亞微米綠色螢光纖維La₂O₃:Tb³⁺的靜電紡絲方法

2023-07-20 07:53:06 1

專利名稱：亞微米綠色螢光纖維La2O3:Tb3+的靜電紡絲方法
技術領域：
本發明涉及超細無機纖維材料的製備方法，特別涉及一種亞微米綠色螢光纖維 La2O3 = Tb3+的靜電紡絲方法。
背景技術：
亞微米結構材料的性質、製備及應用研究已成為材料科學領域的研究熱點之一。 靜電紡絲技術是製備準一維亞微米結構材料的一種行之有效的新方法，它是通過靜電力作 為牽引力來製備超細纖維的，如圖1所示是靜電紡絲過程的示意圖，其原理如下具有一定 粘度的紡絲液裝入到帶有毛細針管的注射器中，在針管和接地的接收裝置間加以上萬伏的 高壓，從而產生一個強大的靜電場。電場力施加於紡絲液的表面而產生電流，利用同種電荷 相斥的特性使得電場力與紡絲液的表面張力方向相反而產生一個向外的力。當外加電壓增 大且超過某一臨界值時，紡絲液所受電場力將克服自身的表面張力和粘滯力而形成噴射細 流。噴射細流在幾十毫秒內被牽伸千萬倍，沿不穩定的螺旋軌跡彎曲運動，隨著溶劑揮發， 細流固化形成微米至納米級的超細纖維，以無序狀排列在收集裝置上。靜電紡絲的特點是簡單易行，所製備的纖維均勻、準連續，並可達到滿足光電器件 要求的長度，已廣泛地應用於製備高分子超細纖維。最近，人們又將該技術進行改進，用來 製備多種無機超細纖維。La2O3 = Tb3+作為一種性能優良的綠色螢光材料，可應用於平板顯 示、場發射、光電功能器件等方面。人們已採用多種方法合成了 La2O3:Tb3+螢光粉體，並對其 特性進行了研究。如果將螢光材料製成亞微米級甚至是納米級的纖維，由於其特殊的形貌 與結構，可望獲得特殊的性質及應用。目前，關於綠色螢光纖維La2O3 = Tb3+的靜電紡絲製備 尚未見公開報導。

發明內容
本發明的目的是提供一種亞微米綠色螢光纖維La2O3 = Tb3+的靜電紡絲方法。以聚 氧化乙烯(PEO)、醋酸鑭(La(CH3COO)3)和醋酸鋱(Tb(CH3COO)3)為原料，利用靜電紡絲技術 製備了 PEO-(La(CH3COO) 3+Tb (CH3COO)3)複合纖維，並將複合纖維進行焙燒處理，得到了亞 微米級的綠色螢光纖維La203:Tb3+。本發明採用的技術方案，即該製備方法的步驟如下1)將摩爾比為100 2 100 6的La (CH3COO) 3禾口 Tb (CH3COO) 3兩種醋酸鹽經 超聲處理和磁力攪拌完全溶於去離子水，醋酸鹽溶液總的摩爾濃度為0. 3 0. 5摩爾/升， 然後在溶液中加入質量為醋酸鹽總質量1 1. 2倍的ΡΕ0，在55°C下攪拌4小時獲得紡絲 液，靜置冷卻；2)將紡絲液裝入到帶有毛細針管的注射器中，在針管和接地的接收裝置間加高電 壓，紡絲液在靜電場的作用下克服自身的表面張力和粘滯力形成噴射細流，由微量注射泵 控制流率。隨著溶劑揮發，噴射細流固化形成P EO-(La (CH3COO) 3+Tb (CH3COO)3)複合纖維， 以無序狀態收集在覆蓋有鋁箔的接收裝置上；
3)將獲得的複合纖維轉移到潔淨的矽片上，乾燥後，放入馬弗爐焙燒，保溫5 7 小時後，PEO完全去除，得到亞微米綠色螢光纖維La203:Tb3+。所述步驟2)中的高電壓為10 16KV，流率為0. 006 0. 01毫升/分鐘，針尖到 接收裝置的距離為12 20釐米。所述步驟3)中選擇的升溫速率為1°C /分鐘，焙燒溫度分別為500 900°C。所製得的La2O3 = Tb3+是纖維狀的，且纖維的直徑為400 500nm。本發明具有的有益效果是本發明成功製備出了發光性能良好的亞微米綠色螢光纖維La203:Tb3+，獲得了不 同於粉體發光材料的獨特結構和形貌，有效拓展了發光材料的類型和用途。同時，靜電紡絲 法具有其它製備低維材料方法所無法比擬的優點，例如工藝簡單、製備條件溫和、對環境無 汙染、成本低等，而且材料具備很高的長徑比，形貌均一、可控。本發明有望在節能環保、光 電功能器件、先進微納器件等領域獲得良好應用。


圖1是靜電紡絲過程的示意圖。圖中1、紡絲液，2、毛細針管，3、注射器，4、高壓電 源，5、微量注射泵，6、複合纖維，7、接收裝置。圖2是實施例1製備的PEO- (La (CH3COO) 3+Tb (CH3COO) 3)複合纖維樣品的熱重(TG) 曲線圖。圖3是實施例1製備的樣品在焙燒後的X射線衍射(XRD)譜圖。圖4是實施例1製備的樣品在焙燒後的螢光(PL)譜圖。圖5是實施例1製備的樣品在焙燒前後的場發射掃描電鏡(FESEM)照片。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。如圖1所示，本發明方法的步驟如下1)將摩爾比為100 2 100 6的La (CH3COO) 3禾口 Tb (CH3COO) 3兩種醋酸鹽經 超聲處理和磁力攪拌溶於去離子水，醋酸鹽溶液總的摩爾濃度為0. 3 0. 5摩爾/升，然後 在溶液中加入質量為醋酸鹽總質量1 1. 2倍的ΡΕ0，在55°C下攪拌4小時獲得紡絲液1， 靜置冷卻；2)將紡絲液1裝入到帶有毛細針管2的注射器3中，在針管和接地的接收裝置間 加高電壓4，紡絲液在靜電場的作用下克服自身的表面張力和粘滯力形成噴射細流，由微量 注射泵5控制流率；隨著溶劑揮發，噴射細流固化形成PEO- (La (CH3COO) 3+Tb (CH3COO) 3)復 合纖維6，以無序狀態收集在表面覆蓋有鋁箔的接收裝置7上；3)將獲得的複合纖維6轉移到潔淨的矽片上，乾燥後，放入馬弗爐焙燒，保溫5 7小時後，PEO完全去除，得到晶態的La2O3 = Tb3+纖維。所述步驟2)中的高電壓為10 16KV，流率為0. 006 0. 01毫升/分鐘，針尖到 接收裝置7的距離為12 20釐米。所述步驟3)中的選擇的升溫速率為1 °C /分鐘，焙燒溫度為500 900°C。實施例1
將0. 8克La (CH3COO) 3和0. 017克Tb (CH3COO) 3加入到8毫升去離子水中，超聲 處理10分鐘後再經磁力攪拌30分鐘使兩種醋酸鹽完全溶解，然後在溶液中加入0. 82 克ΡΕ0，在55°C下攪拌4小時製得紡絲液，靜置冷卻；將紡絲液裝入到注射器中，在電 壓是10KV、流率0. 006毫升/分鐘、針尖到收集板的距離是12釐米的條件下紡絲得到 PEO-(La (CH3COO) 3+Tb (CH3COO)3)複合纖維；將收集到鋁箔上的複合纖維轉移到潔淨的矽片 上，乾燥後，放入馬弗爐焙燒，以1°C /分鐘的速率升溫至500°C焙燒，保溫5小時，得到晶態 的亞微米綠色螢光纖維La2O3:Tb3+。圖2是該實施例製備的複合纖維樣品的熱重(TG)曲線 圖，從圖中可看出，溫度需在400°C以上，PEO才能被基本去除。圖3是樣品在焙燒後的X射 線衍射(XRD)譜圖，與編號為JCPDS No. 54-0213的La2O3標準譜圖相吻合，說明生成的是以 La2O3為基質的無機材料，且摻入的少量雜質Tb3+沒有改變La2O3基質原有的晶體結構。圖 4是樣品在焙燒後的螢光(PL)譜圖，四組發射峰一組較弱，其餘三組較強，說明發光性能良 好，如圖分別對應於5D4 — 7F6,5D4 — 7F5,5D4 — 7F4,5D4 — 7F3能級之間的躍遷。圖5是樣品在 焙燒前後用場發射掃描電鏡(FESEM)拍攝的形貌照片，可以清楚地觀察到La2O3 = Tb3+纖維的 直徑在400 500nm間，屬亞微米級。實施例2 將0. 8克La (CH3COO) 3和0. 034克Tb (CH3COO) 3加入到6毫升去離子水中，超聲 處理10分鐘後再經磁力攪拌30分鐘使兩種醋酸鹽完全溶解，然後在溶液中加入0. 92 克ΡΕ0，在55°C下攪拌4小時製得紡絲液，靜置冷卻；將紡絲液裝入到注射器中，在電壓 是13KV、流率0. 008毫升/分鐘、針尖到收集板的距離是16釐米的條件下紡絲得到P EO-(La (CH3COO) 3+Tb (CH3COO)3)複合纖維；將收集到鋁箔上的複合纖維轉移到潔淨的矽片 上，乾燥後，放入馬弗爐焙燒，以1°C/分鐘的速率升溫至750°C焙燒，保溫6小時，得到晶態 的亞微米綠色螢光纖維La2O3:Tb3+。該實施例所製備的樣品的熱重(TG)曲線圖、X射線衍 射(XRD)譜圖、螢光(PL)譜圖、場發射掃描電鏡(FESEM)照片同實施例1相近。實施例3 將0. 8克La (CH3COO) 3和0. 05克Tb (CH3COO) 3加入到5毫升去離子水中，超聲 處理10分鐘後再經磁力攪拌30分鐘使兩種醋酸鹽完全溶解，然後在溶液中加入1. 02 克ΡΕ0，在55°C下攪拌4小時製得紡絲液，靜置冷卻；將紡絲液裝入到注射器中，在電 壓是16KV、流率0.01毫升/分鐘、針尖到收集板的距離是20釐米的條件下紡絲得到 PEO-(La (CH3COO) 3+Tb (CH3COO)3)複合纖維；將收集到鋁箔上的複合纖維轉移到潔淨的矽片 上，乾燥後，放入馬弗爐焙燒，以1°C /分鐘的速率升溫至900°C焙燒，保溫7小時，得到晶態 的亞微米綠色螢光纖維La203:Tb3+。該實施例所製備的樣品的熱重(TG)曲線圖、X射線衍 射(XRD)譜圖、螢光(PL)譜圖、場發射掃描電鏡(FESEM)照片同實施例1相近。
權利要求
一種亞微米綠色螢光纖維La2O3:Tb3+的靜電紡絲方法，其特徵在於該方法的步驟如下1)將摩爾比為100∶2～100∶6的La(CH3COO)3和Tb(CH3COO)3兩種醋酸鹽經超聲處理和磁力攪拌完全溶於去離子水，醋酸鹽溶液總的摩爾濃度為0.3～0.5摩爾/升，然後在溶液中加入質量為醋酸鹽總質量1～1.2倍的PEO，在55℃下攪拌4小時獲得紡絲液(1)，靜置冷卻；2)將紡絲液(1)裝入到帶有毛細針管(2)的注射器(3)中，在針管和接地的接收裝置間加高電壓(4)，紡絲液在靜電場的作用下克服自身的表面張力和粘滯力形成噴射細流，由微量注射泵(5)控制流率。隨著溶劑揮發，噴射細流固化形成PEO (La(CH3COO)3+Tb(CH3COO)3)複合纖維(6)，以無序狀態收集在覆蓋有鋁箔的接收裝置(7)上；3)將獲得的複合纖維(6)轉移到潔淨的矽片上，乾燥後，放入馬弗爐焙燒，保溫5～7小時後，PEO完全去除，得到亞微米綠色螢光纖維La2O3:Tb3+。
2.根據權利要求1所述的一種亞微米綠色螢光纖維La2O3= Tb3+的靜電紡絲方法，其特 徵在於所述步驟2)中的高電壓為10 16KV，流率為0. 006 0. 01毫升/分鐘，針尖到 接收裝置(7)的距離為12 20釐米。
3.根據權利要求1所述的一種亞微米綠色螢光纖維La2O3= Tb3+的靜電紡絲方法，其特 徵在於所述步驟3)中選擇的升溫速率為1°C /分鐘，焙燒溫度分別為500 900°C。
4.根據權利要求1所述的一種亞微米綠色螢光纖維La2O3= Tb3+的靜電紡絲方法，其特 徵在於所製得的La2O3 = Tb3+是纖維狀的，且纖維的直徑為400 500nm。
全文摘要
本發明公開了一種亞微米綠色螢光纖維La2O3:Tb3+的靜電紡絲方法。將按摩爾比的醋酸鑭和醋酸鋱兩種醋酸鹽經超聲處理和磁力攪拌溶於去離子水，醋酸鹽溶液總的摩爾濃度為0.3～0.5摩爾/升，然後在溶液中加入質量為醋酸鹽總質量1～1.2倍的聚氧化乙烯，在55℃下攪拌獲得紡絲液；將紡絲液裝入到帶有毛細針管的注射器中，在針管和接收裝置間加高電壓，由微量注射泵控制流率，噴射細流固化形成複合纖維，收集在表面覆蓋有鋁箔的接收裝置上；將獲得的複合纖維轉移到矽片上焙燒，待聚氧化乙烯完全去除，得到亞微米綠色螢光纖維La2O3:Tb3+。本發明具有工藝簡單，製備條件溫和，對環境無汙染，成本低等優點。
文檔編號D01F8/16GK101982582SQ20101026520
公開日2011年3月2日 申請日期2010年8月24日 優先權日2010年8月24日
發明者宋立新, 李妮, 杜平凡, 熊杰, 王利君 申請人:浙江理工大學