建造农业温室用掺稀土光转换玻璃的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种建造农业温室用掺稀土光转换玻璃，属于光功能玻璃技术领域。
【背景技术】
[0002] 农作物的生长和收成与光合作用密切相关。影响植物光合作用的因素除了光强 度和光周期之外，波长也是很重要影响的因素。叶绿素主要吸收380~470nm的蓝紫光和 590~670nm的红授光，叶绿素a的吸收峰为440nm和662nm，叶绿素b的吸收峰为463nm 和642nm。而80~400nm(其中200~300nm为日盲区）的近紫外光对植物有强烈的破坏 作用。可见，如果能够将所述近紫外光转换为所述蓝紫光和所述红橙光，则可以在化害为利 充分利用太阳能的同时，增强农作物的光合作用。掺稀土光转换玻璃则能够实现这种转换， 具体应用形式就是采用这种光转换玻璃建造农业温室。
[0003] 姜淳等人2001年发表的一篇题为"Ce3+掺杂氧化物的发光特征"的文章公开一种 方案。该方案制备了掺铈硼酸盐、硅酸盐、磷酸盐和锗酸盐等玻璃，在不同的基质中Ce 3+的 激发峰值波长在290~380nm波段内，发射峰值波长则在349~480nm波段内，实现了紫外 向蓝紫的转换。不过，所实现的这种转换与叶绿素a、叶绿素b的吸收光谱重叠程度不够，如 发射峰值波长不含红橙光；另外，对有害紫外光的化解不够彻底，如其发射峰值波长还有一 部分在349~400nm范围内。
[0004] 由石鹏途于2002年发表的一篇题为"农用转光玻璃研宄一一稀土激活硼酸盐 玻璃的合成及荧光性质"的文章披露了一种方案。该方案涉及一种BaLBE体系玻璃，即 BaO-La2O 3-B2O3-Eu2O3玻璃，该玻璃基质能够同时稳定Eu 3+和Eu 2+两种离子，在紫外光激发 下，分别产生锐线红色发射峰和宽带蓝色发射峰。但是，该方案存在以下问题：首先，其红 色发射光为620nm的锐线，而叶绿素a的一个吸收峰为662nm，叶绿素b的一个吸收峰为 642nm，显然其光谱重叠程度不高；其次，BaO-La 2O3-B2O3-Eu2O 3基质玻璃属于硼酸盐玻璃，其 化学性质极不稳定，并且造价高，不适合作为窗用平板玻璃。
[0005] 由石鹏途于2006年发表的一篇题为"稀土转光玻璃的合成及荧光性质的研宄"的 文章提出了一种掺稀土光转换玻璃的方案。在该方案中，钐存在650nm的发射峰，铈的发射 峰值波长为393nm，发射波段一直延伸到500nm，具有增强光合作用的效果。但是，该方案存 在以下问题：首先，铈的发射波段在叶绿素a的吸收峰440nm和叶绿素b的吸收峰463nm的 光强度已经明显减弱；其次，由于该方案玻璃基质为CaO-B 2O3-SiO2，因此，这种光转换玻璃 的化学稳定性较差，并且，CaO-B 2O3-SiO2S质玻璃造价相当昂贵，因此，不适合作为窗用平 板玻璃。
[0006] 章学安于2013年发表的一篇题为"稀土掺杂紫外转光硼酸盐玻璃制备与发光机 制"的文章公开了一种方案。该方案采用熔融法制造一种掺稀土光转换玻璃，玻璃组分为 (4〇-x) Zn0-xZnF2-40B203-10Si02-5K 20-5Ca0-10Al203:Eu2O3, x = 0, 10, 20, 30, and 40mol%, 属于一种硼硅酸盐氟氧化物玻璃。采用FTIR、PL详细分析了所制得的玻璃样品的光学性 质，得出该玻璃的蓝紫光和红橙光波段发射峰分别位于400nm和620nm，与叶绿素吸收光谱 重叠程度不高，而作为硼硅酸盐玻璃，其化学稳定性依然不够理想，依然不适合用作窗用平 板玻璃。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是获得一种能够将对植物有强烈破坏作用的近紫外光转化为能够 与植物叶绿素发生光合作用的蓝紫光和红橙光的掺稀土光转换玻璃，并且，提高该掺稀土 光转换玻璃发射光谱与叶绿素吸收光谱的重叠程度，同时提高其化学稳定性，降低制造成 本，使其能够用于农业温室的建造，为此，我们发明了一种建造农业温室用掺稀土光转换玻 璃。
[0008] 本发明之建造农业温室用掺稀土光转换玻璃在基质玻璃中掺入稀土元素，其特征 在于，所述基质玻璃为Na 2O-CaO-SiO2玻璃，共掺稀土元素铈、钐、铥，并且，所述稀土元素分 别以引入基质玻璃配料重量0.1~1.0￥七％的06 203、0.3~1.2￥七％的5111203以及0.1~ 0? 6wt%的Tm2O3的方式引入。
[0009] 本发明其技术效果在于，在Na2O-CaO-SiO2基质玻璃中，掺入的稀土离子Ce 3+、Tm3+、 Sm3+成为激活剂。在近紫外光的激发下，Ce 3+离子由于其特征4f-5d跃迀使其围绕420nm波 长形成了一个宽带发射，如图1所示。在近紫外光的激发下，Tm 3+离子围绕450nm波长形成 了一个宽带发射，如图2所示。可见，铈和铥的发射光谱几乎覆盖了整个蓝紫光波段，而这 一波段正是叶绿素的一个吸收波段所在。在近紫外光的激发下，Sm 3+离子由于4G5/2- 6H9/2 跃迀而产生650nm峰值波长发射，如图3所示，这一波长位于叶绿素a的662nm吸收峰及叶 绿素b的642nm吸收峰之间，形成对叶绿素红橙光吸收波段的覆盖。
[0010] 众所周知，Na20-Ca0-Si02玻璃相对于硼酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃和锗 酸盐玻璃而言，其化学稳定性非常高，而造价却很低。
【附图说明】
[0011] 图 1 为在 Na2O-CaO-SiO2基质玻璃中分别单掺 0. 1、0. 2、0. 3、0. 4、0. 5、0. 7、 I. 0 (wt% )的Ce2O3的各个玻璃样品在320nm近紫外光激发下的发射光谱曲线图，由该曲线 图可知，掺入0. 2wt %的Ce2O3得到最大发射光强度。
[0012] 图2为在Na2O-CaO-SiO2基质玻璃中共掺铈、铥，Ce 203的掺入量均为0. 2wt %，Tm2O3 掺入量分别为〇. l、〇. 2、0. 3、0. 4、0. 5、0. 6(wt% )的各个玻璃样品在350nm近紫外光激发下 的发射光谱曲线图，由该曲线图可知，当掺入0. 2wt %的Ce2O3时，掺入0. 4wt %的Tm 203得到 最大发射光强度。
[0013] 图3为在Na2O-CaO-SiO2基质玻璃中共掺铈、铥、钐，Ce 203的掺入量均为0. 2wt%， Tm2O3的掺入量均为 0? 4wt%，Sm2O3的掺入量分别为 0? 3、0. 5、0. 6、0. 7、0. 8、0. 9、1. 0、1. 1、 I. 2 (wt% )的各个玻璃样品在400nm近紫外光激发下的发射光谱曲线图，由该曲线图可知， 当掺入0? 2wt%的Ce203、0. 4wt%的Tm2O3时，掺入I. lwt%的Sm2O3在650nm得到一个峰值 波长；该图同时作为摘要附图。
【具体实施方式】
[0014] Na2O-CaO-SiO2基质玻璃配料组分及配比（wt% )为：
[0015]
[0016] 在所述Na2O-CaO-SiO2基质玻璃中分别单掺该配料重量的0.1、0. 2、0. 3、0. 4、0. 5、 0? 7、1. 0(wt% )的Ce203。经过混料、在1460~1480°C温度下熔炼30~40min、在500°C温 度下退火2~8h，得到7个玻璃样品。测试该7个玻璃样品在320nm近紫外光激发下的光 照强度，得到一组发射光谱曲线，如图1所示，由该曲线图可知，掺入〇. 2wt%的Ce2O3得到 最大发射光强度，Ce2O 3的掺入量为0. 3wt %、0. 4wt %时发射光强度明显下降，达到1.0 wt % 时，发射光强度非常弱。所述7个玻璃样品发射光谱在360~460nm范围内，是能够增强农 作物光合作用的蓝紫光。
[0017] 在所述Na2O-CaO-SiO2S质玻璃中掺入该配料重量的0.2wt %的Ce2O3，再分别掺入 该配料重量的 0. l、〇. 2、0. 3、0. 4、0. 5、0. 6(wt% )的 Tm2O3。经过混料、在 1460 ~1480°C温 度下熔炼30~40min、在500°C温度下退火2~8h，得到6个玻璃样品。测试该6个玻璃样 品在350nm近紫外光激发下的光照强度，得到一组发射光谱曲线，如图2所示，由该曲线图 可知，掺入0. 4wt %的Tm2O3得到最大发射光强度，发射光谱也最宽，所述6个玻璃样品发射 光谱在380~460nm范围内，是能够增强农作物光合作用的蓝紫光。
[0018] 在所述Na2O-CaO-SiO2基质玻璃中掺入该配料重量0. 2wt%的Ce 203及0. 4wt%的 Tm2O3,再分别掺入该配料重量的 0? 3、0. 5、0. 6、0. 7、0. 8、0. 9、1. 0、1. 1、1. 2(wt% )的 Sm203。 经过混料、在1460~1480°C温度下熔炼30~40min、在500°C温度下退火2~8h，得到9 个玻璃样品。测试该9个玻璃样品在400nm近紫外光激发下的光照强度，得到一组发射光 谱曲线，如图3所示，由该曲线图可知，当Sm 2O3的掺入量小于I. lwt%时，发射光强度随掺 入量的增加而增强，并在I. lwt%达到峰值，掺入量为I. 2wt%时开始出现下降趋势，发射 光谱的一个峰值波长为650nm，这是能够增强农作物光合作用的红橙光。
[0019] 根据【具体实施方式】的上述内容，本发明进一步确认Ce203、Tm 203、Sm2O3的掺入量依 次为 Na2O-CaO-SiO2基质玻璃配料重量的 0? 2 ~0? 6wt%、0. 2 ~0? 5wt%、0. 8 ~I. lwt%。
【主权项】
1. 一种建造农业温室用掺稀土光转换玻璃，在基质玻璃中掺入稀土元素，其特征在于， 所述基质玻璃为Na 2O-CaO-SiO2玻璃，共掺稀土元素铈、钐、铥，并且，所述稀土元素分别以 引入基质玻璃配料重量0.1~1.(^%的06203、0.3~1.2￥七％的5111 203以及0.1~0.6￥七％ 的Tm2O3的方式引入。2. 根据权利要求1所述的建造农业温室用掺稀土光转换玻璃，其特征在于， Na2O-CaO-SiO2基质玻璃配料组分及配比为：Si0 270wt%，Al2033wt%，CaCO3IO. 5wt%，MgO 2. 5wt %，Na2C0312. 5wt %，KNO3O. 5wt %，NaCl 0? 7wt %，Sb2O3O. 3wt % ;Ce203、Tm2O3' Sm2O3的 掺入量依次为Na2O-CaO-SiO 2基质玻璃配料重量的0. 2~0. 6wt%、0. 2~0. 5wt%、0. 8~ I. lwt%〇
【专利摘要】建造农业温室用掺稀土光转换玻璃属于光功能玻璃技术领域。现有掺稀土光转换玻璃其发射光谱未能最大程度地与叶绿素吸收光谱重叠，并且化学稳定性低，制造成本高。本发明之建造农业温室用掺稀土光转换玻璃在基质玻璃中掺入稀土元素，其特征在于，所述基质玻璃为Na2O-CaO-SiO2玻璃，共掺稀土元素铈、钐、铥，并且，所述稀土元素分别以引入基质玻璃配料重量0.1～1.0wt％的Ce2O3、0.3～1.2wt％的Sm2O3以及0.1～0.6wt％的Tm2O3的方式引入。本发明能够将对植物有强烈破坏作用的近紫外光转化为能够与植物叶绿素发生光合作用的蓝紫光和红橙光，并与叶绿素吸收光谱高度重叠，化学稳定性高，制造成本低，能够用于农业温室的建造。
【IPC分类】C03C3/11
【公开号】CN104944769
【申请号】CN201510268194
【发明人】吕景文, 彭海益, 石雨强, 姜丽雪, 吴瑕, 王禹澄
【申请人】长春理工大学
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年5月25日