專利名稱：紫外吸收熔凝石英及其對燈泡的用處的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紫外吸收熔凝石英及其對電燈的用處。更具體地說，本發(fā)明涉及用于吸收紫外線輻射、攙有氧化銪、二氧化鈦和氧化鈰的熔凝石英及其用作燈泡和燈罩供具有既發(fā)射紫外線又輻射可見光的光源的燈之用。
也象大家知道的，熔凝硅石，即熔凝石英因其優(yōu)良的可見光的透射及其經(jīng)受高達(dá)1100℃左右的高工作溫度的能力而被用作光透射、透明外殼材料供諸如氣體放電電燈和囟素白熾燈等高強(qiáng)度燈用。幾乎所有電弧放電燈和許多高強(qiáng)度白熾燈(例如鎢絲囟素?zé)?都發(fā)射紫外線(UV)輻射，它對人的眼睛和皮膚是有害的同時它也使織品、塑料和涂料褪色并使應(yīng)用于電燈固定裝置和鏡頭的多種塑料變黃和/或變濁。熔凝石英是UV輻射的優(yōu)良傳導(dǎo)物，所以對裝入熔凝石英制的燈泡內(nèi)部的電弧或白熾光源發(fā)射的這種輻射不形成屏蔽。結(jié)果，已被改進(jìn)的燈使發(fā)射UV和可見光輻射的光源，密封在熔凝石英做的透明燈泡內(nèi)部，該熔凝石英含有UV吸收材料(或把它們稱為攙雜物)從而使得燈泡本身會吸收由光源所發(fā)射的UV輻射。在美國專利2895839;3148300;3848152;4307315和4361779中揭示了過去的這種努力的說明性但不是限制性的例子。但是，仍然有必要使用作燈泡(包括在燈使用期間達(dá)到高于500℃溫度的燈泡)的透明材料，在最低限度吸收從380至750nm的可見光輻射的同時，還要吸收波長為200-380nm的UV輻射。這種材料還應(yīng)該是均質(zhì)、無色、玻璃狀材料，存在的任何摻雜劑應(yīng)是一種類型和按同一數(shù)量，并將摻雜燈泡和金屬囟化物與存在于電弧放電燈和囟素白熾燈內(nèi)的其他化學(xué)物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)減至最低程度或完全避免。在溫度超過500℃的條件下被使用材料的能力不應(yīng)被摻雜劑所削弱，否則該材料就是對高溫?zé)魺o用的材料。
現(xiàn)已證實(shí)，即使在溫度超過500℃的條件下，含有銷、鈦和鈰的氧化物的熔凝石英也有效地吸收UV輻射并透過可見光輻射。銷、鈦和鈰氧化物的組合提供的UV吸收性能優(yōu)于由(ⅰ)各材料自身的氧化物或(ⅱ)鈦和鈰氧化物的組合物所得到的UV吸收性。這材料對用于電弧放電燈和白熾燈的燈泡和燈罩是有用的。因此，在本發(fā)明一個實(shí)施例中，涉及一種包括UV發(fā)射光源的燈，該光源被封裝在吸收UV和透過可見光的熔凝石英泡內(nèi)即，被該泡所包圍，該燈泡含有銷、鈦和鈰的氧化物作為UV吸收挽雜劑。該UV輻射源可以是電弧放電(或者帶電極或者無電極)或白熾燈絲。所謂熔凝石英指的是透明、光透射材料，具有至少96Wt%(重量百分?jǐn)?shù))最好至少99wt.%的SiO2含量。


圖1表示未摻雜的熔凝石英和挽有(ⅰ)二氧化鈦和氧化鈰及(ⅱ)氧化銪、二氧化鈦和氧化鈰的熔凝石英的UV和可見光的透射光譜。
圖2表示用于帶罩金屬囟化物電弧燈的UV發(fā)射光譜，該電弧燈具有摻有(ⅰ)二氧化鈦和氧化鈰的熔凝石英電弧和(燈)罩室及(ⅱ)二氧化鈦和氧化鈰摻雜的電弧室和氧化銪，二氧化鈦和氧化鈰攙雜的燈罩。
圖3(a)和(b)概略地示出對實(shí)施本發(fā)明有用的電弧燈和帶罩式電弧燈。
如上所述，在本發(fā)明的上下文中，所謂“熔凝石英”指的是一種光透射的透明材料，它具有至少96wt%最好至少99wt%的SiO2含量，因此，如所定義的，該術(shù)語包括通過熔化天然石英砂和合成二氧化硅制成的硼硅酸耐熱玻璃和透明石英，例如通過用于制造光學(xué)玻璃壓制毛坯和光導(dǎo)纖維的火焰熱解法制成的耐熱玻璃和透明石英。攙有銪氧化物、鈦二氧化物和鈰氧化物UV吸收劑的熔凝石英是通過混合粉末狀適量的高純度天然石英砂和試劑等級銪氧化物(Eu2O3)、鈦二氧化物(TiO2)和鈰二氧化物(CeO2)用丙酮稀釋成漿狀制備的。用來制造未攙雜和攙雜熔凝石英的石英砂的典型不純度示于下列表格。
雜質(zhì) 攙雜濃度元素 (按重量的百萬分率)Al 14.6Ca 0.4Cu ＜0.05Fe 0.2K 0.5Li 0.5Mg ＜0.1Mn ＜0.03Na 0.6Ti 1.1Zr 0.5上述純度的未摻雜熔凝石英以可用于制造燈泡的管材形式可以俄亥俄洲克利夫藍(lán)市的GE燈具公司買到，稱為GE214熔凝石英。
在制造UV吸收熔凝石英的過程中，高純度天然石英砂Eu2O3，TiO2和CeO2的砂漿被研磨直至它達(dá)到均勻?yàn)橹?，最后所得到的干燥粉末?000℃的溫度在氫氣氛下被熔化兩小時以形成攙雜的熔凝石英。另一批料是由石英砂TiO2和CeO2制成。這樣做的熔凝石英包含下列以總的石英合成物重量的百萬分之幾(WPPm)表示的銪、鈦和鈰。雖然這些測量值反映存在的元素銪、鈦和鈰的數(shù)量，但在熔凝石英中，它們分別以銪氧化物、鈦二氧化物和鈰氧化物的形式存在。
批料銪鈦鈰的總量的總量的總量A5004000B5005004000批料A被用來制造燈泡和燈罩供圖3(a)和圖(3b)所示類型的金屬囟化物電弧放電燈用，批料B用作燈罩。
存在于熔凝石英中的銪氧化物、鈦二氧化物和鈰氧化物摻雜劑的總量由兩個因素限定。一個是保護(hù)氣氛(即存在于熔凝石英中的銪、鈦和鈰一起封裝在燈泡內(nèi)部的填料)的化學(xué)反應(yīng)性、另一個是在使用燈期間熔凝石英所達(dá)到的溫度。在前一情況下，與燈泡的反應(yīng)會導(dǎo)致色偏移流明損失，縮短燈壽命和失去透明。在后一情況下，增加摻雜劑的數(shù)量，則由于失去透明、變形或下垂和熔解，降低了熔凝石英的有用工作溫度。為制造本發(fā)明的UV吸收熔凝石英所采用的銪氧化物、鈦二氧化物和鈰氧化物摻雜劑的最佳量在各個具體情況下必須由專業(yè)人員確定。作為說明性，但非限制性的例子，熔凝石英中的銪、鈦和鈰的總量應(yīng)不超過(ⅰ)0.3wt%，若在使用燈期間石英達(dá)到1100℃左右的溫度時及(ⅱ)0.5wt%在800℃左右時。重要的是在石英中的鈦的化合價應(yīng)是正四價而不是正二價。若鈦的化合價小于正四(即，如在TiO中的+2，)，石英變?yōu)楹谏幻髁梁屯腹?。TiO2數(shù)量的上限多少受熔凝石英制造過程的控制。若雙摻雜熔凝石英是在氫還原氣氛條件下制備，則超過500wppm的鈦(即1000wppm)已導(dǎo)致石英變黑。所用的鈰氧化物可以或者是Ce2O3，CeO2或者其混合物。最后，銪氧化物、二氧化鈦和鈰氧化物摻雜劑可全部或部分地用一種或更多種合適先質(zhì)(precursor)來代替，這類先質(zhì)包括金屬有機(jī)化合物，例如醇鹽、溶膠或凝膠、或囟化物。
圖1表明對壁厚為0.7mm的熔凝石英管材，在距離50cm處使用Perkins & Elmer Model Lambda 9uv/VIS/NIR雙線攝譜儀所測得對應(yīng)下述三種材料的220-800nm的紫外線和可見光的透射光譜(ⅰ)未摻雜熔凝石英，(ⅱ)摻有500WPPm鈦和4000wppm鈰的熔凝石英及(ⅲ)摻有500wppm銪、500wppm鈦和4000wppm鈰的熔凝石英。對于這三種材料的曲線在圖1中分別被標(biāo)為Q、A和B。如上面所解釋的，銪、鈦和鈰是作為銪氧化物、鈦二氧化物和鈰氧化物存在于石英中。為進(jìn)行該測量管材是17mm ID(內(nèi)徑)并已被切成半長。使用本發(fā)明的三摻雜石英(曲線B)的UV透射率的顯著減小是立即表現(xiàn)出來的。
圖2表示對下列35瓦、直流工作的金屬囟化物電弧放電燈的250-420mm的UV光譜(ⅰ)無罩式電弧室，用未摻雜GE214燈管制造，標(biāo)為曲線Q，(ⅱ)有罩式電弧室，其中燈室和燈罩是用摻有鈦二氧化物和鈰氧化物(雙攙雜)的熔凝石英燈管制造并包含作為氧化物存在于管材中的500wppm鈦和2000wppm鈰，標(biāo)為曲線A及(ⅲ)帶罩式電弧室，其電弧室用雙摻雜管材制造及用攙有銪氧化物，鈦二氧化物和鈰氧化物的三摻雜管材制造熔凝石英罩并包含500wppm銪、500wppm鈦和4000wppm鈰，標(biāo)為曲線B。這些燈屬于在圖3(a)和3(b)中簡要和大略示出的類型。再看圖3(a)，該圖所示電弧燈10，包括封閉一對彼此相隔一定距離的電極14的橢園形電弧室12、惰性氣體、水銀和金屬囟化物(圖中未示)。電極14一端被焊接到收縮密封在管形端部18的鉬箔封圈16上。外引線20被焊接到相應(yīng)鉬箔封圈16的另一端以便向電極14供電。電弧室12被橢園形壁13和管形部分18所限定并且是用單根熔凝石英管材構(gòu)成，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的。這種類型的燈，如上述是用未摻雜熔凝石英管材和摻有鈦二氧化物和鈰氧化物的熔凝石英管材制成。電弧室是9mm×7mm的橢園，具有0.18cc的容積和1.4mm的壁厚，包含一對電極、氙、水銀和鈉與鈧碘化物的混合物。電弧管工作于45VDC(伏直流)和0.8amps(安培)。
圖3(b)示出本發(fā)明的一個實(shí)施例，其中圖3(a)所示用摻有鈦二氧化物和鈰氧化物的熔凝石英制造的電弧放電燈被密閉在用攙有(銪氧化物、鈦二氧化物和鈰氧化物的三攙雜熔凝石英制造的燈罩內(nèi)部。采用該摻雜燈罩達(dá)到比僅對電弧管攙雜所能得到的更多的UV縮減。在燈罩中使用較高摻雜量，因?yàn)樗窃诒入娀∈冶谳^低的溫度上，同時也因?yàn)椴挥脫?dān)心與金屬囟化物、鎢或水銀的化學(xué)反應(yīng)。
因此，再看圖3(b)密封在燈罩30內(nèi)的帶罩式金屬囟化物電弧放電燈被示為燈10，包括由攙有銪氧化物、鈦二氧化物和鈰氧化物的三摻雜熔凝石英制成的燈泡32，含有上述數(shù)量的金屬。燈罩30構(gòu)成燈的組成部分，在美國專利4935688中描述了用于制造這種類型的罩式電弧燈的方法，其說明書引入本文作參考。在電弧室壁13和罩壁32之間的空間34被抽空。因?yàn)樵跓艄ぷ髌陂g罩壁32(即550-650℃)沒有達(dá)到像燈泡13(即800-1100℃)一樣熱，所以燈罩內(nèi)可以采用比在燈泡內(nèi)較大數(shù)量的摻雜劑。其結(jié)果是更多地吸收由燈所發(fā)射的UV輻射而隨之幾乎沒有射入周圍環(huán)境的UV。
圖2表示三只燈當(dāng)中每個燈所用的UV透射光譜，從而人們立即意識到用只包括鈦二氧化物及鈰氧化物的雙攙雜熔凝石英制成的燈和包含攙有銷氧化物、鈦二氧化物和鈰氧化物的三攙雜熔凝石英罩的同樣的燈之間在UV透射方面的明顯區(qū)別。應(yīng)用NIOSH E&C(美國國家職業(yè)安全和衛(wèi)生研究所紅疹和結(jié)膜炎)時報所揭示的，這種帶罩式燈具有比無三摻雜熔凝石英罩制成的燈可容許照射時間幾乎大了百分之二十而比未摻雜熔凝石英制成的燈大了一個數(shù)量級以上。
對由未摻雜石英制成的無罩式燈的NIOSHE&C值是1.3分鐘，而使用雙摻雜電弧室和燈罩的燈的NIOSHE&C值是38小時。使用雙摻雜電弧室和本發(fā)明的三攙雜熔凝石英作為燈罩的NIOSHE&C值是43小時。NIOSHE&C值是計算數(shù)字，描述對工作場所工作人員的推薦照射時間并涉及對工作人員的UV強(qiáng)度。它是由美國政府文件NIOSH73-1109”作為職業(yè)暴露于UV中推薦標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)則，該文件由美國衛(wèi)生、教育、福利部于1973年出版。本文所稱的NIOSHE&C值是指通過對引起紅疹和結(jié)膜炎(即皮膚和眼睛損傷)的透射UV通量經(jīng)加權(quán)計算的UV照射時間。該值應(yīng)大于8小時。該測量使光譜功率(按微瓦/平方厘米/毫微米)與NIOSH E&C加權(quán)因數(shù)相聯(lián)系以便計算可行的NIOSHE&C照射時間。
上述內(nèi)容僅為說明起見，而并非是對本發(fā)明范圍的限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員會想到一些其他實(shí)施例，例如其中電弧室和/或罩由按照本發(fā)明的三攙雜熔凝石英制成的無電極電弧放電燈，以及其燈泡由本發(fā)明的三攙雜熔凝石英制成的白熾囟素?zé)簟４送?，按照本發(fā)明，這種燈也可以包括置于電弧室、或燈絲室或罩的壁上的薄膜光學(xué)干涉濾波器，用于改變透射光的顏色或使紅外輻射返回到燈絲或電弧并傳輸可見光輻射。
權(quán)利要求
1.具有至少96wt%的SiO2含量的透明、光透射材料，它包含銪氧化物、鈦二氧化物和鈰氧化物。
2.按照權(quán)利要求1的材料，該材料是熔凝石英。
3.如權(quán)利要求2的所述石英，其特征在于所述SiO2含量至少為99wt.%。
4.按照權(quán)利要求1，2或3中的任何一種材料，其特征在于所述鈦具有正四的化合價。
5.包括光源的燈，它發(fā)射的UV和可見光輻射，是被按照權(quán)利要求3的成分吸收UV和透射可見光的熔凝石英燈泡所包圍。
6.如權(quán)利要求5的燈，其特征在于所述UV和可見光輻射源包括燈絲。
7.如權(quán)利要求6的燈，其特征在于包括囟素白熾燈。
8.如權(quán)利要求5的燈，其特征在于所述UV和可見光輻射源包括電弧放電。
9.如權(quán)利要求8的燈，包括所述電弧放電的至少一個金屬囟化物。
10.如權(quán)利要求5，6，7，8或9中的任一種燈，其特征在于所述石英中的所述鈦是以正四價狀態(tài)存在。
全文摘要
現(xiàn)已證實(shí)包含銪氧化物、鈦二氧化物和鈰氧化物的熔凝石英一方面有效地吸收UV輻射，一方面?zhèn)鬏斂梢姽廨椛?。這材料的用處包括用于既發(fā)射UV又輻射可見光的鹵素白熾燈和金屬鹵化物電弧放電管的燈泡和燈罩。
文檔編號C03C4/08GK1079722SQ9310671
公開日1993年12月22日 申請日期1993年6月1日 優(yōu)先權(quán)日1992年6月1日
發(fā)明者C·E·斯科特, C·A·西森, T·G·帕漢姆, G·R·阿倫, R·L·貝特曼, P·G·馬修斯 申請人:通用電氣公司