任务1-4 稀土发光纤维

服装材料开发与生产稀土发光纤维基础知识

：发光与发光材料的定义什么是发光？1、当某种物质受到激发后，物质处于激发态，其能量会通过光或热的形式释放出来。如果这部分的能量是位于可见、紫外或是近红外的电磁辐射，称之为发光过程。2、发光就是物质在热辐射之外以光的形式发射出多余的能量，这种发射过程具有一定的持续时间。

能够实现发光过程的物质叫做发光材料。什么是发光材料？发光与热辐射热辐射：任何绝对零度以上的物质都会发射热辐射，大多位于红外区。热辐射是一种平衡辐射，基本上只与物体温度有关，而与物质种类无关。如：太阳光、白炽灯泡等。发光：是一种非平衡辐射（偏离原来的热平衡态）是物体吸收外来能量后发出的超出热辐射的部分。发光材料不需要加热，是一种“冷光”。发光的基本过程激发：外部能量使发光材料中的发光中心进入激发态。发射：处于激发态的发光中心通过光发射的方式回到基态，属于辐射跃迁。产热：通过产热的方式回到基态，属于无辐射跃迁。发光材料的要求发光材料——把某种形式的激发能量转化为发光能。对于一个有效的发光材料应具备如下要求：1、能够有效地吸收激发能量2、能够把吸收的激发能量有效地传递给发光中心3、发光中心具有高的辐射跃迁效率第一节概述

稀土发光纤维

稀土就是化学元素周期表中的镧系元素:镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素—钪（Sc）和钇（Y）共17种元素，称为稀土元素（RareEarth）。什么是稀土一、稀土元素简介???轻稀土（又称铈组）

镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆。

重稀土（又称钇组）

铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。稀土元素的分类钇(Y)1788年，一位以研究化学和矿物学、收集矿石的业余爱好者瑞典军官卡尔·阿雷尼乌斯（KarlArrhenius）在斯德哥尔摩湾外的伊特必村（Ytterby），发现了外观像沥青和煤一样的黑色矿物，按当地的地名命名为伊特必矿（Ytterbite）。

1794年芬兰化学家约翰·加多林分析了这种伊特必矿样品。发现其中除铍、硅、铁的氧化物外，还含有约38%的未知元素的氧化物“新土”。

1797年，瑞典化学家埃克贝格（AndersGustafEkeberg）确认了这种“新土”，命名为钇土（Yttria,钇的氧化物之意）。稀土元素的发现

铈（Ce）

“铈”这个元素是由德国人克劳普罗斯，瑞典人乌斯伯齐力、希生格尔于1803年发现并命名的，以纪念1801年发现的小行星——谷神星。镧（La）“镧”这个元素是1839年被命名的，当时有个叫“莫桑德”的瑞典人发现铈土中含有其他元素，他借用希腊语中“隐藏”一词把这种元素取名为“镧”。不久莫桑德从镧中发现了镨（Pr）、钕（Nd）

1843年瑞典的莫桑德（KarlG.Mosander）通过对钇土的研究，发现铽（Tb）（Terbium）。同年他发现了铒（Er）。钐（Sm）

1879年，波依斯包德莱从铌钇矿得到的“镨钕”中发现了新的稀土元素，并根据这种矿石的名称命名为钐。铕（Eu）

1901年，德马凯（Eugene-AntoleDemarcay）从“钐”中发现了新元素，取名为铕（Europium）。钆(Gd)

1880年，瑞士的马里格纳克（G.deMarignac）将“钐”分离成两个元素，其中一个由索里特证实是钐元素，另一个元素得到波依斯包德莱的研究确认，1886年，马里格纳克为了纪念钇元素的发现者研究稀土的先驱荷兰化学家加多林（GadoLinium）将这个新元素命名为钆。表示稀土元素的符号有多种，有些国家用“R”表示；也有些国家用“TR”；俄文用“P3”表示；我国用“RE”。单独表示镧系则用“Ln”表示；表示混合稀土则用“Mm”表示。

稀土元素的符号表示稀土元素的结构特点

1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s

4f5d6p7s

核外电子轨道排列顺序稀土元素的核外电子层结构原子序数元素符号MNOP3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d6s57La26102610

261258Ce261026101261259Pr26102610326

260Nd26102610426

261Pm26102610526

262Sm26102610626

263Eu26102610726

264Gd261026107261265Tb26102610926

266Dy261026101026

267Ho261026101126

268Er261026101226

269Tm261026101326

270Yb261026101426

271Lu26102610142612成键性

4f1-145s25p65d0-16s2

以三价为主某些元素存在正四价和正二价多配位数

在金属的活泼性上钪>钆<镧>铈>镨>钕>钷>钐>铕>铽>镝>钬>铒>铥>镱>镥

基本概念二、稀土元素发光机理

在光谱学中通常用2S+1来表示电子的多重态。

当分子轨道中的电子都配对时，其多重态2S+1=0+1=1，此时称分子处于单线态(singlet)，用S表示。

若分子轨道中的电子出现自旋平行的情况时，则自旋量子数的代数和为1，其多重态2S+1=3，此时称分子处于三线态(triplet)，用T表示。光致发光材料发光

光致发光材料吸收紫外光后可以通过电子跃迁从基态跃迁到激发态，处于激发态的分子富有能量且不稳定，激发态的能量越高，其稳定性越差，当处于激发态的分子通过物理变化以辐射的形式跃迁到基态时就会产生荧光或磷光。???

T，三线态；S，单线态；hυf,荧光辐射；hυp，磷光辐射（一）空穴转移模型（二）位型坐标模型

稀土离子产生荧光的机理

当稀土离子吸收了来自紫外光、电子辐射等的辐射能后，可通过3种跃迁方式即：(2)组态间能级间的跃迁（f→d)

由基态变为激发态，再以非辐射衰变至4fn组态的激发态(亚稳态)，近而再从此能态以辐射的形式向低能态跃迁便使稀土离子产生荧光。(1)来自fn组态能级间的跃迁(f→f)(3)配体向稀土离子的电荷跃迁（电荷跃迁）

稀土离子的荧光性能

原子序数元素符号MNOP3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d6s57La26102610

261258Ce261026101261259Pr26102610326

260Nd26102610426

261Pm26102610526

262Sm26102610626

263Eu26102610726

264Gd261026107261265Tb26102610926

266Dy261026101026

267Ho261026101126

268Er261026101226

269Tm261026101326

270Yb261026101426

271Lu26102610142612

稀土离子的荧光性能

稀土离子的能级跃迁图

有机稀土配合物产生荧光机理配体与稀土离子间的能量转换机理

三、稀土发光纤维的定义与分类（一）稀土发光纤维的定义:

稀土发光纤维是利用稀土材料作为发光体，以聚丙烯、聚酰胺及聚酯等为基质，经过特种纺丝工艺制成的具有夜光性的蓄光型纤维，是一种新型高科技功能纤维。

（二）稀土发光纤维的分类:

1.按基质材料分：可以分为聚丙烯稀土发光纤维、聚酰胺稀土发光纤维、聚酯稀土发光纤维、Lyocell稀土发光纤维等。2.按稀土元素在发光体中的作用分：可以分为激活剂系列，共激活剂系列，敏化剂系列、掺杂剂系列等。3.按照制备方法分：可以分为简单掺杂型和聚合型稀土发光纤维。（三）稀土发光纤维的特性:

三、稀土发光纤维的定义与分类1.发光性能2.织造性能3.染色性能4.服用性能5.环保特性有光无光稀土发光纤维的制备

稀土发光纤维

第二节一、稀土发光纤维的制备流程

稀土粒子的制备稀土粒子在基质体中的分散纺丝过程纤维的后处理二、稀土发光纤维的制备

（一）稀土发光粒子的制备

1.高温固相反应法2.溶胶—凝胶法(Sol-Gel)

溶胶是指分散在液相中的固态粒子足够小(1～100nm)，以致可以通过布朗运动保持无限期的悬浮；凝胶是一种包含液相组份且具有内部网络结构的固体，此时的液体与固体都呈现一种高度分散的状态。特点化学均匀性好粒度可控纯度高烧结温度低制品多样2.溶胶—凝胶法(Sol-Gel)3.化学沉淀法4.燃烧法5.水热合成法6.喷雾热解法其他方法：7.微波辐射法8.电弧法9.CO2

激光加热气相沉积合成法（二）稀土发光纤维的制备方法

1.掺入纺丝法：

把小分子稀土化合物掺杂到高分子体系中，再经过特种的纺丝工艺制备稀土发光纤维的一种方法。（1）熔融纺丝法：

熔融纺丝法是直接将稀土发光化合物与聚合物进行共混熔融纺丝，或把稀土发光化合物分散在能和纺丝高聚物混熔的树脂载体中制成发光母粒，然后再混入聚酯、聚酰胺、聚丙烯等高聚物中进行熔融纺丝的方法。共混后直接纺丝：发光物质发光纤维色母粒PP、PET

共混纺丝造粒例如：东华大学、天津工业大学皮芯复合纺丝发光物质聚合物微粒子成纤聚合物1

聚合

复合纺丝混合聚合单体成纤聚合物2芯层皮层发光纤维手感好、耐洗性、耐光性、变色效果优良（2）溶液纺丝法：

溶液纺丝是将稀土发光化合物溶解在纺丝原液中，然后进行纺丝而得到发光纤维的一种方法。（3）静电纺丝法：

将稀土发光化合物溶解在纺丝原液中，使纺丝溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电，带静电的纺丝液滴在电场力的作用下在毛细管的Taylor锥顶点被加速。当电场力足够大时，聚合物液滴克服表面张力形成喷射细流。喷射过程中溶剂蒸发或固化，最终落在接收装置上，形成类似非织造布状的纤维毡。2.聚合纺丝法：

聚合纺丝法是将稀土发光化合物以单体形式参与聚合或缩合而得到的聚合物，或将稀土发光化合物配位在聚合物侧链上，然后由这种聚合物纺丝而得到发光纤维。纤维、织物后处理：发光物质色浆织物混合印花树脂液干燥固着水洗发光织物3.后整理法：

第三节稀土发光纤维的研究进展

稀土发光纤维

发光纤维的种类航空航海夜间作业消防应急建筑装潢交通运输日常生活娱乐服装发光纤维的应用领域发光纤维的种类热致及其它发光纤维自发光纤维光致变色纤维本身能发光或离开能量授体仍能发光的纤维在一定波长光的照射下能发光或发生变色而离开光源又恢复原色的纤维在受到热、气、液等外界刺激后能发光或发生变色的纤维自发光纤维第一代自发光材料：居里夫人发现的镭元素，具有一定的辐射性!第二代自发光材料：传统的硫化物发光材料，由于其对人体具有一定的毒害性、放射性，以及发光亮度低和持续时间短等缺点，而使其应用领域受到很大的局限!第三代蓄光型自发光材料：稀土铝酸盐等既能发光又能蓄光的材料。与前两代自发光材料相比，这种材料具有无毒、无放射性、发光时间长、可重复使用等显著优点。有光时

无光时有光时

无光时有光时

无光时有光时

无光时有光时

无光时智能纤维形状记忆纤维变色纤维

调温纤维压电纤维热电纤维光导纤维超导纤维光致变色纤维

热致变色纤维其他变色纤维光致变色纤维

稀土发光材料的种类

无机稀土发光材料

有机稀土配合物发光材料

有机高分子稀土发光材料

母粒纤维薄膜稀土发光材料的研究历史

二、国内稀土发光纤维的研究进展

1994年稀土发光纤维方面专利申请2007年稀土铝酸盐夜光纤维研制成功研究单位：北京大学稀土实验室长春物理研究所中山大学东华大学天津工业大学以及其他师范院校三、国外稀土发光纤维的研究进展

世界上能生产夜光纤维的国家有日本、美国、韩国等。1994年国外首次报道了锰激活的硫化锌纳米发光材料2007年，在美国也有两个公司开发了发光纤维并申请了专利技术，该化学纤维可吸收和释放绿黄光。阿拉巴马州的Beaver:工业公司：硫化锌中掺有铜和一种专利材料