谱相吻合。其中，低压汞灯发射光谱能量集中在253.7nm左右，是可以使用的一种激发光源，相应波长的LED芯片也可用作激发光源。
对PBA-Eu荧光玻璃材料的发射光和激发光进行检测，结果如图6和图7所示。结果表明，PBA-Eu荧光玻璃材料在254nm光激发下，发射光主要集中在375nm～475nm和575nm～720nm这两个范围，峰值分别为418nm和616nm，PBA-Eu荧光玻璃材料与叶绿素a/b的吸收光谱相吻合。
对PBA-Sm荧光玻璃材料的发射光和激发光进行检测，结果如图8和图9所示。结果表明，PBA-Sm荧光玻璃材料在254nm光激发下，发射光主要集中在375nm～475nm和575nm～720nm这两个范围，峰值分别为415nm、600nm及651nm左右，PBA-Sm荧光玻璃材料与叶绿素a/b的吸收光谱相吻合。
与PBA-Eu荧光玻璃材料相比，PBA-Eu-Sm荧光玻璃材料在375nm～475nm发射光的相对强度更高；与PBA-Sm荧光玻璃材料相比，PBA-Eu-Sm荧光玻璃材料在616nm发射光的相对强度更高，更匹配植物吸收特性，更利于为植物提供生长需求进行光合作用。
实施例5
本实施例提供了一种灯泡型植物灯，请参阅图10至图12，分别为本发明实施例5中提供的一种植物灯的主视图、左视图和俯视图。本实施例灯泡型植物灯包括灯罩1、激发光源2和灯头3，激光光源2设置于灯罩1内，灯罩1的材料为PBA-Eu-Sm荧光玻璃材料。
实施例6
本实施例提供了一种植物灯，请参阅图13至图15，分别为本发明实施例6中提供的一种植物灯的主视图、左视图和俯视图。本实施例植物灯包括灯罩1、激发光源2和UV-LED4，激光光源2设置于灯罩1内，灯罩1的纵截面为梯形，灯罩1的材料为PBA-Eu-Sm荧光玻璃材料，激发光源2为低压汞灯，UV-LED 4作为补充激发光源，对灯罩的混合光成分进行调节。
实施例7
本实施例提供了一种植物灯，请参阅图16至图18，分别为本发明实施例7中提供的一种植物灯的主视图、左视图和俯视图。本实施例植物灯包括灯罩1和激发光源2，激光光源2设置于灯罩1内，灯罩为圆柱形，灯罩1的材料为PBA-Eu-Sm荧光玻璃材料，激发光源2为低压汞灯。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种植物灯，其特征在于，包括灯罩和激发光源；
所述灯罩的材料包括荧光玻璃材料；所述荧光玻璃材料的化学组成为(P2O5)0.56(B2O3)0.15(Al2O3)0.20(ZnF2)0.10(Eu2O3)x(Sm2O3)y；
其中，0＜x+y≤0.005；
所述激发光源的波长为240nm～270nm。
2.根据权利要求1所述的植物灯，其特征在于，所述荧光玻璃材料的化学组成为(P2O5)0.56(B2O3)0.15(Al2O3)0.20(ZnF2)0.10(Eu2O3)x(Sm2O3)y；其中，0＜x+y≤0.0025。
3.根据权利要求1所述的植物灯，其特征在于，所述荧光玻璃材料的制备方法包括以下步骤：
将磷源、硼源、铝源、氟化锌、铕源和钐源进行固相反应，得到化学组成为(P2O5)0.56(B2O3)0.15(Al2O3)0.20(ZnF2)0.10(Eu2O3)x(Sm2O3)y的荧光玻璃材料；
其中，0＜x+y≤0.005。
4.根据权利要求3所述的植物灯，其特征在于，所述固相反应的温度为1350℃～1550℃；
所述固相反应的时间为10min～40min。
5.根据权利要求3所述的植物灯，其特征在于，所述磷源选自NH4H2PO4、(NH4)2HPO4或(NH4)3PO4；
所述硼源为H3BO3；
所述铝源选自Al2O3、Al(OH)3或Al2(CO3)3；
所述铕源选自Eu2O3、EuF3、乙酸铕(III)或乙酸铕(III)水合物；
所述钐源选自Sm2O3、SmF3、乙酸钐(III)或乙酸钐(III)水合物。
6.根据权利要求3所述的植物灯，其特征在于，所述磷源中的磷、所述硼源中的硼、所述铝源中的铝、所述氟化锌中的锌、所述铕源中的铕和所述钐源中的钐的摩尔比为(55～57)：(14～16)：(19～21)：(9～11)：(0～0.005)：(0～0.005)。
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