郭慶陽

(山西工程科技職業(yè)大學,山西 太原 030000)

0 引言

隨著社會進步和科學技術的發(fā)展,人們對于建筑環(huán)境的要求也逐漸提升。傳統(tǒng)的照明材料在滿足建筑需求的同時,也存在著能耗高、對環(huán)境產(chǎn)生負面影響等問題。因此,尋找更加環(huán)保、節(jié)能且具備更廣泛應用前景的照明材料成為當前研究的熱點之一。

建筑運行階段能耗占全國能源消費總量的比重為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。近年來,記錄到了更多的破紀錄的高溫天數(shù)。特別是在大都市地區(qū),相比農(nóng)村環(huán)境,可以觀察到明顯的溫度升高,這就是所謂的“城市熱島”(UHI)效應[2]。研究表明,更高的空氣和地表溫度會加劇熱浪,從而增加人們因高溫引發(fā)的疾病和死亡的風險。為了解決這個問題,研究者已經(jīng)開始研究具有自適應特性的新型“冷材料”,以實現(xiàn)兩個目標:一是降低建筑能耗;二是提供更好的居住舒適性[3]。自發(fā)光材料作為一種潛在的節(jié)能解決方案,受到了廣泛的關注。這些材料的功能強度依賴于它們對局部輻射條件的自適應調(diào)節(jié)能力。自發(fā)光是材料在受到激發(fā)源影響時直接吸收能量并發(fā)出光的過程,這個過程可以持續(xù)幾納秒甚至幾小時。自發(fā)光材料的應用領域廣泛,包括照明、節(jié)能和被動冷卻。其中,照明應用主要關注自發(fā)光現(xiàn)象中自我維持和可再生光發(fā)射的特性。而在節(jié)能和被動冷卻應用中,自發(fā)光材料的優(yōu)勢在于其通過儲存、發(fā)射和反射太陽輻射的能力[4]。

在中國,自發(fā)光材料在建筑環(huán)境中的應用研究相對有限,主要集中在路線標識以及室內(nèi)外裝飾等領域,通過文獻檢索顯示,國內(nèi)對于自發(fā)光材料在公路路面和交通標線等場景的研究較為深入[5-7],但在建筑照明、節(jié)能和被動冷卻等方面的研究尚顯不足。在城市環(huán)境中的室內(nèi)照明方面,通過實驗和數(shù)值模擬分析,并將其應用于實際建筑案例,半透明自發(fā)光圍護結構相比僅半透明圍護結構所能達到的節(jié)能效果,由自發(fā)光材料發(fā)光激活作用,照明電力消耗減少了5%[8]。在基于自發(fā)光的被動冷卻策略的潛力方面,最早通過研究熒光紅寶石晶體發(fā)現(xiàn),相比非熒光參考樣品,熒光樣品的表面溫度降低了6.5 ℃[9];磷光涂料能夠保持比普通混凝土和冷混凝土更低的溫度(分別降低17.8 ℃和13.3 ℃)[10]。另外,在一天中最熱的幾個小時內(nèi),含有自發(fā)光顆粒的路面比傳統(tǒng)路面低3.3 ℃,同時還能延遲溫度峰值的出現(xiàn)[11],這是因為自發(fā)光材料的總反射率提供了額外的貢獻。

光致發(fā)光材料的關鍵問題通常與發(fā)射強度、余輝以及顏色調(diào)節(jié)性有關。例如,光致發(fā)光材料可能不夠亮,無法充分照亮某些城市區(qū)域,同時它們也需要能夠?qū)Ρ粍永鋮s作出顯著貢獻,盡管這一點可能會影響它們的發(fā)光性能。雖然已經(jīng)有一些優(yōu)秀的解決方案在各個應用領域得到了實施,但仍需要在理論層面對光致發(fā)光材料的輻射特性進行更深入的研究,以進一步優(yōu)化其在實際應用中的性能。

1 自發(fā)光材料概述

1.1 自發(fā)光材料的分類和發(fā)光機理

自發(fā)光材料是一種具有獨特發(fā)光性能的材料,這些材料的優(yōu)勢在于,它們能夠根據(jù)局部邊界輻射條件,自適應地調(diào)整自身的光學特性。光致發(fā)光是一種現(xiàn)象,當材料在適中的溫度下暴露于激發(fā)源,會吸收能量,這個吸收過程的直接結果就是光致發(fā)光,主要包括從幾納秒甚至延續(xù)到幾小時的光子發(fā)射過程。當光子發(fā)射在刺激結束后的短時間內(nèi)發(fā)生,這個過程涉及到一個被允許的自旋電子躍遷,該現(xiàn)象被稱為“熒光”。相反,如果輻射衰變發(fā)生在更長的余輝期,這涉及到自旋禁阻輻射躍遷,并被稱為“磷光”[12],自發(fā)光材料技術較為成熟,已廣泛應用于建筑裝飾、弱光照明、信息顯示、應急指示等方面,同時逐步擴展到光電元件、生物檢測、光學成像、能源與環(huán)境工程等應用領域。目前對金屬硫化物、鋁酸鹽和硅酸鹽三種自發(fā)光材料體系的研究最為成熟與集中,各類自發(fā)光材料特性對比如表1所示。

表1 各類自發(fā)光材料元素組成和特點

1.1.1 硫化物長余輝發(fā)光材料

硫化物長余輝材料的歷史足跡可以在古代文獻中找到。在古中國的文獻中,如“夜明”“夜光畫”和“夜光壁”的記載中,提及了這種奇特的光輝。據(jù)記載,這種稱為“夜明珠”的物體實際上是由螢石構成的長余輝材料[13]。在文字記載的歷史中,我們可以找到關于長余輝現(xiàn)象的更明確的描述。例如,1602年,意大利鞋匠Vincenzo Casciarolo在一種特殊的石頭,后來被稱為“博洛尼亞石(Bologna Ston)中,觀察到了強烈的長余輝[14]。這塊石頭的主要成分是重晶石,但今日的研究指出,其發(fā)光特性并非來自重晶石本身,而是由于其中混雜的硫化鋇,并可能含有微量銅元素。20世紀,雖然長余輝發(fā)光的深層原因尚未完全揭示,但人們已經(jīng)開始嘗試將其用于實際應用,如基于不同硫化物的發(fā)光油漆,這些油漆通常使用鋅硫化物,然后摻雜銅或鈷來調(diào)整其光譜特性。幾十年來,銅摻雜的硫化鋅一直是最廣泛使用的長余輝熒光粉,然而,就實際用途而言,其亮度和壽命相當?shù)?余輝時間短,生產(chǎn)過程中易污染環(huán)境,如今,ZnS:Cu的使用已經(jīng)減少。

1.1.2 鋁酸鹽基長余輝發(fā)光材料

Matsuzawa等在1996年通過對SrAl2O4:Eu2+磷光體(一種綠光余輝材料)進行Dy3+共摻雜,創(chuàng)造了一種新材料,該材料在紫外線激發(fā)源被移除后仍能發(fā)光數(shù)小時,這一發(fā)現(xiàn)標志著對不同且更持久的無機發(fā)光材料的研究的開始。MAl2O4家族的堿土鋁酸鹽(M=Ca,Sr,Ba)是研究最多的具有持久發(fā)光的材料。目前,應用最多的持久性鋁酸鹽是Sr4Al14O25:Eu2+,Dy3+,可在N2保護氣中通過燃燒獲得,其藍光發(fā)射波長約490 nm,發(fā)光時間超過20 h[15]。鋁酸鹽體系長余輝材料雖然有著化學穩(wěn)定性好、余輝時間長等優(yōu)點,但是堿土鋁酸鹽基質(zhì)的缺點是其發(fā)光顏色單調(diào),集中在450 nm～520 nm的藍綠色,遇水易潮解,耐水性較差,耐酸堿性不強[16-17],還有合成溫度高、成本較高等不足,因此其應用范圍受到諸多限制。

1.1.3 硅酸鹽基長余輝發(fā)光材料

在2001年,Lin等[18]首次在Sr2MgSi2O7:Eu2+,Dy3+中觀察到了持久的發(fā)光特性,也是至今研究最為廣泛且被公認的具有長余輝的硅酸鹽材料。制備這些硅酸鹽的傳統(tǒng)方法與制備鋁酸鹽相似,主要是在1 200 ℃～1 400 ℃的高溫下進行固態(tài)反應,可通過溶膠-凝膠法、共沉淀法和燃燒法等其他制備方法。當這些硅酸鹽與稀土元素(如RE3+)共摻雜時,其持久發(fā)光性能得到了進一步的增強。相較于其他光致發(fā)光材料,BaSi2O5:Eu2+,Nd3+展現(xiàn)了更為卓越的光儲特性,在經(jīng)過一系列優(yōu)化后,BaSi2O5:0.020Eu2+,0.015Nd3+的光激發(fā)特性被認為是最佳的。硅酸鹽的種類繁多,包括焦硅酸鹽和偏硅酸鹽。以Eu2+為活化劑的硅酸鹽長余輝材料的發(fā)光顏色大多為綠色和藍色,硅酸鹽基發(fā)光材料不僅具備出色的化學和熱穩(wěn)定性,而且由于高純度的二氧化硅原料容易獲得且制備溫度低,因此它們被視為非常有潛力的長余輝材料。

1.2 自發(fā)光材料在建筑環(huán)境中的應用

自發(fā)光材料通常沒有黏結性,在建筑環(huán)境中無法直接使用。科研人員和工程師們已經(jīng)開發(fā)了許多方法,其中最常見的方法是將自發(fā)光材料與某些黏合劑或基底材料混合。目前最常用的方法是將自發(fā)光材料與涂料、樹脂和水泥等結合,既發(fā)揮了自發(fā)光材料的性能,又保留了材料本身的性能。

常見的光致發(fā)光材料如圖1所示。

1.2.1 涂料型自發(fā)光材料

自發(fā)光涂料在建筑中的應用主要有以下幾個方面:安全標識、景觀照明、戶外指示、立體車庫和隧道、室內(nèi)外裝飾、泳池和水特征面等,自發(fā)光涂料在各類自發(fā)光材料中的應用是最多的,不僅可以提供安全、方便的導航,還可以增強建筑的美觀和趣味性,同時具有節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)點。此類涂料由長余輝材料、成膜劑、填料和其他助劑混合而成。

黃韋星等[19]以有機硅-硅溶膠改性丙烯酸樹脂為成膜物質(zhì),加入SrAl2O4:Eu2+,Dy3+長余輝發(fā)光粉及其他助劑,研制出超長余輝稀土發(fā)光涂料成膜性較好,余輝時間可達12 h以上,并且隨著發(fā)光粉的摻入量越大,初始亮度越高,衰減越慢,余輝時間也越長。徐建暉等[20]采用透明反應型高分子材料與自發(fā)光材料復合制備的自發(fā)光涂料路用性能良好,具有一定的發(fā)光性能,適用于道路景觀及警示鋪裝。屈雙雙等[21]用稀土鋁酸鹽或稀土硅酸鹽與中華麥飯石(CMS)進行納米技術改性,形成具有增光增亮、延時發(fā)光功能的材料,可以明顯改善隧道進出口的光環(huán)境條件,減輕“黑洞”“白洞”效應,自潔性能和抗菌防霉性能良好。Lei等[22]研發(fā)了一種涂覆二氧化硅-聚合物混合殼的Eu2+,Dy3+持久性熒光粉,顯著改善了涂料的耐濕性和有機相容性。張騫等[23]用水性漆涂料和蓄光型夜光粉熱熔調(diào)配成自發(fā)光涂料,施工時直接噴涂在已完成的物體上,優(yōu)點是施工方便,可根據(jù)要求繪制各種圖案,造價相對便宜,但是容易發(fā)生磨損現(xiàn)象。Santamouris等[24]通過論證分析認為自發(fā)光涂料通過反射和吸收太陽輻射的光能,在緩解“城市熱島”現(xiàn)象方面具有可研究的價值。Federica等通過將底漆、硬化劑、發(fā)光涂料混合制作成涂料,涂抹于建筑物表面,發(fā)現(xiàn)其能夠在炎熱季節(jié)保持較低的建筑表面溫度,從而有利于提高建筑舒適性和有助于戶外公共空間的照明等作用。

現(xiàn)在,自發(fā)光涂料作為一種高效、節(jié)能的環(huán)保材料得到了廣泛的應用。盡管如此,當前的涂料仍存在一些挑戰(zhàn),如耐用性和顏色選擇有限。為了滿足綠色環(huán)保政策的需求,涂料研發(fā)的方向正在從溶劑型轉(zhuǎn)向環(huán)保型。今后的研究重點將是提高長光輝材料的發(fā)光強度,延長其余輝時間,并研制多種顏色的環(huán)保自發(fā)光涂料。

1.2.2 長余輝發(fā)光顆粒

樹脂基發(fā)光粒子主要使用有機樹脂作為黏結劑,并混合長時余輝特性的材料與特定比例的添加劑進行制備。長時間余輝添加劑包括:融合蓄光性質(zhì)的發(fā)光物質(zhì)、不飽和聚合物樹脂、填充劑及其他助劑,以形成發(fā)光樹脂粒子;發(fā)光粉與清透漆料的組合涂在各種粒徑的碎玻璃上,形成發(fā)光玻璃粒子;結合砂石、發(fā)光粉和黏合劑混合后燒制得到的發(fā)光砂石粒子。與夜光漆相比,這些固態(tài)發(fā)光材料在路面使用時更為耐磨,其壽命更長。特別要提的是發(fā)光碎石,因其制作工藝穩(wěn)定、價格合理、持久性佳,且具有高度的景觀塑形性。有研究者將發(fā)光成分融入透明的再生玻璃添加物中,用于生產(chǎn)裝飾性建筑漿料。這種漿料的壓縮和抗彎性均能滿足大部分建筑需求,其在收縮和堿-硅反應方面的性能優(yōu)異,且在暗處可以維持明亮的光輝長達8 h。

樹脂基發(fā)光顆粒主要使用有機樹脂作為黏結劑,并混合長余輝特性的材料與特定比例的添加劑進行制備。長余輝骨料有以下幾種:通過將蓄光性的發(fā)光物質(zhì)、不飽和聚酸型樹脂、填充物及其他助劑組分按特定的配比進行混合,得到了發(fā)光樹脂顆粒;發(fā)光粉與透明膠漆的混合物涂覆在不同粒徑碎玻璃表面制成發(fā)光玻璃顆粒;將砂礫與發(fā)光粉、黏結材料混合燒制而成的發(fā)光砂礫。當把固態(tài)發(fā)光顆粒材料嵌入路面時,其耐磨性優(yōu)于夜光漆,壽命更長,其中,發(fā)光礫石尤為出色,不僅其制作技術已經(jīng)完善,而且價格合適,具有很好的持久性,并且在景觀設計上具有很大的靈活性。肖雨佳[25]及其團隊研究了將發(fā)光材料與透明的再生玻璃骨料結合,用于制造建筑裝飾用的砂漿。這種砂漿不僅在抗壓和抗彎強度上能夠滿足大部分建筑要求,而且在縮水率和對抗堿-二氧化硅反應的性能上也表現(xiàn)出色。更為引人注目的是,這種砂漿能夠在昏暗環(huán)境中保持亮度高達8 h。Kousis等將玻璃砂礫和環(huán)氧基釉料與藍色和黃色自發(fā)光粉混合制成自發(fā)光顆粒,所用自發(fā)光組分均基于具有鏑和銪摻雜劑的鋁酸鍶(黃色化學式為SrAl2O4:Eu2+,Dy3+,藍色化學式為Sr4Al14O25:Eu2+,Dy3+,B3+),將釉料和玻璃顆粒撒布在排水混凝土的外表面上,在炎熱夏季,與常規(guī)混凝土表面相比,溫度下降高達3.3 ℃,可見加入額外的磷光組分有望增強冷卻效果,緩解城市熱島效應。Chiatti等[26]使用透明環(huán)氧樹脂和聚甲基丙烯酸甲酯作為基質(zhì),加入了磷光和熒光成分,從而制作出自發(fā)光的樹脂材料。當這種材料被應用于建筑場景中時,可通過從磷光材料到熒光材料的能量傳遞,成功地減少了建筑環(huán)境的照明和被動冷卻的能耗。

盡管長余輝發(fā)光顆粒在多個性能指標上展現(xiàn)出了其優(yōu)越性,但目前這一領域的研究還處于初級階段,多數(shù)研究主要集中在室內(nèi)實驗。其推廣應用的局限性主要來源于兩方面:一是樹脂基自發(fā)光材料的高成本;二是相關的工藝規(guī)范和施工技術尚在完善中。

1.2.3 長余輝水泥基材料

長余輝水泥基材料運用到建筑環(huán)境中相對較少,目前的研究方向主要是自發(fā)光水泥路面,但是根據(jù)自發(fā)光水泥的特點也可將其運用到建筑上。

高英力等[27]研發(fā)的新型超疏水自發(fā)光水泥基功能材料中,最佳的材料搭配是30%的熒光粉、5%的反光粉和0.44的水膠質(zhì)量比,該超疏水涂層對試件的力學與發(fā)光特性均未產(chǎn)生不良影響。陳永飛等[28]將反光粉與發(fā)光砂混入水泥構件中,對其力學性能進行了深入研究,研究表明,當發(fā)光砂的比例達到8%時,這種特殊水泥材料的力學表現(xiàn)達到最佳,隨著發(fā)光粉的比例增加,這種水泥的結構力學性能減弱。支帆等[29]通過對聚合物自發(fā)光混凝土性能進行研究發(fā)現(xiàn),隨著發(fā)光粉比例的上升,混凝土的抗壓能力逐漸降低,而抗彎折能力增強,初始余暉亮度也有所提升。楊先龍等[30]對堿式硫酸鎂自發(fā)光混凝土的光輝特性進行了深入研究發(fā)現(xiàn),當水硫質(zhì)量比達到1∶15,同時減水劑的質(zhì)量分數(shù)為0.76%時,混凝土的發(fā)光性能達到最佳,發(fā)光材料的加入量與發(fā)光強度正相關,而13%的加入量表現(xiàn)最佳。Muhammad等[31]研制了采用SiO2進行包裹的SrAl2O4:Eu2+,Dy3+自發(fā)光水泥砂漿,通過進一步研究了自發(fā)光材料對水泥砂漿特性的作用,并發(fā)現(xiàn)自發(fā)光材料有助于加速水泥的水化過程,提高了其抗壓性能,并顯示出出色的抗水解穩(wěn)定性。

總體來說,自發(fā)光水泥基材料具有夜間發(fā)光功能,并且力學強度沒有明顯降低,可將其用于建筑立面裝飾材料、地下車庫道路、夜間路面引導等。然而,該領域的研究還存在一些未解決的挑戰(zhàn),例如水泥的透光性、強度、耐久性以及表面清潔等問題。

2 自發(fā)光材料在建筑環(huán)境中的應用前景分析

自發(fā)光材料作為一種具有特殊發(fā)光性能的材料,目前已經(jīng)在很多建筑場景得到了應用。首先,自發(fā)光材料具有環(huán)保節(jié)能的特性,與傳統(tǒng)照明設備相比,自發(fā)光材料不需要外部電源,通過吸收和儲存光能,可以在夜間或黑暗環(huán)境下自發(fā)產(chǎn)生光線。這種獨立的發(fā)光特性不僅減輕了能源消耗,也降低了環(huán)境污染。

在建筑環(huán)境中,自發(fā)光材料可以作為照明裝飾材料廣泛應用于墻面、地板、天花板等部位,為建筑物提供持久而低能耗的照明效果。其次,自發(fā)光材料在建筑環(huán)境中的應用也能為創(chuàng)新美觀設計提供新的可能性。由于自發(fā)光材料可以釋放出柔和而均勻的光線,因此可以借助于自發(fā)光材料的特性進行建筑物的獨特設計。例如,在室外建筑環(huán)境中,利用自發(fā)光材料作為裝飾元素,可以創(chuàng)造出奇幻的夜景效果,為城市增添動態(tài)的光影景觀。在室內(nèi)建筑環(huán)境中,自發(fā)光材料的應用可以為空間營造出舒適而溫馨的氛圍,增添空間的藝術感和美感。同時,自發(fā)光材料還可以與建筑的結構進行有機地結合,形成獨特的空間形式,展現(xiàn)出建筑藝術的無窮魅力。

3 結論和展望

隨著人們對節(jié)能越來越關注,長余輝材料作為一種白天儲存光能、夜晚持續(xù)發(fā)光的環(huán)保節(jié)能型材料,為解決能耗問題提供了一種解決方案。在城市環(huán)境中使用這些材料,可以減少電力消耗和溫室氣體排放。在被動冷卻應用中,自發(fā)光材料還可以減少建筑和城市環(huán)境中的熱島效應,這是通過利用這些材料的光學特性來實現(xiàn)的,它們能夠吸收并重新發(fā)射太陽輻射,從而減少被吸收的熱量并降低周圍環(huán)境的溫度。這也有助于降低建筑物內(nèi)的溫度,從而減少空調(diào)或制冷系統(tǒng)的使用,并進一步減少能源消耗。

然而,這種新型的冷材料雖然具有顯著的潛力,但仍需要進行更多的研究和測試,以確定其在實際環(huán)境中的表現(xiàn)和效果。比如說,關于這些材料的長期穩(wěn)定性、耐久性,以及可能的環(huán)境影響都需要深入探討。此外,由于這些材料可能需要特殊的生產(chǎn)過程和設備,因此還需要考慮其生產(chǎn)和實施的經(jīng)濟性與可行性?？偟膩碚f,光致發(fā)光材料可能會為解決我們當前面臨的環(huán)境和能源問題提供一種新的、創(chuàng)新的解決方案。通過進一步的研究和開發(fā),可能會看到更多的自發(fā)光材料在城市環(huán)境和建筑中的廣泛應用。