通过乳液聚合制备的有机余辉涂层材料

《Materials Chemistry Frontiers》：Organic afterglow coating materials via emulsion polymerization

有机室温磷光材料通过乳液聚合制备，利用PMMA基体抑制非辐射衰变，获得长达10秒的磷光寿命和优异环境稳定性，适用于大规模生产光学涂层和反欺诈技术。

　　有机室温磷光（RTP）材料因其独特的三重态发光特性而受到越来越多的关注，其潜在的应用领域包括防伪、生物成像、光学存储等。然而，这些材料在实际应用中面临诸多挑战，例如较低的发光效率、较短的发光寿命以及难以实现规模化生产等问题，严重限制了其推广与使用。本研究通过一种简便且可扩展的方法，合成了二氟硼β-二酮（BF?bdk）化合物，并将其引入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基质中，利用乳液聚合技术制备了具有优异磷光性能的水性磷光乳液。该乳液在常温下表现出高达1.38秒的磷光寿命，相较于传统方法，显著提升了材料的发光性能和稳定性。

本研究的核心在于利用PMMA这一聚合物基质的刚性微环境，有效抑制了磷光分子三重态的非辐射衰减过程，从而延长了其磷光寿命。PMMA作为一类常见的热塑性聚合物，具有良好的透明性、机械强度和化学稳定性，使其成为一种理想的载体材料。通过将磷光分子嵌入PMMA的微结构中，不仅保护了分子的发光特性，还提升了材料的整体性能，使其适用于多种工业场景。此外，通过与商业乳液的混合，研究人员成功制备了均匀、透明且具有长达10秒以上后发光时间的RTP涂层，为实现水性磷光材料的工业化生产提供了新的思路。

与传统方法相比，本研究采用的乳液聚合技术在材料制备过程中展现出显著的优势。例如，熔融滴铸法和机械研磨法虽然可以制备出具有长寿命的磷光材料，但通常只能得到块状或粉末状的固体，难以直接用于水性体系。而通过乳液聚合，不仅实现了材料的分散性，还保留了磷光分子的发光特性。此外，研究人员发现，传统的水性分散方法容易破坏磷光分子的刚性微环境，从而导致磷光寿命显著下降。相比之下，乳液聚合方法能够在保持分子结构稳定的同时，实现材料的可扩展生产，为磷光材料的商业化应用奠定了基础。

在本研究中，研究人员采用了一种创新的两组分策略，将合成的磷光分子（compound 1）作为发光组分，与具有特定功能的有机分子（如苯基苯甲酸PhB和4-甲氧基苯甲酮MeOBP）结合，以增强磷光性能。通过一系列实验验证，发现即使在不同纯度的compound 1中，其在PhB和MeOBP基质中的光物理性质保持一致，表明杂质不会显著影响材料的发光行为。这一发现不仅简化了磷光分子的合成流程，还降低了制备成本，为大规模生产提供了可行性。

通过对比实验，研究人员进一步排除了其他可能的发光机制，如能量转移、电荷转移、热激活延迟荧光（TADF）等。例如，当仅用PMMA进行激发时，没有观察到任何磷光现象，说明PMMA本身不具备磷光能力，因此其发光性能来源于compound 1的三重态发射。此外，通过低温延迟发射实验，研究人员确认了材料的磷光特性并非由TADF机制驱动，从而明确了其发光机制的可靠性。这些实验结果为理解磷光材料的发光行为提供了重要的理论依据。

在实际应用方面，本研究通过将合成的磷光乳液与四种商用乳液进行混合，成功制备了四种具有不同功能特性的RTP涂层。这些涂层不仅具有明亮的绿色磷光，还表现出优异的物理性能，如高固含量、良好的热稳定性和化学抗性。在不同基材（如玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、金属和水泥板）上测试后，涂层在氧气环境中展现出6至12秒的后发光时间，而其在变形条件下仍能保持稳定的磷光性能。这表明，这些涂层在机械性能上具有良好的柔韧性和抗裂性，能够适应不同的应用场景。

此外，涂层的表面特性也得到了详细研究。例如，通过接触角测试发现，部分涂层表现出显著的疏水性，这有助于提升其防污和抗污染能力。在实际使用过程中，这些涂层能够有效抵抗污渍和划痕，同时保持原有的图案清晰度，这为它们在防伪标签、显示技术以及环境监测等领域的应用提供了保障。值得一提的是，这些水性聚合物体系相比传统的溶剂型涂层材料（如丙烯酸乳液、醇酸树脂或聚氨酯）更加环保，符合当前绿色制造的趋势。

在材料的耐用性方面，研究人员对其进行了多种极端条件下的测试，包括强紫外线照射、高湿度环境以及机械应力作用。结果显示，尽管在这些条件下材料的磷光性能有所下降，但其基本的发光行为仍然得以保留。这表明，这些涂层在实际使用中具备一定的耐久性，能够在多种环境下保持良好的功能表现。同时，它们在常温储存条件下的稳定性也得到了验证，说明其具有较长的使用寿命和可靠的应用前景。

综上所述，本研究通过创新的两组分策略和乳液聚合技术，成功制备了一种具有高磷光寿命和良好物理性能的有机RTP材料，并将其应用于水性涂层体系中。该方法不仅解决了传统磷光材料在规模化生产中的瓶颈问题，还提升了其在不同应用场景下的适用性。研究结果表明，这种新型的RTP材料在防伪、光学存储、生物成像和环境监测等领域具有广阔的发展空间。未来，随着材料性能的进一步优化和生产工艺的成熟，这类RTP材料有望在更多工业和商业场景中得到广泛应用，推动相关技术的快速发展。