專利名稱：亞微米綠色熒光纖維La₂O₃:Tb³⁺的靜電紡絲方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超細(xì)無(wú)機(jī)纖維材料的制備方法，特別涉及一種亞微米綠色熒光纖維 La2O3 = Tb3+的靜電紡絲方法。
背景技術(shù)：
亞微米結(jié)構(gòu)材料的性質(zhì)、制備及應(yīng)用研究已成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。 靜電紡絲技術(shù)是制備準(zhǔn)一維亞微米結(jié)構(gòu)材料的一種行之有效的新方法，它是通過(guò)靜電力作 為牽引力來(lái)制備超細(xì)纖維的，如圖1所示是靜電紡絲過(guò)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(xì)針管的注射器中，在針管和接地的接收裝置間加以上萬(wàn)伏的 高壓，從而產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的靜電場(chǎng)。電場(chǎng)力施加于紡絲液的表面而產(chǎn)生電流，利用同種電荷 相斥的特性使得電場(chǎng)力與紡絲液的表面張力方向相反而產(chǎn)生一個(gè)向外的力。當(dāng)外加電壓增 大且超過(guò)某一臨界值時(shí)，紡絲液所受電場(chǎng)力將克服自身的表面張力和粘滯力而形成噴射細(xì) 流。噴射細(xì)流在幾十毫秒內(nèi)被牽伸千萬(wàn)倍，沿不穩(wěn)定的螺旋軌跡彎曲運(yùn)動(dòng)，隨著溶劑揮發(fā)， 細(xì)流固化形成微米至納米級(jí)的超細(xì)纖維，以無(wú)序狀排列在收集裝置上。靜電紡絲的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，所制備的纖維均勻、準(zhǔn)連續(xù)，并可達(dá)到滿足光電器件 要求的長(zhǎng)度，已廣泛地應(yīng)用于制備高分子超細(xì)纖維。最近，人們又將該技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，用來(lái) 制備多種無(wú)機(jī)超細(xì)纖維。La2O3 = Tb3+作為一種性能優(yōu)良的綠色熒光材料，可應(yīng)用于平板顯 示、場(chǎng)發(fā)射、光電功能器件等方面。人們已采用多種方法合成了 La2O3:Tb3+熒光粉體，并對(duì)其 特性進(jìn)行了研究。如果將熒光材料制成亞微米級(jí)甚至是納米級(jí)的纖維，由于其特殊的形貌 與結(jié)構(gòu)，可望獲得特殊的性質(zhì)及應(yīng)用。目前，關(guān)于綠色熒光纖維La2O3 = Tb3+的靜電紡絲制備 尚未見公開報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種亞微米綠色熒光纖維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(shù) 制備了 PEO-(La(CH3COO) 3+Tb (CH3COO)3)復(fù)合纖維，并將復(fù)合纖維進(jìn)行焙燒處理，得到了亞 微米級(jí)的綠色熒光纖維La203:Tb3+。本發(fā)明采用的技術(shù)方案，即該制備方法的步驟如下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(jīng) 超聲處理和磁力攪拌完全溶于去離子水，醋酸鹽溶液總的摩爾濃度為0. 3 0. 5摩爾/升， 然后在溶液中加入質(zhì)量為醋酸鹽總質(zhì)量1 1. 2倍的ΡΕ0，在55°C下攪拌4小時(shí)獲得紡絲 液，靜置冷卻；2)將紡絲液裝入到帶有毛細(xì)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(chǎng)的作用下克服自身的表面張力和粘滯力形成噴射細(xì)流，由微量注射泵 控制流率。隨著溶劑揮發(fā)，噴射細(xì)流固化形成P EO-(La (CH3COO) 3+Tb (CH3COO)3)復(fù)合纖維， 以無(wú)序狀態(tài)收集在覆蓋有鋁箔的接收裝置上；
3)將獲得的復(fù)合纖維轉(zhuǎn)移到潔凈的硅片上，干燥后，放入馬弗爐焙燒，保溫5 7 小時(shí)后，PEO完全去除，得到亞微米綠色熒光纖維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厘米。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。所制得的La2O3 = Tb3+是纖維狀的，且纖維的直徑為400 500nm。本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明成功制備出了發(fā)光性能良好的亞微米綠色熒光纖維La203:Tb3+，獲得了不 同于粉體發(fā)光材料的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和形貌，有效拓展了發(fā)光材料的類型和用途。同時(shí)，靜電紡絲 法具有其它制備低維材料方法所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，例如工藝簡(jiǎn)單、制備條件溫和、對(duì)環(huán)境無(wú) 污染、成本低等，而且材料具備很高的長(zhǎng)徑比，形貌均一、可控。本發(fā)明有望在節(jié)能環(huán)保、光 電功能器件、先進(jìn)微納器件等領(lǐng)域獲得良好應(yīng)用。


圖1是靜電紡絲過(guò)程的示意圖。圖中1、紡絲液，2、毛細(xì)針管，3、注射器，4、高壓電 源，5、微量注射泵，6、復(fù)合纖維，7、接收裝置。圖2是實(shí)施例1制備的PEO- (La (CH3COO) 3+Tb (CH3COO) 3)復(fù)合纖維樣品的熱重(TG) 曲線圖。圖3是實(shí)施例1制備的樣品在焙燒后的X射線衍射(XRD)譜圖。圖4是實(shí)施例1制備的樣品在焙燒后的熒光(PL)譜圖。圖5是實(shí)施例1制備的樣品在焙燒前后的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)照片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1所示，本發(fā)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(jīng) 超聲處理和磁力攪拌溶于去離子水，醋酸鹽溶液總的摩爾濃度為0. 3 0. 5摩爾/升，然后 在溶液中加入質(zhì)量為醋酸鹽總質(zhì)量1 1. 2倍的ΡΕ0，在55°C下攪拌4小時(shí)獲得紡絲液1， 靜置冷卻；2)將紡絲液1裝入到帶有毛細(xì)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(chǎng)的作用下克服自身的表面張力和粘滯力形成噴射細(xì)流，由微量 注射泵5控制流率；隨著溶劑揮發(fā)，噴射細(xì)流固化形成PEO- (La (CH3COO) 3+Tb (CH3COO) 3)復(fù) 合纖維6，以無(wú)序狀態(tài)收集在表面覆蓋有鋁箔的接收裝置7上；3)將獲得的復(fù)合纖維6轉(zhuǎn)移到潔凈的硅片上，干燥后，放入馬弗爐焙燒，保溫5 7小時(shí)后，PEO完全去除，得到晶態(tài)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厘米。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(shí)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分鐘后再經(jīng)磁力攪拌30分鐘使兩種醋酸鹽完全溶解，然后在溶液中加入0. 82 克ΡΕ0，在55°C下攪拌4小時(shí)制得紡絲液，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厘米的條件下紡絲得到 PEO-(La (CH3COO) 3+Tb (CH3COO)3)復(fù)合纖維；將收集到鋁箔上的復(fù)合纖維轉(zhuǎn)移到潔凈的硅片 上，干燥后，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(shí)，得到晶態(tài) 的亞微米綠色熒光纖維La2O3:Tb3+。圖2是該實(shí)施例制備的復(fù)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是樣品在焙燒后的X射 線衍射(XRD)譜圖，與編號(hào)為JCPDS No. 54-0213的La2O3標(biāo)準(zhǔn)譜圖相吻合，說(shuō)明生成的是以 La2O3為基質(zhì)的無(wú)機(jī)材料，且摻入的少量雜質(zhì)Tb3+沒(méi)有改變La2O3基質(zhì)原有的晶體結(jié)構(gòu)。圖 4是樣品在焙燒后的熒光(PL)譜圖，四組發(fā)射峰一組較弱，其余三組較強(qiáng)，說(shuō)明發(fā)光性能良 好，如圖分別對(duì)應(yīng)于5D4 — 7F6,5D4 — 7F5,5D4 — 7F4,5D4 — 7F3能級(jí)之間的躍遷。圖5是樣品在 焙燒前后用場(chǎng)發(fā)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(jí)。實(shí)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分鐘后再經(jīng)磁力攪拌30分鐘使兩種醋酸鹽完全溶解，然后在溶液中加入0. 92 克ΡΕ0，在55°C下攪拌4小時(shí)制得紡絲液，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厘米的條件下紡絲得到P EO-(La (CH3COO) 3+Tb (CH3COO)3)復(fù)合纖維；將收集到鋁箔上的復(fù)合纖維轉(zhuǎn)移到潔凈的硅片 上，干燥后，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(shí)，得到晶態(tài) 的亞微米綠色熒光纖維La2O3:Tb3+。該實(shí)施例所制備的樣品的熱重(TG)曲線圖、X射線衍 射(XRD)譜圖、熒光(PL)譜圖、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)照片同實(shí)施例1相近。實(shí)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分鐘后再經(jīng)磁力攪拌30分鐘使兩種醋酸鹽完全溶解，然后在溶液中加入1. 02 克ΡΕ0，在55°C下攪拌4小時(shí)制得紡絲液，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厘米的條件下紡絲得到 PEO-(La (CH3COO) 3+Tb (CH3COO)3)復(fù)合纖維；將收集到鋁箔上的復(fù)合纖維轉(zhuǎn)移到潔凈的硅片 上，干燥后，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(shí)，得到晶態(tài) 的亞微米綠色熒光纖維La203:Tb3+。該實(shí)施例所制備的樣品的熱重(TG)曲線圖、X射線衍 射(XRD)譜圖、熒光(PL)譜圖、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)照片同實(shí)施例1相近。
權(quán)利要求
一種亞微米綠色熒光纖維La2O3:Tb3+的靜電紡絲方法，其特征在于該方法的步驟如下1)將摩爾比為100∶2～100∶6的La(CH3COO)3和Tb(CH3COO)3兩種醋酸鹽經(jīng)超聲處理和磁力攪拌完全溶于去離子水，醋酸鹽溶液總的摩爾濃度為0.3～0.5摩爾/升，然后在溶液中加入質(zhì)量為醋酸鹽總質(zhì)量1～1.2倍的PEO，在55℃下攪拌4小時(shí)獲得紡絲液(1)，靜置冷卻；2)將紡絲液(1)裝入到帶有毛細(xì)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(chǎng)的作用下克服自身的表面張力和粘滯力形成噴射細(xì)流，由微量注射泵(5)控制流率。隨著溶劑揮發(fā)，噴射細(xì)流固化形成PEO (La(CH3COO)3+Tb(CH3COO)3)復(fù)合纖維(6)，以無(wú)序狀態(tài)收集在覆蓋有鋁箔的接收裝置(7)上；3)將獲得的復(fù)合纖維(6)轉(zhuǎn)移到潔凈的硅片上，干燥后，放入馬弗爐焙燒，保溫5～7小時(shí)后，PEO完全去除，得到亞微米綠色熒光纖維La2O3:Tb3+。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種亞微米綠色熒光纖維La2O3= Tb3+的靜電紡絲方法，其特 征在于所述步驟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厘米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種亞微米綠色熒光纖維La2O3= Tb3+的靜電紡絲方法，其特 征在于所述步驟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(jù)權(quán)利要求1所述的一種亞微米綠色熒光纖維La2O3= Tb3+的靜電紡絲方法，其特 征在于所制得的La2O3 = Tb3+是纖維狀的，且纖維的直徑為400 500nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種亞微米綠色熒光纖維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(jīng)超聲處理和磁力攪拌溶于去離子水，醋酸鹽溶液總的摩爾濃度為0.3～0.5摩爾/升，然后在溶液中加入質(zhì)量為醋酸鹽總質(zhì)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(xì)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(xì)流固化形成復(fù)合纖維，收集在表面覆蓋有鋁箔的接收裝置上；將獲得的復(fù)合纖維轉(zhuǎn)移到硅片上焙燒，待聚氧化乙烯完全去除，得到亞微米綠色熒光纖維La2O3:Tb3+。本發(fā)明具有工藝簡(jiǎn)單，制備條件溫和，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)D01F8/16GK101982582SQ20101026520
公開日2011年3月2日 申請(qǐng)日期2010年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月24日
發(fā)明者宋立新, 李妮, 杜平凡, 熊杰, 王利君 申請(qǐng)人:浙江理工大學(xué)