CN114455832A - 一种光学玻璃及其制备方法和在植物光肥通用光源中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光学玻璃及其制备方法和在植物光肥通用光源中的应用，属于发光材料技术领域。本发明所制备的光学玻璃在250～450nm波长的光激发下，可获得发射波长为350～900nm的超宽带发光，且可以实现波长范围350nm至900nm的宽带可调荧光，在激光激发下具有高效的响应特性，发射峰位可调，发光强度较高，高度匹配叶绿素和胡萝卜素对光照的需求，为植物光合作用提供所需要的能量，且能量利用率较高，能促进植物生长，加快其生长周期。
Description
技术领域
本发明涉及发光材料技术领域，尤其涉及一种光学玻璃及其制备方法和在植物光肥通用光源中的应用。
背景技术
光合作用是植物生长、发育和繁殖的基础，也是自然界一切生物的能量来源，光合作用是将水和二氧化碳转化为葡萄糖的过程，其中光提供了能量来源和催化作用，重要性不言而喻。随着科技的进步，植物的种植已不限于室外，室内植物、大棚植物等种植面积日趋增加。受种植条件影响，室内植物、大棚植物存在光照时间和强度不足的问题。研究表明，光合作用吸收的光波长为400～500或600～800nm的波段，即除绿光之外的剩余可见光波段，当前在室内植物种植中多采用高压钠灯、白炽灯和荧光粉LED灯等为植物补光。钠灯常用于高屋顶的商业环境，但制备技术复杂，成本很高。白炽灯的优点是光源集中，价格便宜，体积小，种类多，红光多。缺点是能量利用率较低，发光强度不高，难以满足植物生长的要求；荧光粉LED灯的优点是能量功效大，比白炽灯放出的热量少，寿命长，光线分布均匀，蓝光较高。缺点是采用有机树脂包裹荧光粉，有机树脂老化后荧光粉会脱落，发光强度降低，且荧光粉多以稀土离子为发光中心离子，其发光波长单一，不可调控，发光峰较窄。综上，目前的植物光肥来自于高压钠灯、白炽灯和荧光粉LED灯等，其制备工艺复杂，发光不可调控，难以满足植物生长所需要的光照条件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学玻璃及其制备方法和在植物光肥通用光源中的应用，所述光学玻璃发射峰位可调，可以实现对叶绿素和胡萝卜素光照需求的高度匹配的宽带发光，能为植物的生长提供能量，且制备简单。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种光学玻璃，所述光学玻璃的制备原料包括玻璃基质组分和外掺发光组分；
以摩尔百分比计，所述玻璃基质组分包括SiO220～60mol％，B2O320～40mol％，RFa20～40mol％，QbCO30～20mol％；其中，R和Q独立为Li、Na、K、Ca、Sr和Ba中的一种或几种，a＝1或2，b＝1或2；
所述外掺发光组分为MxOy，所述外掺发光组分占所述玻璃基质组分的摩尔百分比为0.1～0.8mol％；其中，M为Bi、Sb、Sn、Mn和Cu中的一种或两种，x＝1或2，y＝1或2或3。
优选的，所述SiO2的摩尔百分比为26～40mol％，所述B2O3的摩尔百分比为24～38mol％，所述RFa的摩尔百分比为25～35mol％，所述QbCO3的摩尔百分比为5～18mol％；所述MxOy的摩尔百分比为0.2～0.6mol％。
本发明提供了上述技术方案所述光学玻璃的制备方法，包括以下步骤：
将对应原料混合后，进行熔制，得到熔融玻璃液；
将所述熔融玻璃液依次进行浇筑成型、退火处理和切割成型，得到光学玻璃。
优选的，所述熔制的温度为1200～1650℃，时间为20～60min。
优选的，所述退火处理的温度为300～600℃，时间为10～48h。
优选的，所述切割成型的切割转速为150～200r/min。
优选的，完成所述切割成型后，将所得产品进行抛光，所述抛光的次数为1～3次，单次抛光的速率独立为60～120r/min，单次抛光的时间独立为25～60min。
优选的，所述抛光所用抛光粉为氧化铈，所述抛光粉的目数为80～1000目。
本发明提供了上述技术方案所述光学玻璃在植物光肥通用光源中的应用。
本发明提供了一种光学玻璃，本发明提供硼硅酸盐玻璃以SiO2和B2O3作为玻璃网络形成体，RFa作为玻璃网络外体，存在于玻璃网络间隙中提供游离的F，改变阳离子的配位，进而改变玻璃的发光性质，QbCO3作为玻璃网络外体，存在于玻璃网络间隙中提供游离的O，改变阳离子的配位，进而改变玻璃的发光性质，本发明所述光学玻璃的玻璃组分和状态稳定，不会因外部物理环境的改变而影响发光性质。此外，本发明所述发光玻璃的发光离子(MxOy)均为宽带激发和发射，发光离子受配位环境和周围晶体场的影响较大，通过改变玻璃组分和激发波长，可以调控发光性质。本发明所制备的光学玻璃在250～450nm波长的光激发下，可获得发射波长为350～900nm的超宽带发光，且可以实现波长范围350nm至900nm的宽带可调荧光，在激光激发下具有高效的响应特性，且能够通过激发波长的改变，实现发射峰位可调，发光强度较高，高度匹配叶绿素和胡萝卜素对光照的需求，为植物光合作用提供所需要的能量，且能量利用率较高，能促进植物生长，加快其生长周期。
本发明的方法简单，制备所需原料少，改善了以往高压钠灯、白炽灯和荧光粉LED灯作为植物光肥存在的制备复杂、发光不稳定和能量利用率低的问题。
附图说明
图1为实施例1制备的光学玻璃在405nm激发下的发射光谱图；
图2为实施例1制备的学玻璃在405nm激发下的发射光的色坐标图；
图3为实施例2制备的光学玻璃在325nm激发下的发射光谱图；
图4为实施例2制备的光学玻璃在325nm激发下的发射光的色坐标图；
图5为实施例2制备的光学玻璃每间隔10天在325nm激发下的发射光谱图；
图6为实施例3制备的光学玻璃在405nm激发下荧光寿命衰减曲线图；
图7为实施例4制备的光学玻璃在325nm激发下的发射光谱图。
具体实施方式
本发明提供了一种光学玻璃，所述光学玻璃的制备原料包括玻璃基质组分和外掺发光组分；
以摩尔百分比计，所述玻璃基质组分包括SiO220～60mol％，B2O320～40mol％，RFa20～40mol％，QbCO30～20mol％；其中，R和Q独立为Li、Na、K、Ca、Sr和Ba中的一种或几种，a＝1或2，b＝1或2；
所述外掺发光组分为MxOy，所述外掺发光组分占所述玻璃基质组分的摩尔百分比为0.1～0.8mol％；其中，M为Bi、Sb、Sn、Mn和Cu中的一种或两种，x＝1或2，y＝1或2或3。
在本发明中，若无特殊说明，所需制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明提供的光学玻璃的制备原料包括玻璃基质组分，以摩尔百分比计，所述玻璃基质组分包括SiO220～60mol％，更优选为26～40mol％，进一步优选为30～33mol％。本发明中SiO2作为玻璃网络形成体，形成的硅氧四面体作为玻璃的骨架，保证玻璃的稳定性。
以摩尔百分比计，所述玻璃基质组分包括B2O320～40mol％，优选为24～38mol％，更优选为30～33mol％。在本发明中，B2O3作为玻璃网络形成体，能增强玻璃的化学稳定性和热稳定性。
以摩尔百分比计，所述玻璃基质组分包括RFa20～40mol％，优选为25～35mol％，进一步优选为26～40mol％。在本发明中，RFa作为玻璃网络外体，存在于玻璃网络间隙中提供游离的F，改变阳离子的配位，进而改变玻璃的发光性质。
以摩尔百分比计，所述玻璃基质组分包括QbCO30～20mol％，优选为5～18mol％，更优选为8～15.6mol％。在本发明中，QbCO3作为玻璃网络外体，存在于玻璃网络间隙中提供游离的O，改变阳离子的配位，进而改变玻璃的发光性质。
在本发明中，所述R和Q独立为Li、Na、K、Ca、Sr和Ba中的一种或几种，a＝1或2，b＝1或2；当所述R为上述中的两种以上时，所述RFa代表同时添加两种以上不同的金属氟化物，不代表多金属掺杂氟化物；比如R为Na和Ba，RFa代表NaF和BaF2，而非NaBaF。QbCO3中Q的含义与RFa中R相同。
本发明提供的光学玻璃的制备原料包括外掺发光组分；所述外掺发光组分为MxOy，其中，M为Bi、Sb、Sn、Mn和Cu中的一种或两种，x＝1或2，y＝1或2或3。在本发明中，当所述M为上述中的两种以上时，所述MxOy代表同时添加两种以上不同的金属氧化物，不代表多金属掺杂氧化物；比如，M为Bi和Sb时，MxOy代表Sb2O3和BiO2，而非BiSbO复合氧化物。
在本发明中，所述外掺发光组分占所述玻璃基质组分的摩尔百分比为0.1～0.8mol％，优选为0.2～0.6mol％，更优选为0.4～0.5mol％。在本发明中，MxOy作为发光组分，在光源激发下会产生光致发光现像，配合所述玻璃基质会产生不同的发光，实现发光可调。
本发明提供了上述技术方案所述光学玻璃的制备方法，包括以下步骤：
将对应原料混合后，进行熔制，得到熔融玻璃液；
将所述熔融玻璃液依次进行浇筑成型、退火处理和切割成型，得到光学玻璃。
本发明将对应原料混合后，进行熔制，得到熔融玻璃液。本发明对所述原料混合的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程将原料混合均匀即可。
在本发明中，所述熔制优选在刚玉坩埚中进行；所述熔制的温度优选为1200～1650℃，更优选为1400～1550℃，进一步优选为1500℃；时间优选为20～60min，更优选为25～40min，进一步优选为30～35min；本发明通过熔制将原料成分转变为液态。
得到熔融玻璃液后，本发明将所述熔融玻璃液依次进行浇筑成型、退火处理和切割成型，得到光学玻璃。
在本发明中，所述浇筑成型的过程优选为将所述熔融玻璃液倒入直径为3cm的圆形磨具中，压制成型；本发明对所述压制成型的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。本发明对所述圆形磨具没有特殊的限定，本领域熟知的相应设备即可。
完成所述浇筑成型后，本发明将所得成型玻璃进行退火处理；所述退火处理的温度优选为300～600℃，更优选为350～500℃，进一步优选为400℃；时间优选为10～48h，更优选为20～35h。完成所述退火处理后，本发明优选将所得产品随炉冷却至室温。
完成所述退火处理后，本发明将所得产品进行切割成型；所述切割成型的切割转速优选为150～200r/min，更优选为180r/min。本发明对所述切割所得样品的尺寸没有特殊的限定，根据实际需求进行调整即可。在本发明的实施例中，具体为切割为边长为2cm的玻璃样品。
完成所述切割成型后，本发明优选还包括将所得产品进行抛光，所述抛光的次数优选为1～3次，更优选为2次，单次抛光的速率独立优选为60～120r/min，更优选为70～90r/min，进一步优选为80～85r/min；单次抛光的时间独立优选为25～60min，更优选为30～40min，进一步优选为35min。
在本发明中，所述抛光所用抛光粉优选为氧化铈，所述抛光粉的目数优选为80～1000目，更优选为220～900目，进一步优选为300～700目，更进一步优选为350～400目。
本发明提供了上述技术方案所述光学玻璃或上述方案所述制备方法制备得到的光学玻璃在植物光肥通用光源中的应用。本发明对所述应用的方法没有特殊的限定，按照本领域熟知的方法应用即可。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明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
(1)按下列摩尔百分比的组分进行备料后，混合均匀：
(2)将步骤(1)混合后的原料装入刚玉坩埚，在1500℃温度条件下保温40分钟，形成熔融玻璃液；
(3)将所述熔融玻璃液倒入直径为3cm的圆形磨具中，压制成型，得到成型玻璃；
(4)将所述成型玻璃在350℃退火处理20小时，随炉冷却至室温；
(5)将步骤(4)获得的玻璃在转速为150r/min下，进行切割，获得边长为2cm的玻璃样品；
(6)将步骤(5)获得的玻璃样品，先采用目数为80目的氧化铈抛光粉进行抛光，抛光速率为60r/min，抛光时间为25min，再采用220目的氧化铈抛光粉进行抛光，抛光速率为100r/min，抛光时间为40min，获得光学玻璃。
实施例2
(1)按下列摩尔百分比的组分进行备料后，混合均匀：
(2)将步骤(1)混合后的原料装入刚玉坩埚，在1550℃温度条件下保温30分钟，形成熔融玻璃液；
(3)将所述熔融玻璃液倒入直径为3cm的圆形磨具中，压制成型，得到成型玻璃；
(4)将所述成型玻璃在500℃退火处理20小时，然后随炉冷却至室温；
(5)将步骤(4)获得的玻璃在转速为200r/min下，进行切割，获得边长为2cm的玻璃样品；
(6)将步骤(5)获得的样品，先采用目数为400目的氧化铈抛光粉进行抛光，抛光速率为60r/min，抛光时间为25min，再采用220目的氧化铈抛光粉进行抛光，抛光速率为80r/min，抛光时间为40min，再采用300目的氧化铈抛光粉进行抛光，抛光速率为120r/min，抛光时间为60min，得到光学玻璃。
实施例3
(1)按下列摩尔百分比的组分进行备料后，混合均匀：
(2)将步骤(1)混合后的原料装入刚玉坩埚，在1400℃温度条件下保温35分钟，形成熔融玻璃液；
(3)将步骤(2)获得的熔融玻璃液倒入直径为3cm的圆形磨具中压制成型；
(4)将步骤(3)得到的成型玻璃在400℃退火处理20小时，然后随炉冷却至室温；
(5)将步骤(4)获得的玻璃在转速为200r/min下，进行切割，获得边长为2cm的玻璃样品；
(6)将步骤(5)获得的样品，采用目数为600目的氧化铈抛光粉进行抛光，抛光速率为120r/min，抛光时间为25min，再采用220目的氧化铈抛光粉进行抛光，抛光速率为80r/min，抛光时间为40min，再采用300目的氧化铈抛光粉进行抛光，抛光速率为90r/min，抛光时间为60min，得到光学玻璃。
实施例4
(1)按下列摩尔百分比的组分进行备料后，混合均匀：
(2)将步骤(1)混合后的原料装入刚玉坩埚，在1200℃温度条件下保温60分钟，使溶液形成玻璃液态；
(3)将步骤(2)获得的熔融玻璃液倒入直径为3cm的圆形磨具中压制成型；
(4)将步骤(3)得到的成型玻璃在300℃退火处理10小时，然后随炉冷却至室温；
(5)将步骤(4)获得的玻璃在转速为200r/min下，进行切割，获得边长为2cm的玻璃样品；
(6)将步骤(5)获得的样品，采用目数为900目的氧化铈抛光粉进行抛光，抛光的速率为85r/min，抛光的时间为35min，得到光学玻璃。
实施例5
(1)按下列摩尔百分比的组分进行备料后，混合均匀：
(2)将步骤(1)混合后的原料装入刚玉坩埚，在1650℃温度条件下保温25分钟，使溶液形成玻璃液态；
(3)将步骤(2)获得的熔融玻璃液倒入直径为3cm的圆形磨具中压制成型；
(4)将步骤(3)得到的成型玻璃在600℃退火处理48小时，然后随炉冷却至室温；
(5)将步骤(4)获得的玻璃在转速为200r/min下，进行切割，获得边长为2cm的玻璃样品；
(6)将步骤(5)获得的样品，采用目数为600目的氧化铈抛光粉进行抛光，抛光速率为120r/min，抛光时间为25min，再采用1000目的氧化铈抛光粉进行抛光，抛光速率为80r/min，抛光时间为40min，再采用300目的氧化铈抛光粉进行抛光，抛光速率为90r/min，抛光时间为30min，得到光学玻璃。
实施例6
(1)按下列摩尔百分比的组分进行备料后，混合均匀：
(2)将步骤(1)混合后的原料装入刚玉坩埚，在1500℃温度条件下保温30分钟，使溶液形成玻璃液态；
(3)将步骤(2)获得的熔融玻璃液倒入直径为3cm的圆形磨具中压制成型；
(4)将步骤(3)得到的成型玻璃在500℃退火处理35小时，然后随炉冷却至室温；
(5)将步骤(4)获得的玻璃在转速为180r/min下，进行切割，获得边长为2cm的玻璃样品；
(6)将步骤(5)获得的样品，先采用目数为700目的氧化铈抛光粉进行抛光，抛光速率为120r/min，抛光时间为35min，再采用350目的氧化铈抛光粉进行抛光，抛光速率为80r/min，抛光时间为40min，再采用400目的氧化铈抛光粉进行抛光，抛光速率为70r/min，抛光时间为25min，得到光学玻璃。
性能测试
1)采用荧光分光光度计，以氙灯作为光源，使用405nm激发光激发，在室温下对实施例1制备的光学玻璃进行发射光谱测试，所得发射光谱图如图1所示；由发射光谱数据计算所得色度图如图2所示。由图1～2可以看出，在405nm激发光激发下，该光学玻璃可得到发射波长位于400～900nm波段(图1)，存在两个主要发射峰位，分别位于500nm和700nm处，发射波长的色坐标值位于黄光区域(图2)。该发光玻璃的发光覆盖了整个可见光区，超宽发射可以作为植物光肥，满足不同植物对光能的吸收。
2)在激发波长为325nm条件下，对实施例2制备的光学玻璃进行发射光谱测试，所得发射图谱如图3所示，计算所得色度图如图4所示。由图3～4可以看出，在325nm激发光激发下，该光学玻璃可得到发射波长位于350～700nm波段(图3)，且发射峰位于429nm，在发射波长的色坐标值位于蓝光区域(图4)，叶绿素的吸收波段为400～500nm和600～800nm，可以高度匹配叶绿素的吸收波段。而且，图3与图1相比，激发波长从405nm改变为325nm，发射光谱的发射峰位和发光颜色均发生改变。
在同一测试条件下，每间隔10天对实施例2制备的光学玻璃进行发射光谱测试，所得发射图谱如图5所示；由图5可以看出，在30天的测量中，发射光谱的强度和形状无较大改变，说明本发明所制备得到的光学玻璃发光稳定，不会随时间改变发光强度衰减，发光性质发生改变，发光稳定。
3)采用荧光分光光度计，以405nm激发光激发，监控700nm，测试实施例3制备的光学玻璃的平均荧光寿命，所得荧光衰减曲线如图6所示。由图6可以看出，在405nm激发光激发下，该光学玻璃的平均荧光寿命为5.96微秒。
4)采用荧光分光光度计，使用325nm激发光激发，在室温下对实施例4制备的光学玻璃进行发射光谱测试，所得发射光谱图如图7所示，图7中虚线为掺杂发光中心离子后的发射光谱，实线为玻璃基质的发射光谱；由图6可以看出，在325nm激发光激发下，掺杂发光中心离子后玻璃的发射强度显著增强，为玻璃基质发光强度的7倍且发射光谱增加了700～900nm范围。
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 (9)
1.一种光学玻璃，其特征在于，所述光学玻璃的制备原料包括玻璃基质组分和外掺发光组分；
以摩尔百分比计，所述玻璃基质组分包括SiO220～60mol％，B2O320～40mol％，RFa 20～40mol％，QbCO30～20mol％；其中，R和Q独立为Li、Na、K、Ca、Sr和Ba中的一种或几种，a＝1或2，b＝1或2；
所述外掺发光组分为MxOy，所述外掺发光组分占所述玻璃基质组分的摩尔百分比为0.1～0.8mol％；其中，M为Bi、Sb、Sn、Mn和Cu中的一种或两种，x＝1或2，y＝1或2或3。
2.根据权利要求1所述的光学玻璃，其特征在于，所述SiO2的摩尔百分比为26～40mol％，所述B2O3的摩尔百分比为24～38mol％，所述RFa的摩尔百分比为25～35mol％，所述QbCO3的摩尔百分比为5～18mol％；所述MxOy的摩尔百分比为0.2～0.6mol％。
3.权利要求1或2所述光学玻璃的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将对应原料混合后，进行熔制，得到熔融玻璃液；
将所述熔融玻璃液依次进行浇筑成型、退火处理和切割成型，得到光学玻璃。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述熔制的温度为1200～1650℃，时间为20～60min。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述退火处理的温度为300～600℃，时间为10～48h。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述切割成型的切割转速为150～200r/min。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，完成所述切割成型后，将所得产品进行抛光，所述抛光的次数为1～3次，单次抛光的速率独立为60～120r/min，单次抛光的时间独立为25～60min。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述抛光所用抛光粉为氧化铈，所述抛光粉的目数为80～1000目。
9.权利要求1或2所述光学玻璃或权利要求3～8任一项所述制备方法制备得到的光学玻璃在植物光肥通用光源中的应用。
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