自发光材料在建筑环境中的应用前景分析★

郭庆阳

(山西工程科技职业大学,山西 太原 030000)

0 引言

随着社会进步和科学技术的发展,人们对于建筑环境的要求也逐渐提升。传统的照明材料在满足建筑需求的同时,也存在着能耗高、对环境产生负面影响等问题。因此,寻找更加环保、节能且具备更广泛应用前景的照明材料成为当前研究的热点之一。

建筑运行阶段能耗占全国能源消费总量的比重为21.3%[1],夏季制冷、冬季供暖以及照明是主要的能源需求因素。近年来,记录到了更多的破纪录的高温天数。特别是在大都市地区,相比农村环境,可以观察到明显的温度升高,这就是所谓的“城市热岛”(UHI)效应[2]。研究表明,更高的空气和地表温度会加剧热浪,从而增加人们因高温引发的疾病和死亡的风险。为了解决这个问题,研究者已经开始研究具有自适应特性的新型“冷材料”,以实现两个目标:一是降低建筑能耗;二是提供更好的居住舒适性[3]。自发光材料作为一种潜在的节能解决方案,受到了广泛的关注。这些材料的功能强度依赖于它们对局部辐射条件的自适应调节能力。自发光是材料在受到激发源影响时直接吸收能量并发出光的过程,这个过程可以持续几纳秒甚至几小时。自发光材料的应用领域广泛,包括照明、节能和被动冷却。其中,照明应用主要关注自发光现象中自我维持和可再生光发射的特性。而在节能和被动冷却应用中,自发光材料的优势在于其通过储存、发射和反射太阳辐射的能力[4]。

在中国,自发光材料在建筑环境中的应用研究相对有限,主要集中在路线标识以及室内外装饰等领域,通过文献检索显示,国内对于自发光材料在公路路面和交通标线等场景的研究较为深入[5-7],但在建筑照明、节能和被动冷却等方面的研究尚显不足。在城市环境中的室内照明方面,通过实验和数值模拟分析,并将其应用于实际建筑案例,半透明自发光围护结构相比仅半透明围护结构所能达到的节能效果,由自发光材料发光激活作用,照明电力消耗减少了5%[8]。在基于自发光的被动冷却策略的潜力方面,最早通过研究荧光红宝石晶体发现,相比非荧光参考样品,荧光样品的表面温度降低了6.5 ℃[9];磷光涂料能够保持比普通混凝土和冷混凝土更低的温度(分别降低17.8 ℃和13.3 ℃)[10]。另外,在一天中最热的几个小时内,含有自发光颗粒的路面比传统路面低3.3 ℃,同时还能延迟温度峰值的出现[11],这是因为自发光材料的总反射率提供了额外的贡献。

光致发光材料的关键问题通常与发射强度、余辉以及颜色调节性有关。例如,光致发光材料可能不够亮,无法充分照亮某些城市区域,同时它们也需要能够对被动冷却作出显著贡献,尽管这一点可能会影响它们的发光性能。虽然已经有一些优秀的解决方案在各个应用领域得到了实施,但仍需要在理论层面对光致发光材料的辐射特性进行更深入的研究,以进一步优化其在实际应用中的性能。

1 自发光材料概述

1.1 自发光材料的分类和发光机理

自发光材料是一种具有独特发光性能的材料,这些材料的优势在于,它们能够根据局部边界辐射条件,自适应地调整自身的光学特性。光致发光是一种现象,当材料在适中的温度下暴露于激发源,会吸收能量,这个吸收过程的直接结果就是光致发光,主要包括从几纳秒甚至延续到几小时的光子发射过程。当光子发射在刺激结束后的短时间内发生,这个过程涉及到一个被允许的自旋电子跃迁,该现象被称为“荧光”。相反,如果辐射衰变发生在更长的余辉期,这涉及到自旋禁阻辐射跃迁,并被称为“磷光”[12],自发光材料技术较为成熟,已广泛应用于建筑装饰、弱光照明、信息显示、应急指示等方面,同时逐步扩展到光电元件、生物检测、光学成像、能源与环境工程等应用领域。目前对金属硫化物、铝酸盐和硅酸盐三种自发光材料体系的研究最为成熟与集中,各类自发光材料特性对比如表1所示。

表1 各类自发光材料元素组成和特点

1.1.1 硫化物长余辉发光材料

硫化物长余辉材料的历史足迹可以在古代文献中找到。在古中国的文献中,如“夜明”“夜光画”和“夜光壁”的记载中,提及了这种奇特的光辉。据记载,这种称为“夜明珠”的物体实际上是由萤石构成的长余辉材料[13]。在文字记载的历史中,我们可以找到关于长余辉现象的更明确的描述。例如,1602年,意大利鞋匠Vincenzo Casciarolo在一种特殊的石头,后来被称为“博洛尼亚石(Bologna Ston)中,观察到了强烈的长余辉[14]。这块石头的主要成分是重晶石,但今日的研究指出,其发光特性并非来自重晶石本身,而是由于其中混杂的硫化钡,并可能含有微量铜元素。20世纪,虽然长余辉发光的深层原因尚未完全揭示,但人们已经开始尝试将其用于实际应用,如基于不同硫化物的发光油漆,这些油漆通常使用锌硫化物,然后掺杂铜或钴来调整其光谱特性。几十年来,铜掺杂的硫化锌一直是最广泛使用的长余辉荧光粉,然而,就实际用途而言,其亮度和寿命相当低,余辉时间短,生产过程中易污染环境,如今,ZnS:Cu的使用已经减少。

1.1.2 铝酸盐基长余辉发光材料

Matsuzawa等在1996年通过对SrAl2O4:Eu2+磷光体(一种绿光余辉材料)进行Dy3+共掺杂,创造了一种新材料,该材料在紫外线激发源被移除后仍能发光数小时,这一发现标志着对不同且更持久的无机发光材料的研究的开始。MAl2O4家族的碱土铝酸盐(M=Ca,Sr,Ba)是研究最多的具有持久发光的材料。目前,应用最多的持久性铝酸盐是Sr4Al14O25:Eu2+,Dy3+,可在N2保护气中通过燃烧获得,其蓝光发射波长约490 nm,发光时间超过20 h[15]。铝酸盐体系长余辉材料虽然有着化学稳定性好、余辉时间长等优点,但是碱土铝酸盐基质的缺点是其发光颜色单调,集中在450 nm～520 nm的蓝绿色,遇水易潮解,耐水性较差,耐酸碱性不强[16-17],还有合成温度高、成本较高等不足,因此其应用范围受到诸多限制。

1.1.3 硅酸盐基长余辉发光材料

在2001年,Lin等[18]首次在Sr2MgSi2O7:Eu2+,Dy3+中观察到了持久的发光特性,也是至今研究最为广泛且被公认的具有长余辉的硅酸盐材料。制备这些硅酸盐的传统方法与制备铝酸盐相似,主要是在1 200 ℃～1 400 ℃的高温下进行固态反应,可通过溶胶-凝胶法、共沉淀法和燃烧法等其他制备方法。当这些硅酸盐与稀土元素(如RE3+)共掺杂时,其持久发光性能得到了进一步的增强。相较于其他光致发光材料,BaSi2O5:Eu2+,Nd3+展现了更为卓越的光储特性,在经过一系列优化后,BaSi2O5:0.020Eu2+,0.015Nd3+的光激发特性被认为是最佳的。硅酸盐的种类繁多,包括焦硅酸盐和偏硅酸盐。以Eu2+为活化剂的硅酸盐长余辉材料的发光颜色大多为绿色和蓝色,硅酸盐基发光材料不仅具备出色的化学和热稳定性,而且由于高纯度的二氧化硅原料容易获得且制备温度低,因此它们被视为非常有潜力的长余辉材料。

1.2 自发光材料在建筑环境中的应用

自发光材料通常没有黏结性,在建筑环境中无法直接使用。科研人员和工程师们已经开发了许多方法,其中最常见的方法是将自发光材料与某些黏合剂或基底材料混合。目前最常用的方法是将自发光材料与涂料、树脂和水泥等结合,既发挥了自发光材料的性能,又保留了材料本身的性能。

常见的光致发光材料如图1所示。

1.2.1 涂料型自发光材料

自发光涂料在建筑中的应用主要有以下几个方面:安全标识、景观照明、户外指示、立体车库和隧道、室内外装饰、泳池和水特征面等,自发光涂料在各类自发光材料中的应用是最多的,不仅可以提供安全、方便的导航,还可以增强建筑的美观和趣味性,同时具有节能和环保的优点。此类涂料由长余辉材料、成膜剂、填料和其他助剂混合而成。

黄韦星等[19]以有机硅-硅溶胶改性丙烯酸树脂为成膜物质,加入SrAl2O4:Eu2+,Dy3+长余辉发光粉及其他助剂,研制出超长余辉稀土发光涂料成膜性较好,余辉时间可达12 h以上,并且随着发光粉的掺入量越大,初始亮度越高,衰减越慢,余辉时间也越长。徐建晖等[20]采用透明反应型高分子材料与自发光材料复合制备的自发光涂料路用性能良好,具有一定的发光性能,适用于道路景观及警示铺装。屈双双等[21]用稀土铝酸盐或稀土硅酸盐与中华麦饭石(CMS)进行纳米技术改性,形成具有增光增亮、延时发光功能的材料,可以明显改善隧道进出口的光环境条件,减轻“黑洞”“白洞”效应,自洁性能和抗菌防霉性能良好。Lei等[22]研发了一种涂覆二氧化硅-聚合物混合壳的Eu2+,Dy3+持久性荧光粉,显著改善了涂料的耐湿性和有机相容性。张骞等[23]用水性漆涂料和蓄光型夜光粉热熔调配成自发光涂料,施工时直接喷涂在已完成的物体上,优点是施工方便,可根据要求绘制各种图案,造价相对便宜,但是容易发生磨损现象。Santamouris等[24]通过论证分析认为自发光涂料通过反射和吸收太阳辐射的光能,在缓解“城市热岛”现象方面具有可研究的价值。Federica等通过将底漆、硬化剂、发光涂料混合制作成涂料,涂抹于建筑物表面,发现其能够在炎热季节保持较低的建筑表面温度,从而有利于提高建筑舒适性和有助于户外公共空间的照明等作用。

现在,自发光涂料作为一种高效、节能的环保材料得到了广泛的应用。尽管如此,当前的涂料仍存在一些挑战,如耐用性和颜色选择有限。为了满足绿色环保政策的需求,涂料研发的方向正在从溶剂型转向环保型。今后的研究重点将是提高长光辉材料的发光强度,延长其余辉时间,并研制多种颜色的环保自发光涂料。

1.2.2 长余辉发光颗粒

树脂基发光粒子主要使用有机树脂作为黏结剂,并混合长时余辉特性的材料与特定比例的添加剂进行制备。长时间余辉添加剂包括:融合蓄光性质的发光物质、不饱和聚合物树脂、填充剂及其他助剂,以形成发光树脂粒子;发光粉与清透漆料的组合涂在各种粒径的碎玻璃上,形成发光玻璃粒子;结合砂石、发光粉和黏合剂混合后烧制得到的发光砂石粒子。与夜光漆相比,这些固态发光材料在路面使用时更为耐磨,其寿命更长。特别要提的是发光碎石,因其制作工艺稳定、价格合理、持久性佳,且具有高度的景观塑形性。有研究者将发光成分融入透明的再生玻璃添加物中,用于生产装饰性建筑浆料。这种浆料的压缩和抗弯性均能满足大部分建筑需求,其在收缩和碱-硅反应方面的性能优异,且在暗处可以维持明亮的光辉长达8 h。

树脂基发光颗粒主要使用有机树脂作为黏结剂,并混合长余辉特性的材料与特定比例的添加剂进行制备。长余辉骨料有以下几种:通过将蓄光性的发光物质、不饱和聚酸型树脂、填充物及其他助剂组分按特定的配比进行混合,得到了发光树脂颗粒;发光粉与透明胶漆的混合物涂覆在不同粒径碎玻璃表面制成发光玻璃颗粒;将砂砾与发光粉、黏结材料混合烧制而成的发光砂砾。当把固态发光颗粒材料嵌入路面时,其耐磨性优于夜光漆,寿命更长,其中,发光砾石尤为出色,不仅其制作技术已经完善,而且价格合适,具有很好的持久性,并且在景观设计上具有很大的灵活性。肖雨佳[25]及其团队研究了将发光材料与透明的再生玻璃骨料结合,用于制造建筑装饰用的砂浆。这种砂浆不仅在抗压和抗弯强度上能够满足大部分建筑要求,而且在缩水率和对抗碱-二氧化硅反应的性能上也表现出色。更为引人注目的是,这种砂浆能够在昏暗环境中保持亮度高达8 h。Kousis等将玻璃砂砾和环氧基釉料与蓝色和黄色自发光粉混合制成自发光颗粒,所用自发光组分均基于具有镝和铕掺杂剂的铝酸锶(黄色化学式为SrAl2O4:Eu2+,Dy3+,蓝色化学式为Sr4Al14O25:Eu2+,Dy3+,B3+),将釉料和玻璃颗粒撒布在排水混凝土的外表面上,在炎热夏季,与常规混凝土表面相比,温度下降高达3.3 ℃,可见加入额外的磷光组分有望增强冷却效果,缓解城市热岛效应。Chiatti等[26]使用透明环氧树脂和聚甲基丙烯酸甲酯作为基质,加入了磷光和荧光成分,从而制作出自发光的树脂材料。当这种材料被应用于建筑场景中时,可通过从磷光材料到荧光材料的能量传递,成功地减少了建筑环境的照明和被动冷却的能耗。

尽管长余辉发光颗粒在多个性能指标上展现出了其优越性,但目前这一领域的研究还处于初级阶段,多数研究主要集中在室内实验。其推广应用的局限性主要来源于两方面:一是树脂基自发光材料的高成本;二是相关的工艺规范和施工技术尚在完善中。

1.2.3 长余辉水泥基材料

长余辉水泥基材料运用到建筑环境中相对较少,目前的研究方向主要是自发光水泥路面,但是根据自发光水泥的特点也可将其运用到建筑上。

高英力等[27]研发的新型超疏水自发光水泥基功能材料中,最佳的材料搭配是30%的荧光粉、5%的反光粉和0.44的水胶质量比,该超疏水涂层对试件的力学与发光特性均未产生不良影响。陈永飞等[28]将反光粉与发光砂混入水泥构件中,对其力学性能进行了深入研究,研究表明,当发光砂的比例达到8%时,这种特殊水泥材料的力学表现达到最佳,随着发光粉的比例增加,这种水泥的结构力学性能减弱。支帆等[29]通过对聚合物自发光混凝土性能进行研究发现,随着发光粉比例的上升,混凝土的抗压能力逐渐降低,而抗弯折能力增强,初始余晖亮度也有所提升。杨先龙等[30]对碱式硫酸镁自发光混凝土的光辉特性进行了深入研究发现,当水硫质量比达到1∶15,同时减水剂的质量分数为0.76%时,混凝土的发光性能达到最佳,发光材料的加入量与发光强度正相关,而13%的加入量表现最佳。Muhammad等[31]研制了采用SiO2进行包裹的SrAl2O4:Eu2+,Dy3+自发光水泥砂浆,通过进一步研究了自发光材料对水泥砂浆特性的作用,并发现自发光材料有助于加速水泥的水化过程,提高了其抗压性能,并显示出出色的抗水解稳定性。

总体来说,自发光水泥基材料具有夜间发光功能,并且力学强度没有明显降低,可将其用于建筑立面装饰材料、地下车库道路、夜间路面引导等。然而,该领域的研究还存在一些未解决的挑战,例如水泥的透光性、强度、耐久性以及表面清洁等问题。

2 自发光材料在建筑环境中的应用前景分析

自发光材料作为一种具有特殊发光性能的材料,目前已经在很多建筑场景得到了应用。首先,自发光材料具有环保节能的特性,与传统照明设备相比,自发光材料不需要外部电源,通过吸收和储存光能,可以在夜间或黑暗环境下自发产生光线。这种独立的发光特性不仅减轻了能源消耗,也降低了环境污染。

在建筑环境中,自发光材料可以作为照明装饰材料广泛应用于墙面、地板、天花板等部位,为建筑物提供持久而低能耗的照明效果。其次,自发光材料在建筑环境中的应用也能为创新美观设计提供新的可能性。由于自发光材料可以释放出柔和而均匀的光线,因此可以借助于自发光材料的特性进行建筑物的独特设计。例如,在室外建筑环境中,利用自发光材料作为装饰元素,可以创造出奇幻的夜景效果,为城市增添动态的光影景观。在室内建筑环境中,自发光材料的应用可以为空间营造出舒适而温馨的氛围,增添空间的艺术感和美感。同时,自发光材料还可以与建筑的结构进行有机地结合,形成独特的空间形式,展现出建筑艺术的无穷魅力。

3 结论和展望

随着人们对节能越来越关注,长余辉材料作为一种白天储存光能、夜晚持续发光的环保节能型材料,为解决能耗问题提供了一种解决方案。在城市环境中使用这些材料,可以减少电力消耗和温室气体排放。在被动冷却应用中,自发光材料还可以减少建筑和城市环境中的热岛效应,这是通过利用这些材料的光学特性来实现的,它们能够吸收并重新发射太阳辐射,从而减少被吸收的热量并降低周围环境的温度。这也有助于降低建筑物内的温度,从而减少空调或制冷系统的使用,并进一步减少能源消耗。

然而,这种新型的冷材料虽然具有显著的潜力,但仍需要进行更多的研究和测试,以确定其在实际环境中的表现和效果。比如说,关于这些材料的长期稳定性、耐久性,以及可能的环境影响都需要深入探讨。此外,由于这些材料可能需要特殊的生产过程和设备,因此还需要考虑其生产和实施的经济性与可行性。总的来说,光致发光材料可能会为解决我们当前面临的环境和能源问题提供一种新的、创新的解决方案。通过进一步的研究和开发,可能会看到更多的自发光材料在城市环境和建筑中的广泛应用。