專利名稱：摻鋱八氟釔鋇綠色發(fā)光納米纖維的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米材料制備研究領(lǐng)域，具體說涉及摻鋱八氟釔鋇綠色發(fā)光納米纖維的制備方法。
背景技術(shù)：
納米纖維是指在材料的三維空間尺度上有兩維處于納米尺度的線狀材料，通常徑向尺度為納米量級，而長度則較大。由于納米纖維的徑向尺度小到納米量級，顯示出一系列特性，最突出的是比表面積大，從而其表面能和活性增大，進而產(chǎn)生小尺寸效應(yīng)、表面或界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等，并因此表現(xiàn)出一系列化學(xué)、物理(熱、光、聲、電、磁等)方面的特異性。在現(xiàn)有技術(shù)中，有很多制備納米纖維的方法，例如抽絲法、模板合成法、分相法以及自組裝法等。此外，還有電弧蒸發(fā)法，激光高溫?zé)品?，化合物熱解法。這三種方法實際上都是在高溫下使化合物(或單質(zhì))蒸發(fā)后，經(jīng)熱解(或直接冷凝)制得納 米纖維或納米管，從本質(zhì)上來說，都屬于化合物蒸汽沉積法。稀土八氟化物由于具有豐富的4f能級和較低的聲子能，是目前高效稀土離子摻雜發(fā)光基質(zhì)之一。摻鋱八氟釔鋇BaY2F8 = Tb3+是一種重要的綠色發(fā)光材料，具有重要的應(yīng)用前景。目前，BaY2F8 = Tb3+粉體材料主要采用高溫固相法、水熱與溶劑熱法、溶膠-凝膠法、微乳液法、微波法、燃燒法、激光燒蝕法、前驅(qū)體熱解法等方法進行合成，合成產(chǎn)物為BaY2F8: Tb3+微米顆?；蚣{米顆粒。摻鋱八氟釔鋇BaY2F8: Tb3+納米纖維是一種新型的綠色發(fā)光材料，將在發(fā)光與顯示、防偽、醫(yī)學(xué)檢測、生物標記、太陽能電池、化學(xué)與生物傳感器、納米器件等領(lǐng)域得到重要應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，未見摻鋱八氟釔鋇BaY2F8: Tb3+納米纖維的報道。專利號為1975504的美國專利公開了一項有關(guān)靜電紡絲方法(electrospinning)的技術(shù)方案，該方法是制備連續(xù)的、具有宏觀長度的微納米纖維的一種有效方法，由Formhals于1934年首先提出。這一方法主要用來制備高分子納米纖維，其特征是使帶電的高分子溶液或熔體在靜電場中受靜電力的牽引而由噴嘴噴出，投向?qū)γ娴慕邮掌?，從而實現(xiàn)拉絲，然后，在常溫下溶劑蒸發(fā)，或者熔體冷卻到常溫而固化，得到微納米纖維。近10年來，在無機纖維制備技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)了采用靜電紡絲方法制備無機化合物如氧化物納米纖維的技術(shù)方案，所述的氧化物包括Ti02、ZrO2, Y2O3> Y2O3:RE3+(RE3+ = Eu3+、Tb3+、Er3+、Yb3+/Er3+)、NiO、Co3O4' Mn2O3> Mn3O4' CuO, SiO2, Al2O3' V205、ZnO、Nb2O5' MoO3> CeO2, LaMO3 (Μ=Fe、Cr、Mn、Co、Ni、Al)、Y3Al5O12^ La2Zr2O7等金屬氧化物和金屬復(fù)合氧化物。王進賢等采用靜電紡絲技術(shù)制備了稀土氟化物/稀土氟氧化物復(fù)合納米纖維(中國發(fā)明專利，授權(quán)號ZL200810050959. O);董相廷等采用靜電紡絲技術(shù)制備了摻銪Y7O6F9納米纖維(中國發(fā)明專利，授權(quán)號ZL201010550196. 3);王進賢等采用靜電紡絲技術(shù)制備了稀土三氟化物納米纖維(中國發(fā)明專利，授權(quán)號ZL201010107993.4);王策等采用靜電紡絲技術(shù)通過對R(CF3CO2) 3/PVP (R = Eu，Ho)復(fù)合納米纖維進行熱處理，合成了 ROF (R = Eu，Ho)納米纖維(J. Nanosci. Nanotechnol.，2009,9 (2) : 1522-1525)。靜電紡絲方法能夠連續(xù)制備大長徑比微米纖維或者納米纖維。目前未見采用靜電紡絲技術(shù)與氟化技術(shù)相結(jié)合制備摻鋱八氟釔鋇BaY2F8ITb3+綠色發(fā)光納米纖維的報道。利用靜電紡絲技術(shù)制備納米材料時，原料的種類、高分子模板劑的分子量、紡絲液的組成、紡絲過程參數(shù)和熱處理工藝對最終產(chǎn)品的形貌和尺寸都有重要影響。本發(fā)明先采用靜電紡絲技術(shù)，以氧化釔Y2O3和氧化鋱Tb4O7為原料，用硝酸溶解后蒸發(fā)，得到硝酸釔
Y(NO3) 3和硝酸鋱Tb (NO3) 3混合晶體，加入硝酸鋇Ba (NO3) 2、溶劑N，N- 二甲基甲酰胺DMF和高分子模板劑聚乙烯吡咯烷酮PVP，得到紡絲液后進行靜電紡絲，在最佳的實驗條件下，制備出PVP/ [Ba (NO3) 2+Y (NO3) 3+Tb (NO3) 3]復(fù)合纖維，將其在空氣中進行熱處理，得到混合氧化物納米纖維，采用雙坩堝法、以氟化氫銨NH4HF2為 氟化劑進行氟化，制備出了結(jié)構(gòu)新穎純相的BaY2F8 = Tb3+綠色發(fā)光納米纖維。

發(fā)明內(nèi)容
在背景技術(shù)中的各種制備納米纖維的方法中，抽絲法的缺點是對溶液粘度要求太苛刻；模板合成法的缺點是不能制備根根分離的連續(xù)纖維；分相法與自組裝法生產(chǎn)效率都比較低；而化合物蒸汽沉積法由于對高溫的需求，所以工藝條件難以控制，并且，上述幾種方法制備的納米纖維長徑比小。
背景技術(shù)：
中的使用靜電紡絲技術(shù)制備了金屬氧化物、金屬復(fù)合氧化物納米纖維、稀土氟化物/稀土氟氧化物復(fù)合納米纖維、摻銪Y7O6F9納米纖維、稀土三氟化物納米纖維和ROF(R = Eu，Ho)納米纖維?，F(xiàn)有技術(shù)采用高溫固相法、水熱與溶劑熱法、溶膠-凝膠法、微乳液法、微波法、燃燒法、激光燒蝕法、前驅(qū)體熱解法等方法合成了BaY2F8: Tb3+微米顆?；蚣{米顆粒。為了在納米纖維領(lǐng)域提供一種新型綠色發(fā)光納米纖維材料，我們將靜電紡絲技術(shù)與氟化技術(shù)相結(jié)合，發(fā)明了 BaY2F8 = Tb3+綠色發(fā)光納米纖維的制備方法。本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，首先制備出用于靜電紡絲的具有一定粘度的紡絲液，應(yīng)用靜電紡絲技術(shù)進行靜電紡絲，在最佳的實驗條件下，制備出PVP/[Ba(NO3)2+Y(NO3) 3+Tb (NO3)3]復(fù)合纖維，將其在空氣中進行熱處理，得到了混合氧化物納米纖維，采用雙坩堝法、以氟化氫銨NH4HF2為氟化劑進行氟化，制備出了結(jié)構(gòu)新穎純相的BaY2F8 = Tb3+綠色發(fā)光納米纖維。在本發(fā)明中，摻雜的鋱離子的摩爾百分數(shù)為5%，標記為BaY2F8:5% Tb3+，即本發(fā)明所制備的是BaY2F8:5% Tb3+綠色發(fā)光納米纖維。其步驟為(I)配制紡絲液鋇源使用的是硝酸鋇Ba (NO3)2,釔源和鋪源使用的是氧化釔Y2O3和氧化鋪Tb4O7,高分子模板劑采用聚乙烯吡咯烷酮PVP，分子量為90000，采用N，N-二甲基甲酰胺DMF為溶齊U，稱取一定量的硝酸鋇Ba (NO3)2、氧化釔Y2O3和氧化鋱Tb4O7，其中Ba2+，Y3+和Tb3+的摩爾比為50 95 5，即鋱離子的摩爾百分數(shù)為5%，將氧化釔Y2O3和氧化鋱Tb4O7用硝酸HNO3溶解后蒸發(fā)，得到Y(jié) (NO3) 3和Tb (NO3) 3混合晶體，加入硝酸鋇Ba (NO3) 2、N，N- 二甲基甲酰胺DMF溶劑和聚乙烯吡咯烷酮PVP，于室溫下磁力攪拌4h，并靜置2h，形成紡絲液，該紡絲液各組成部分的質(zhì)量百分數(shù)為硝酸鹽含量9%，PVP含量12%，溶劑DMF含量79% ；(2)制備 PVP/ [Ba (NO3) 2+Y (NO3) 3+Tb (NO3) 3]復(fù)合纖維將配制好的紡絲液加入紡絲裝置的儲液管中，進行靜電紡絲，噴頭內(nèi)徑O. 7mm，調(diào)整噴頭與水平面的夾角為15°，施加15kY的直流電壓，固化距離16cm，室溫20 28°C，相對濕度為 45 % 75 %，得到 PVP/ [Ba (NO3) 2+Y (NO3) 3+Tb (NO3) 3]復(fù)合纖維；(3)制備混合氧化物納米纖維將所述的PVP/[Ba (NO3) 2+Y (NO3) 3+Tb (NO3)3]復(fù)合纖維放到程序控溫爐中進行熱處理，升溫速率為l°c /min，在700°C恒溫8h，再以1°C /min的速率降溫至200°C，之后隨爐體自然冷卻至室溫，得到混合氧化物納米纖維；(4)制備BaY2F8:5 % Tb3+綠色發(fā)光納米纖維氟化試劑使用氟化氫銨NH4HF2，采用雙坩堝法，將氟化氫銨放入小坩堝中，上面覆蓋碳棒，將所述的混合氧化物納米纖維放在碳棒上面，將小坩堝放入較大的坩堝中，在內(nèi)外坩堝間加適量的氟化氫銨，在外坩堝上加上坩堝蓋子放入管式爐中，以2°C /min的升溫速率升溫至280°C保溫2h，再升溫到700°C保溫4h，最后以I °C /min的降溫速率降溫至200°C，之后隨爐體自然冷卻至室溫，得到BaY2F8:5% Tb3+綠色發(fā)光納米纖維，直徑為 113. 9±8· 7nm,長度大于 50 μ m。在上述過程中所述的BaY2F8:5% Tb3+綠色發(fā)光納米纖維具有良好的結(jié)晶性，直徑為113. 9 ± 8. 7nm，長度大于50 μ m，實現(xiàn)了發(fā)明目的。


圖I是BaY2F8:5 % Tb3+綠色發(fā)光納米纖維的XRD譜圖；圖2是BaY2F8:5 % Tb3+綠色發(fā)光納米纖維的SEM照片，該圖兼作摘要附圖；圖3是BaY2F8:5% Tb3+綠色發(fā)光納米纖維的直徑分布直方圖；圖4是BaY2F8:5 % Tb3+綠色發(fā)光納米纖維的激發(fā)光譜圖；圖5是BaY2F8:5% Tb3+綠色發(fā)光納米纖維的發(fā)射光譜圖。
具體實施例方式本發(fā)明所選用的氧化釔Y2O3和氧化鋱Tb4O7的純度為99. 99%，聚乙烯吡咯烷酮PVP,分子量90000，N, N- 二甲基甲酰胺DMF，碳棒，硝酸鋇Ba (NO3)2,氟化氫銨NH4HF2和硝酸HNO3均為市售分析純產(chǎn)品；所用的玻璃儀器、坩堝和設(shè)備是實驗室中常用的儀器和設(shè)備。實施例稱取一定量的硝酸鋇Ba(NO3)2、氧化釔Y2O3和氧化鋱Tb4O7，其中Ba2+，Y3+和Tb3+的摩爾比為50 95 5，即鋱離子的摩爾百分數(shù)為5%，將氧化釔Y2O3和氧化鋱Tb4O7用硝酸HNO3溶解后蒸發(fā)，得到Y(jié) (NO3) 3和Tb (NO3) 3混合晶體，加入硝酸鋇Ba (NO3) 2、N，N- 二甲基甲酰胺DMF溶劑和聚乙烯吡咯烷酮PVP，于室溫下磁力攪拌4h，并靜置2h，形成紡絲液，該紡絲液各組成部分的質(zhì)量百分數(shù)為硝酸鹽含量9%，PVP含量12%，溶劑DMF含量79% ;將配制好的紡絲液加入紡絲裝置的儲液管中，進行靜電紡絲，噴頭內(nèi)徑O. 7mm,調(diào)整噴頭與水平面的夾角為15°，施加15kV的直流電壓，固化距離16cm，室溫20 28°C，相對濕度為45% 75 %，得到PVP/ [Ba (NO3) 2+Y (NO3) 3+Tb (NO3) 3]復(fù)合纖維；將所述的PVP/[Ba(NO3)2+Y(NO3) 3+Tb (NO3)3]復(fù)合纖維放到程序控溫爐中進行熱處理，升溫速率為I °C /min，在700°C恒溫8h，再以1°C /min的速率降溫至200°C，之后隨爐體自然冷卻至室溫，得到混合氧化物納米纖維；氟化試劑使用氟化氫銨NH4HF2,采用雙坩堝法，將氟化氫銨放入小坩堝中，上面覆蓋碳棒，將所述的混合氧化物納米纖維放在碳棒上面，將小坩堝放入較大的坩堝中，在內(nèi)外坩堝間加適量的氟化氫銨，在外坩堝上加上坩堝蓋子放入管式爐中，以2°C /min的升溫速率升溫至280°C保溫2h，再升溫到700°C保溫4h，最后以1°C /min的降溫速率降溫至200°C，之后隨爐體自然冷卻至室溫，得到BaY2F8:5% Tb3+綠色發(fā)光納米纖維。所述的BaY2F8:5% Tb3+綠色發(fā)光納米纖維，具有良好的結(jié)晶性，其衍射峰的d值和相對強度與BaY2F8的PDF標準卡片(45-0246)所列的d值和相對強度一致，屬于單斜晶系，見圖I所示。所述的BaY2F8:5% Tb3+綠色發(fā)光納米纖維的直徑均勻，呈纖維狀，長度大于50 μ m，見圖2所示。用Shapiro-Wilk方法對BaY2F8:5% Tb3+綠色發(fā)光納米纖維的直徑進行正態(tài)分布檢驗，在95%的置信度下，BaY2F8:5% Tb3+綠色發(fā)光納米纖維的直徑分布屬于正態(tài)分布，直徑為113. 9±8. 7nm，見圖3所示。當(dāng)監(jiān)測波長為543nm時，BaY2F8:5% Tb3+納米纖維的最強激發(fā)峰位于369nm處，對應(yīng)于Tb3+的7F6 — 5D3躍遷，見圖4所示。在369nm的紫外光激發(fā)下，BaY2F8:5 % Tb3+納米纖維發(fā)射出主峰位于543nm的明亮綠光，對應(yīng)于Tb3+離子的5D4 — 7F5躍遷,如圖5所示。當(dāng)然，本發(fā)明還可有其他多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明做出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變
形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.摻鋱八氟釔鋇綠色發(fā)光納米纖維的制備方法，其特征在于，采用靜電紡絲技術(shù)與氟化技術(shù)相結(jié)合的方法，使用聚乙烯吡咯烷酮PVP為高分子模板劑，采用N，N-二甲基甲酰胺DMF為溶劑，氟化試劑使用氟化氫銨NH4HF2,制備產(chǎn)物為鋱離子摻雜八氟釔鋇BaY2F8:5%Tb3+綠色發(fā)光納米纖維，其步驟為 (1)配制紡絲液 鋇源使用的是硝酸鋇Ba (NO3)2,釔源和鋱源使用的是氧化釔Y2O3和氧化鋱Tb4O7,高分子模板劑采用聚乙烯吡咯烷酮PVP，采用N，N-二甲基甲酰胺DMF為溶劑，稱取一定量的硝酸鋇Ba(NO3)2、氧化釔Y2O3和氧化鋱Tb4O7，其中Ba2+，Y3+和Tb3+的摩爾比為50 : 95 : 5，即鋱離子的摩爾百分數(shù)為5%，將氧化釔Y2O3和氧化鋱Tb4O7用硝酸HNO3溶解后蒸發(fā)，得到Y(jié)(NO3) 3和Tb (NO3) 3混合晶體，加入硝酸鋇Ba (NO3) 2、N, N- 二甲基甲酰胺DMF溶劑和聚乙烯吡咯烷酮PVP，于室溫下磁力攪拌4h，并靜置2h，形成紡絲液，該紡絲液各組成部分的質(zhì)量百分數(shù)為硝酸鹽含量9%，PVP含量12%，溶劑DMF含量79% ；(2)制備PVP/ [Ba (NO3) 2+Y (NO3) 3+Tb (NO3) 3]復(fù)合纖維 將配制好的紡絲液加入紡絲裝置的儲液管中，進行靜電紡絲，噴頭內(nèi)徑O. 7mm，調(diào)整噴頭與水平面的夾角為15°，施加15kV的直流電壓，固化距離16cm，室溫20 28°C，相對濕度為 45 % 75 %，得到 PVP/ [Ba (NO3) 2+Y (NO3) 3+Tb (NO3) 3]復(fù)合纖維； (3)制備混合氧化物納米纖維 將所述的PVP/ [Ba (NO3) 2+Y (NO3) 3+Tb (NO3) 3]復(fù)合纖維放到程序控溫爐中進行熱處理，升溫速率為1°C /min，在700°C恒溫8h，再以1°C /min的速率降溫至200°C，之后隨爐體自然冷卻至室溫，得到混合氧化物納米纖維； (4)制備BaY2F8:5%Tb3+綠色發(fā)光納米纖維 氟化試劑使用氟化氫銨NH4HF2,采用雙坩堝法,將氟化氫銨放入小坩堝中，上面覆蓋碳棒，將所述的混合氧化物納米纖維放在碳棒上面，將小坩堝放入較大的坩堝中，在內(nèi)外坩堝間加適量的氟化氫銨，在外坩堝上加上坩堝蓋子放入管式爐中，以2°C /min的升溫速率升溫至280°C保溫2h，再升溫到700°C保溫4h，最后以1°C /min的降溫速率降溫至200°C，之后隨爐體自然冷卻至室溫，得到BaY2F8:5% Tb3+綠色發(fā)光納米纖維，直徑為113. 9±8. 7nm,長度大于50 μ m。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摻鋱八氟釔鋇綠色發(fā)光納米纖維的制備方法，其特征在于，高分子模板劑為分子量Mr = 90000的聚乙烯吡咯烷酮。
全文摘要
本發(fā)明涉及摻鋱八氟釔鋇綠色發(fā)光納米纖維的制備方法，屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括四個步驟(1)配制紡絲液；(2)采用靜電紡絲技術(shù)制備PVP/[Ba(NO3)2+Y(NO3)3+Tb(NO3)3]復(fù)合纖維；(3)制備混合氧化物納米纖維。將所述的復(fù)合纖維進行熱處理，得到混合氧化物納米纖維；(4)制備BaY2F8:5％Tb3+綠色發(fā)光納米纖維。采用雙坩堝法，用氟化氫銨將混合氧化物納米纖維進行氟化處理，得到BaY2F8:5％Tb3+綠色發(fā)光納米纖維，具有良好的結(jié)晶性，直徑為113.9±8.7nm，長度大于50μm。本發(fā)明的制備方法簡單易行，可以批量生產(chǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號D01D5/00GK102817113SQ20121028328
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月10日
發(fā)明者于文生, 董相廷, 李丹, 楊國春, 王進賢, 劉桂霞, 浦利 申請人:長春理工大學(xué)