服裝材料開發與生產稀土發光纖維基礎知識

：發光與發光材料的定義什么是發光？1、當某種物質受到激發后，物質處于激發態，其能量會通過光或熱的形式釋放出來。如果這部分的能量是位于可見、紫外或是近紅外的電磁輻射，稱之為發光過程。2、發光就是物質在熱輻射之外以光的形式發射出多余的能量，這種發射過程具有一定的持續時間。

能夠實現發光過程的物質叫做發光材料。什么是發光材料？發光與熱輻射熱輻射：任何絕對零度以上的物質都會發射熱輻射，大多位于紅外區。熱輻射是一種平衡輻射，基本上只與物體溫度有關，而與物質種類無關。如：太陽光、白熾燈泡等。發光：是一種非平衡輻射（偏離原來的熱平衡態）是物體吸收外來能量后發出的超出熱輻射的部分。發光材料不需要加熱，是一種“冷光”。發光的基本過程激發：外部能量使發光材料中的發光中心進入激發態。發射：處于激發態的發光中心通過光發射的方式回到基態，屬于輻射躍遷。產熱：通過產熱的方式回到基態，屬于無輻射躍遷。發光材料的要求發光材料——把某種形式的激發能量轉化為發光能。對于一個有效的發光材料應具備如下要求：1、能夠有效地吸收激發能量2、能夠把吸收的激發能量有效地傳遞給發光中心3、發光中心具有高的輻射躍遷效率第一節概述

稀土發光纖維

稀土就是化學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個元素密切相關的兩個元素—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，一位以研究化學和礦物學、收集礦石的業余愛好者瑞典軍官卡爾·阿雷尼烏斯（KarlArrhenius）在斯德哥爾摩灣外的伊特必村（Ytterby），發現了外觀像瀝青和煤一樣的黑色礦物，按當地的地名命名為伊特必礦（Ytterbite）。

1794年芬蘭化學家約翰·加多林分析了這種伊特必礦樣品。發現其中除鈹、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，瑞典化學家?？素惛瘢ˋndersGustafEkeberg）確認了這種“新土”，命名為釔土（Yttria,釔的氧化物之意）。稀土元素的發現

鈰（Ce）

“鈰”這個元素是由德國人克勞普羅斯，瑞典人烏斯伯齊力、希生格爾于1803年發現并命名的，以紀念1801年發現的小行星——谷神星。鑭（La）“鑭”這個元素是1839年被命名的，當時有個叫“莫桑德”的瑞典人發現鈰土中含有其他元素，他借用希臘語中“隱藏”一詞把這種元素取名為“鑭”。不久莫桑德從鑭中發現了鐠（Pr）、釹（Nd）

1843年瑞典的莫桑德（KarlG.Mosander）通過對釔土的研究，發現鋱（Tb）（Terbium）。同年他發現了鉺（Er）。釤（Sm）

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

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

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

稀土元素的符號表示稀土元素的結構特點

1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s

4f5d6p7s

核外電子軌道排列順序稀土元素的核外電子層結構原子序數元素符號MNOP3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d6s57La26102610

261258Ce261026101261259Pr26102610326

260Nd26102610426

261Pm26102610526

262Sm26102610626

263Eu26102610726

264Gd261026107261265Tb26102610926

266Dy261026101026

267Ho261026101126

268Er261026101226

269Tm261026101326

270Yb261026101426

271Lu26102610142612成鍵性

4f1-145s25p65d0-16s2

以三價為主某些元素存在正四價和正二價多配位數

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、稀土元素發光機理

在光譜學中通常用2S+1來表示電子的多重態。

當分子軌道中的電子都配對時，其多重態2S+1=0+1=1，此時稱分子處于單線態(singlet)，用S表示。

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

光致發光材料吸收紫外光后可以通過電子躍遷從基態躍遷到激發態，處于激發態的分子富有能量且不穩定，激發態的能量越高，其穩定性越差，當處于激發態的分子通過物理變化以輻射的形式躍遷到基態時就會產生熒光或磷光。???

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

稀土離子產生熒光的機理

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

由基態變為激發態，再以非輻射衰變至4fn組態的激發態(亞穩態)，近而再從此能態以輻射的形式向低能態躍遷便使稀土離子產生熒光。(1)來自fn組態能級間的躍遷(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

原子序數元素符號MNOP3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d6s57La26102610

261258Ce261026101261259Pr26102610326

260Nd26102610426

261Pm26102610526

262Sm26102610626

263Eu26102610726

264Gd261026107261265Tb26102610926

266Dy261026101026

267Ho261026101126

268Er261026101226

269Tm261026101326

270Yb261026101426

271Lu26102610142612

稀土離子的熒光性能

稀土離子的能級躍遷圖

有機稀土配合物產生熒光機理配體與稀土離子間的能量轉換機理

三、稀土發光纖維的定義與分類（一）稀土發光纖維的定義:

稀土發光纖維是利用稀土材料作為發光體，以聚丙烯、聚酰胺及聚酯等為基質，經過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）稀土發光纖維的分類:

1.按基質材料分：可以分為聚丙烯稀土發光纖維、聚酰胺稀土發光纖維、聚酯稀土發光纖維、Lyocell稀土發光纖維等。2.按稀土元素在發光體中的作用分：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：可以分為簡單摻雜型和聚合型稀土發光纖維。（三）稀土發光纖維的特性:

三、稀土發光纖維的定義與分類1.發光性能2.織造性能3.染色性能4.服用性能5.環保特性有光無光稀土發光纖維的制備

稀土發光纖維

第二節一、稀土發光纖維的制備流程

稀土粒子的制備稀土粒子在基質體中的分散紡絲過程纖維的后處理二、稀土發光纖維的制備

（一）稀土發光粒子的制備

1.高溫固相反應法2.溶膠—凝膠法(Sol-Gel)

溶膠是指分散在液相中的固態粒子足夠小(1～100nm)，以致可以通過布朗運動保持無限期的懸?。荒z是一種包含液相組份且具有內部網絡結構的固體，此時的液體與固體都呈現一種高度分散的狀態。特點化學均勻性好粒度可控純度高燒結溫度低制品多樣2.溶膠—凝膠法(Sol-Gel)3.化學沉淀法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，再經過特種的紡絲工藝制備稀土發光纖維的一種方法。（1）熔融紡絲法：

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

共混紡絲造粒例如：東華大學、天津工業大學皮芯復合紡絲發光物質聚合物微粒子成纖聚合物1

聚合

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

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

將稀土發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伏高壓靜電，帶靜電的紡絲液滴在電場力的作用下在毛細管的Taylor錐頂點被加速。當電場力足夠大時，聚合物液滴克服表面張力形成噴射細流。噴射過程中溶劑蒸發或固化，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光化合物以單體形式參與聚合或縮合而得到的聚合物，或將稀土發光化合物配位在聚合物側鏈上，然后由這種聚合物紡絲而得到發光纖維。纖維、織物后處理：發光物質色漿織物混合印花樹脂液干燥固著水洗發光織物3.后整理法：

第三節稀土發光纖維的研究進展

稀土發光纖維

發光纖維的種類航空航海夜間作業消防應急建筑裝潢交通運輸日常生活娛樂服裝發光纖維的應用領域發光纖維的種類熱致及其它發光纖維自發光纖維光致變色纖維本身能發光或離開能量授體仍能發光的纖維在一定波長光的照射下能發光或發生變色而離開光源又恢復原色的纖維在受到熱、氣、液等外界刺激后能發光或發生變色的纖維自發光纖維第一代自發光材料：居里夫人發現的鐳元素，具有一定的輻射性!第二代自發光材料：傳統的硫化物發光材料，由于其對人體具有一定的毒害性、放射性，以及發光亮度低和持續時間短等缺點，而使其應用領域受到很大的局限!第三代蓄光型自發光材料：稀土鋁酸鹽等既能發光又能蓄光的材料。與前兩代自發光材料相比，這種材料具有無毒、無放射性、發光時間長、可重復使用等顯著優點。有光時

無光時有光時

無光時有光時

無光時有光時

無光時有光時

無光時智能纖維形狀記憶纖維變色纖維

調溫纖維壓電纖維熱電纖維光導纖維超導纖維光致變色纖維

熱致變色纖維其他變色纖維光致變色纖維

稀土發光材料的種類

無機稀土發光材料

有機稀土配合物發光材料

有機高分子稀土發光材料

母粒纖維薄膜稀土發光材料的研究歷史

二、國內稀土發光纖維的研究進展

1994年稀土發光纖維方面專利申請2007年稀土鋁酸鹽夜光纖維研制成功研究單位：北京大學稀土實驗室長春物理研究所中山大學東華大學天津工業大學以及其他師范院校三、國外稀土發光纖維的研究進展

世界上能生產夜光纖維的國家有日本、美國、韓國等。1994年國外首次報道了錳激活的硫化鋅納米發光材料2007年，在美國也有兩個公司開發了發光纖維并申請了專利技術，該化學纖維可吸收和釋放綠黃光。阿拉巴馬州的Beaver:工業公司：硫化鋅中摻有銅和一種專利材料