服裝材料開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)稀土發(fā)光纖維基礎(chǔ)知識(shí)

：發(fā)光與發(fā)光材料的定義什么是發(fā)光？1、當(dāng)某種物質(zhì)受到激發(fā)后，物質(zhì)處于激發(fā)態(tài)，其能量會(huì)通過(guò)光或熱的形式釋放出來(lái)。如果這部分的能量是位于可見(jiàn)、紫外或是近紅外的電磁輻射，稱之為發(fā)光過(guò)程。2、發(fā)光就是物質(zhì)在熱輻射之外以光的形式發(fā)射出多余的能量，這種發(fā)射過(guò)程具有一定的持續(xù)時(shí)間。

能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)光過(guò)程的物質(zhì)叫做發(fā)光材料。什么是發(fā)光材料？發(fā)光與熱輻射熱輻射：任何絕對(duì)零度以上的物質(zhì)都會(huì)發(fā)射熱輻射，大多位于紅外區(qū)。熱輻射是一種平衡輻射，基本上只與物體溫度有關(guān)，而與物質(zhì)種類無(wú)關(guān)。如：太陽(yáng)光、白熾燈泡等。發(fā)光：是一種非平衡輻射（偏離原來(lái)的熱平衡態(tài)）是物體吸收外來(lái)能量后發(fā)出的超出熱輻射的部分。發(fā)光材料不需要加熱，是一種“冷光”。發(fā)光的基本過(guò)程激發(fā)：外部能量使發(fā)光材料中的發(fā)光中心進(jìn)入激發(fā)態(tài)。發(fā)射：處于激發(fā)態(tài)的發(fā)光中心通過(guò)光發(fā)射的方式回到基態(tài)，屬于輻射躍遷。產(chǎn)熱：通過(guò)產(chǎn)熱的方式回到基態(tài)，屬于無(wú)輻射躍遷。發(fā)光材料的要求發(fā)光材料——把某種形式的激發(fā)能量轉(zhuǎn)化為發(fā)光能。對(duì)于一個(gè)有效的發(fā)光材料應(yīng)具備如下要求：1、能夠有效地吸收激發(fā)能量2、能夠把吸收的激發(fā)能量有效地傳遞給發(fā)光中心3、發(fā)光中心具有高的輻射躍遷效率第一節(jié)概述

稀土發(fā)光纖維

稀土就是化學(xué)元素周期表中的鑭系元素:鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)，以及與鑭系的15個(gè)元素密切相關(guān)的兩個(gè)元素—鈧（Sc）和釔（Y）共17種元素，稱為稀土元素（RareEarth）。什么是稀土一、稀土元素簡(jiǎn)介???輕稀土（又稱鈰組）

鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓。

重稀土（又稱釔組）

鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、鈧、釔。稀土元素的分類釔(Y)1788年，一位以研究化學(xué)和礦物學(xué)、收集礦石的業(yè)余愛(ài)好者瑞典軍官卡爾·阿雷尼烏斯（KarlArrhenius）在斯德哥爾摩灣外的伊特必村（Ytterby），發(fā)現(xiàn)了外觀像瀝青和煤一樣的黑色礦物，按當(dāng)?shù)氐牡孛麨橐撂乇氐V（Ytterbite）。

1794年芬蘭化學(xué)家約翰·加多林分析了這種伊特必礦樣品。發(fā)現(xiàn)其中除鈹、硅、鐵的氧化物外，還含有約38%的未知元素的氧化物“新土”。

1797年，瑞典化學(xué)家埃克貝格（AndersGustafEkeberg）確認(rèn)了這種“新土”，命名為釔土（Yttria,釔的氧化物之意）。稀土元素的發(fā)現(xiàn)

鈰（Ce）

“鈰”這個(gè)元素是由德國(guó)人克勞普羅斯，瑞典人烏斯伯齊力、希生格爾于1803年發(fā)現(xiàn)并命名的，以紀(jì)念1801年發(fā)現(xiàn)的小行星——谷神星。鑭（La）“鑭”這個(gè)元素是1839年被命名的，當(dāng)時(shí)有個(gè)叫“莫桑德”的瑞典人發(fā)現(xiàn)鈰土中含有其他元素，他借用希臘語(yǔ)中“隱藏”一詞把這種元素取名為“鑭”。不久莫桑德從鑭中發(fā)現(xiàn)了鐠（Pr）、釹（Nd）

1843年瑞典的莫桑德（KarlG.Mosander）通過(guò)對(duì)釔土的研究，發(fā)現(xiàn)鋱（Tb）（Terbium）。同年他發(fā)現(xiàn)了鉺（Er）。釤（Sm）

1879年，波依斯包德萊從鈮釔礦得到的“鐠釹”中發(fā)現(xiàn)了新的稀土元素，并根據(jù)這種礦石的名稱命名為釤。銪（Eu）

1901年，德馬凱（Eugene-AntoleDemarcay）從“釤”中發(fā)現(xiàn)了新元素，取名為銪（Europium）。釓(Gd)

1880年，瑞士的馬里格納克（G.deMarignac）將“釤”分離成兩個(gè)元素，其中一個(gè)由索里特證實(shí)是釤元素，另一個(gè)元素得到波依斯包德萊的研究確認(rèn)，1886年，馬里格納克為了紀(jì)念釔元素的發(fā)現(xiàn)者研究稀土的先驅(qū)荷蘭化學(xué)家加多林（GadoLinium）將這個(gè)新元素命名為釓。表示稀土元素的符號(hào)有多種，有些國(guó)家用“R”表示；也有些國(guó)家用“TR”；俄文用“P3”表示；我國(guó)用“RE”。單獨(dú)表示鑭系則用“Ln”表示；表示混合稀土則用“Mm”表示。

稀土元素的符號(hào)表示稀土元素的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s

4f5d6p7s

核外電子軌道排列順序稀土元素的核外電子層結(jié)構(gòu)原子序數(shù)元素符號(hào)MNOP3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d6s57La26102610

261258Ce261026101261259Pr26102610326

260Nd26102610426

261Pm26102610526

262Sm26102610626

263Eu26102610726

264Gd261026107261265Tb26102610926

266Dy261026101026

267Ho261026101126

268Er261026101226

269Tm261026101326

270Yb261026101426

271Lu26102610142612成鍵性

4f1-145s25p65d0-16s2

以三價(jià)為主某些元素存在正四價(jià)和正二價(jià)多配位數(shù)

在金屬的活潑性上鈧>釓<鑭>鈰>鐠>釹>钷>釤>銪>鋱>鏑>鈥>鉺>銩>鐿>镥

基本概念二、稀土元素發(fā)光機(jī)理

在光譜學(xué)中通常用2S+1來(lái)表示電子的多重態(tài)。

當(dāng)分子軌道中的電子都配對(duì)時(shí)，其多重態(tài)2S+1=0+1=1，此時(shí)稱分子處于單線態(tài)(singlet)，用S表示。

若分子軌道中的電子出現(xiàn)自旋平行的情況時(shí)，則自旋量子數(shù)的代數(shù)和為1，其多重態(tài)2S+1=3，此時(shí)稱分子處于三線態(tài)(triplet)，用T表示。光致發(fā)光材料發(fā)光

光致發(fā)光材料吸收紫外光后可以通過(guò)電子躍遷從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的分子富有能量且不穩(wěn)定，激發(fā)態(tài)的能量越高，其穩(wěn)定性越差，當(dāng)處于激發(fā)態(tài)的分子通過(guò)物理變化以輻射的形式躍遷到基態(tài)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生熒光或磷光。???

T，三線態(tài)；S，單線態(tài)；hυf,熒光輻射；hυp，磷光輻射（一）空穴轉(zhuǎn)移模型（二）位型坐標(biāo)模型

稀土離子產(chǎn)生熒光的機(jī)理

當(dāng)稀土離子吸收了來(lái)自紫外光、電子輻射等的輻射能后，可通過(guò)3種躍遷方式即：(2)組態(tài)間能級(jí)間的躍遷（f→d)

由基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，再以非輻射衰變至4fn組態(tài)的激發(fā)態(tài)(亞穩(wěn)態(tài))，近而再?gòu)拇四軕B(tài)以輻射的形式向低能態(tài)躍遷便使稀土離子產(chǎn)生熒光。(1)來(lái)自fn組態(tài)能級(jí)間的躍遷(f→f)(3)配體向稀土離子的電荷躍遷（電荷躍遷）

稀土離子的熒光性能

原子序數(shù)元素符號(hào)MNOP3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d6s57La26102610

261258Ce261026101261259Pr26102610326

260Nd26102610426

261Pm26102610526

262Sm26102610626

263Eu26102610726

264Gd261026107261265Tb26102610926

266Dy261026101026

267Ho261026101126

268Er261026101226

269Tm261026101326

270Yb261026101426

271Lu26102610142612

稀土離子的熒光性能

稀土離子的能級(jí)躍遷圖

有機(jī)稀土配合物產(chǎn)生熒光機(jī)理配體與稀土離子間的能量轉(zhuǎn)換機(jī)理

三、稀土發(fā)光纖維的定義與分類（一）稀土發(fā)光纖維的定義:

稀土發(fā)光纖維是利用稀土材料作為發(fā)光體，以聚丙烯、聚酰胺及聚酯等為基質(zhì)，經(jīng)過(guò)特種紡絲工藝制成的具有夜光性的蓄光型纖維，是一種新型高科技功能纖維。

（二）稀土發(fā)光纖維的分類:

1.按基質(zhì)材料分：可以分為聚丙烯稀土發(fā)光纖維、聚酰胺稀土發(fā)光纖維、聚酯稀土發(fā)光纖維、Lyocell稀土發(fā)光纖維等。2.按稀土元素在發(fā)光體中的作用分：可以分為激活劑系列，共激活劑系列，敏化劑系列、摻雜劑系列等。3.按照制備方法分：可以分為簡(jiǎn)單摻雜型和聚合型稀土發(fā)光纖維。（三）稀土發(fā)光纖維的特性:

三、稀土發(fā)光纖維的定義與分類1.發(fā)光性能2.織造性能3.染色性能4.服用性能5.環(huán)保特性有光無(wú)光稀土發(fā)光纖維的制備

稀土發(fā)光纖維

第二節(jié)一、稀土發(fā)光纖維的制備流程

稀土粒子的制備稀土粒子在基質(zhì)體中的分散紡絲過(guò)程纖維的后處理二、稀土發(fā)光纖維的制備

（一）稀土發(fā)光粒子的制備

1.高溫固相反應(yīng)法2.溶膠—凝膠法(Sol-Gel)

溶膠是指分散在液相中的固態(tài)粒子足夠小(1～100nm)，以致可以通過(guò)布朗運(yùn)動(dòng)保持無(wú)限期的懸??；凝膠是一種包含液相組份且具有內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的固體，此時(shí)的液體與固體都呈現(xiàn)一種高度分散的狀態(tài)。特點(diǎn)化學(xué)均勻性好粒度可控純度高燒結(jié)溫度低制品多樣2.溶膠—凝膠法(Sol-Gel)3.化學(xué)沉淀法4.燃燒法5.水熱合成法6.噴霧熱解法其他方法：7.微波輻射法8.電弧法9.CO2

激光加熱氣相沉積合成法（二）稀土發(fā)光纖維的制備方法

1.摻入紡絲法：

把小分子稀土化合物摻雜到高分子體系中，再經(jīng)過(guò)特種的紡絲工藝制備稀土發(fā)光纖維的一種方法。（1）熔融紡絲法：

熔融紡絲法是直接將稀土發(fā)光化合物與聚合物進(jìn)行共混熔融紡絲，或把稀土發(fā)光化合物分散在能和紡絲高聚物混熔的樹(shù)脂載體中制成發(fā)光母粒，然后再混入聚酯、聚酰胺、聚丙烯等高聚物中進(jìn)行熔融紡絲的方法。共混后直接紡絲：發(fā)光物質(zhì)發(fā)光纖維色母粒PP、PET

共混紡絲造粒例如：東華大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)皮芯復(fù)合紡絲發(fā)光物質(zhì)聚合物微粒子成纖聚合物1

聚合

復(fù)合紡絲混合聚合單體成纖聚合物2芯層皮層發(fā)光纖維手感好、耐洗性、耐光性、變色效果優(yōu)良（2）溶液紡絲法：

溶液紡絲是將稀土發(fā)光化合物溶解在紡絲原液中，然后進(jìn)行紡絲而得到發(fā)光纖維的一種方法。（3）靜電紡絲法：

將稀土發(fā)光化合物溶解在紡絲原液中，使紡絲溶液或熔體帶上幾千至上萬(wàn)伏高壓靜電，帶靜電的紡絲液滴在電場(chǎng)力的作用下在毛細(xì)管的Taylor錐頂點(diǎn)被加速。當(dāng)電場(chǎng)力足夠大時(shí)，聚合物液滴克服表面張力形成噴射細(xì)流。噴射過(guò)程中溶劑蒸發(fā)或固化，最終落在接收裝置上，形成類似非織造布狀的纖維氈。2.聚合紡絲法：

聚合紡絲法是將稀土發(fā)光化合物以單體形式參與聚合或縮合而得到的聚合物，或?qū)⑾⊥涟l(fā)光化合物配位在聚合物側(cè)鏈上，然后由這種聚合物紡絲而得到發(fā)光纖維。纖維、織物后處理：發(fā)光物質(zhì)色漿織物混合印花樹(shù)脂液干燥固著水洗發(fā)光織物3.后整理法：

第三節(jié)稀土發(fā)光纖維的研究進(jìn)展

稀土發(fā)光纖維

發(fā)光纖維的種類航空航海夜間作業(yè)消防應(yīng)急建筑裝潢交通運(yùn)輸日常生活?yuàn)蕵?lè)服裝發(fā)光纖維的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)光纖維的種類熱致及其它發(fā)光纖維自發(fā)光纖維光致變色纖維本身能發(fā)光或離開(kāi)能量授體仍能發(fā)光的纖維在一定波長(zhǎng)光的照射下能發(fā)光或發(fā)生變色而離開(kāi)光源又恢復(fù)原色的纖維在受到熱、氣、液等外界刺激后能發(fā)光或發(fā)生變色的纖維自發(fā)光纖維第一代自發(fā)光材料：居里夫人發(fā)現(xiàn)的鐳元素，具有一定的輻射性!第二代自發(fā)光材料：傳統(tǒng)的硫化物發(fā)光材料，由于其對(duì)人體具有一定的毒害性、放射性，以及發(fā)光亮度低和持續(xù)時(shí)間短等缺點(diǎn)，而使其應(yīng)用領(lǐng)域受到很大的局限!第三代蓄光型自發(fā)光材料：稀土鋁酸鹽等既能發(fā)光又能蓄光的材料。與前兩代自發(fā)光材料相比，這種材料具有無(wú)毒、無(wú)放射性、發(fā)光時(shí)間長(zhǎng)、可重復(fù)使用等顯著優(yōu)點(diǎn)。有光時(shí)

無(wú)光時(shí)有光時(shí)

無(wú)光時(shí)有光時(shí)

無(wú)光時(shí)有光時(shí)

無(wú)光時(shí)有光時(shí)

無(wú)光時(shí)智能纖維形狀記憶纖維變色纖維

調(diào)溫纖維壓電纖維熱電纖維光導(dǎo)纖維超導(dǎo)纖維光致變色纖維

熱致變色纖維其他變色纖維光致變色纖維

稀土發(fā)光材料的種類

無(wú)機(jī)稀土發(fā)光材料

有機(jī)稀土配合物發(fā)光材料

有機(jī)高分子稀土發(fā)光材料

母粒纖維薄膜稀土發(fā)光材料的研究歷史

二、國(guó)內(nèi)稀土發(fā)光纖維的研究進(jìn)展

1994年稀土發(fā)光纖維方面專利申請(qǐng)2007年稀土鋁酸鹽夜光纖維研制成功研究單位：北京大學(xué)稀土實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)春物理研究所中山大學(xué)東華大學(xué)天津工業(yè)大學(xué)以及其他師范院校三、國(guó)外稀土發(fā)光纖維的研究進(jìn)展

世界上能生產(chǎn)夜光纖維的國(guó)家有日本、美國(guó)、韓國(guó)等。1994年國(guó)外首次報(bào)道了錳激活的硫化鋅納米發(fā)光材料2007年，在美國(guó)也有兩個(gè)公司開(kāi)發(fā)了發(fā)光纖維并申請(qǐng)了專利技術(shù)，該化學(xué)纖維可吸收和釋放綠黃光。阿拉巴馬州的Beaver:工業(yè)公司：硫化鋅中摻有銅和一種專利材料