绿色化学在OLED荧光材料生产中的应用与工艺创新.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：焦俊（1978），男，汉族，江苏泰州人，本科，工程师，研究方向精细化工的生产。-153-绿色化学在 OLED 荧光材料生产中的应用与工艺创新 焦 俊 泰兴强力先先电子新材料有限公司，江苏 泰州 225400 摘要：摘要：随着可持续发展理念的普及，绿色化学在 OLED 荧光材料的生产领域中发挥着越来越重要的作用。本文综述了 OLED 荧光材料的常规生产工艺，包括不同类型材料的应用场景及其合成方法。在此基础上，本文详细探讨了绿色化学原则在材料生产中的具体应用，包括可持续性原料的选取、催化剂效率的优化、溶剂使用的减少与替代、能量消耗与过程的优化，以及副产物和废物的有效管理。通过一系列工艺创新案例分析，本文展示了无溶剂或绿色溶剂的使用、微波、超声波或光化学合成法、生物合成途径、以及材料的回收和循环利用策略等，在生产中的实际应用效果。同时，对于实施绿色化学工艺所面临的挑战与机遇进行了探讨。最后，文中对绿色化学在 OLED荧光材料生产中的意义进行了总结，并对未来可持续发展的前景提出了展望。关键词：关键词：绿色化学；OLED；荧光材料；可持续生产；工艺创新 中图分类号：中图分类号：G633.8 OLED 技术由于其卓越的显示性能和广泛的应用前景，成为了当代显示技术的重要分支。在 OLED 荧光材料的生产过程中，由于传统工艺存在的环境污染和能源消耗问题，绿色化学应运而生，旨在通过环保的合成路径和原料，改进生产过程。这不仅涉及到选择更为安全、可回收的原料和溶剂，还包括开发更高效的催化剂和合成方法，以减少能量消耗和有害副产品的产生。在工业化生产的背景下，绿色化学的实践不断推动着 OLED 材料生产的创新与进步，同时也面临着技术转化的成本问题、环保法规的遵循难度以及市场的接受度等挑战。本文将探讨绿色化学在 OLED 荧光材料生产中的应用，并通过案例分析具体展示工艺创新的成果和潜力。1OLED 荧光材料的常规生产工艺 1.1 OLED 荧光材料的类型和应用 OLED 荧光材料是实现有机电致发光的核心物质，按发光原理主要分为小分子荧光材料和聚合物荧光材料两大类。小分子荧光材料通常通过蒸发或溶液加工的方式在基板上形成薄膜，广泛应用于电视、手机、平板电脑等高端显示设备。聚合物荧光材料则因为可通过溶液加工过程形成薄膜，常用于大面积、低成本的打印显示设备。此外，根据颜色差异，OLED 荧光材料又可以细分为蓝光、绿光、红光等不同类型的材料。这些材料的应用极为广泛，不仅限于显示技术领域，还包括照明、生物传感、光伏电池等领域。在显示技术中，荧光 OLED 材料因为具有高色纯度和高亮度的特点，特别受到青睐。随着技术的发展，其在柔性显示、透明显示等新兴领域的应用也日渐增多，展现出巨大的市场潜力。1.2 常规合成方法和工艺流程 OLED 荧光材料的生产通常采用有机合成的方法。以小分子荧光材料为例，合成过程包括若干步骤，首先是设计并合成核心的发光单元，随后是通过各类有机反应引入不同的官能团以调节其光电性能，最后进行纯化以获得高纯度的荧光材料。具体的合成流程通常涉及如下几个步骤：前体材料的制备：根据预定的分子结构设计，合成相应的前体材料。联结单元的构建：通过催化剂或其他合成路线将不同的前体材料联结起来，构建成完整的发光分子。材料的纯化：合成完成的发光材料常含有杂质，需通过柱色谱、昇华或再结晶等方法进行纯化。性能的测试与评估：纯化后的荧光材料会经过一系列的性能测试，包括发光效率、寿命、热稳定性等。这些传统合成方法虽然成熟，但往往伴随有机溶剂的大量使用和有害副产品的生成，对环境和人体健康可能产生负面影响。因此，绿色化学原则的应用成为提升 OLED 荧光材料合成工艺的重要方向，旨在减少有害物质的排放，降低能源消耗，并提高材料利用率。2绿色化学原则在OLED荧光材料生产中的应用 中国科技期刊数据库 工业 A-154-2.1 原料选择的可持续性 绿色化学强调在生产过程中使用可持续性原料，即那些可以从自然中再生或者以环境友好方式获取的物质。在 OLED 荧光材料的制备中，选择可持续性原料意味着从源头上减少对环境的影响。例如，可以选择生物基化学品作为原料，这些物质通常来源于植物生物质，如葡萄糖、纤维素或其他天然可再生资源，而不是传统的石油化工产品。此外，还包括使用那些在生产过程中能够产生较少副产品的原料，以及易于回收和再利用的化学品。通过这样的原料选择，不仅可以减少对非可再生资源的依赖，还可以降低生产过程中的废物和污染物的排放。2.2 催化剂的选择和使用效率 催化剂的选择和使用效率对于实现绿色合成过程至关重要。绿色化学中推荐使用的催化剂应当具有高选择性、高活性，且能在温和的条件下工作，以减少能量消耗和有害副产品的生成。对 OLED 荧光材料生产而言，非贵金属催化剂或者可循环使用的催化剂尤为受到关注。这些催化剂不仅能减少对稀有资源的需求，而且有助于降低处理和处置催化剂的成本和环境影响。研究者们正在开发各种新型的催化系统，如基于金属-有机框架（MOFs）的催化剂，以及基于酶类和其他生物催化剂的系统，以提高合成路线的总体效率和绿色性能。2.3 溶剂使用的最小化与替代 在传统的 OLED 荧光材料生产中，溶剂的使用是一个不可避免的步骤，但传统溶剂往往具有挥发性有机化合物（VOCs）等环境和健康危害。绿色化学提倡最小化或消除有害溶剂的使用，通过使用水或其他绿色溶剂来替代。例如，超临界流体如超临界二氧化碳是一种良好的替代品，它是无毒的、可回收的，并且在工艺过程中可作为非极性溶剂使用。另外，通过改进合成工艺，开发无溶剂或固态反应的方法，也是减少溶剂使用的有效策略。研究者们正致力于发展这些方法，以实现生产过程中的绿色化。2.4 能量消耗与过程优化 能量消耗是工业生产中的一个重要环节，也是评价生产过程绿色程度的重要指标之一。OLED 荧光材料的生产过程中涉及到多个步骤，如加热、冷却、混合等，这些步骤常常伴随着大量能量消耗。采用绿色化学原则，意味着要通过工艺创新和优化来降低能量的使用。例如，通过使用微波加热或光化学反应代替传统加热方法，可以在更短的时间内完成反应，且通常能提高反应效率。此外，优化反应条件，如温度、压力和反应时间，也能有效减少能源消耗。流程的集成化和自动化，以及反应器设计的改进，也是减少能量使用和提升效率的有效途径。2.5 副产物和废物的管理 绿色化学的核心之一是最小化或消除在生产过程中产生的副产物和废物。在 OLED 荧光材料的合成过程中，研究者们不断探索更为环保的合成路线，减少有毒副产物的生成。这包括选择那些能以较高原子经济性进行反应的方法，即尽可能多的原子用于最终产品的合成，而非变成废物。另一方面，开发废物再利用的策略也是关键，比如将某些副产品转化为有价值的物质，或者将其作为反应的输入再次利用。废物的预处理和后处理技术，如催化转化和生物降解，也是削减工艺废物的重要途径。通过这些策略，可以大幅度减少对环境的影响，实现生产过程的绿色化和可持绀性。3 工艺创新案例分析 3.1 无溶剂或绿色溶剂的使用 近年来，OLED 荧光材料的合成领域见证了无溶剂或绿色溶剂技术的显著进展。这些方法能显著减少对传统有机溶剂的依赖，从而减少环境污染和健康风险。无溶剂合成通常利用固态反应或熔融反应来实现原料的转化，这不仅能节约资源，还可以降低合成过程中的能耗和成本。此外，使用水、超临界二氧化碳和其他生物基溶剂作为绿色溶剂，不仅提高了反应的安全性和环境兼容性，也提升了产物的纯度和收率。这些溶剂的使用，在减轻环境压力的同时，还能够提供与传统有机溶剂相当或更优的反应效率和效果。3.2 微波、超声波或光化学合成法 微波、超声波和光化学合成法是绿色化学中的重要创新工艺，它们通过提供非传统的能量输入方式，优化了反应条件，提高了合成效率。微波合成通过电磁波的热效应快速均匀地加热反应物，减少了能量消耗并缩短了反应时间。超声波合成利用声波产生的空化效应，能够促进难溶原料的混合和反应，同时还可中国科技期刊数据库 工业 A-155-提高反应的选择性。光化学合成则使用光能作为能量来源，能在室温下促进某些特定的化学反应，这些方法对环境友好，且有助于降低合成过程的能量要求和副产品的产生。3.3 生物合成途径 生物合成是利用生物体或生物体的组分（如酶）来合成有机化合物的一种策略。在OLED材料的生产中，生物合成提供了一种可持续和温和的合成途径。例如，利用微生物或酶催化的合成过程可以在常温和常压下进行，从而节约能源并减少环境污染。这种方法不仅能够提高原子经济性，还能够减少有害副产品和废物的产生。随着合成生物学的发展，通过基因工程手段改造微生物，使其能够生产出具有特定发光性质的OLED 材料，已经成为该领域的一个研究热点。3.4 回收和循环利用策略 OLED 荧光材料生产过程中的回收和循环利用策略是实现工业生产可持续性的关键。在生产流程中，可以设计步骤来回收并再次使用原料和溶剂，以减少浪费和降低成本。例如，通过建立闭环系统，对反应中未反应的原料进行回收，或者通过蒸馏和过滤技术重复使用溶剂。这些策略不仅减少了对新鲜资源的需求，也显著降低了环境排放。同时，通过高效的分离和纯化技术，可以确保回收材料的质量满足生产需求，从而实现材料的可持续循环使用。3.5 安全、无毒材料的开发 随着绿色化学原则的深入应用，在 OLED 荧光材料合成中寻找和开发安全、无毒的材料成为研究的重点。这涉及到从分子设计开始，就将环境影响和人类健康风险考虑在内。通过选择低毒性或无毒性的原料、催化剂和助剂，可以在源头减少有害物质的使用。在开发新型 OLED 材料时，科研人员注重使用生物兼容和可降解的材料，以确保产品在整个生命周期中对环境的影响降到最低。这样的材料不仅有助于减少生产和使用阶段的危害，也使得产品的废弃和回收变得更为安全和容易。4 实施绿色化学工艺的挑战与机遇 在OLED荧光材料的生产中融入绿色化学原则是一个既充满挑战又充满机遇的进程。这涉及到在生产活动中全面考虑环境影响和人类健康，目标是创建一种更为可持续和环境友好的生产方式。在这个过程中，科研人员和工程师需要在提升效率和降低成本之间找到平衡点，同时确保最终产品的性能不受影响。挑战首先体现在技术层面，OLED 荧光材料的生产过程复杂，涉及到精确的化学反应和严格的材料特性控制。要在不牺牲产品质量的前提下，实现过程中绿色化学原则的应用，往往需要开发全新的化学反应路径和合成方法。这不仅需要前沿的科学研究，还需要实验室到生产线的技术转移和规模化，而这一过程常常是长期而昂贵的。从经济角度看，绿色化学工艺在初期往往要求更高的投资。新设备的引进、工艺的改造和人员的培训都需要资金支持。在市场竞争日益激烈的当下，如何在不显著提高产品成本的情况下实施绿色化学，是每一个涉足此领域企业都必须面对的问题。法规和标准也是推动绿色化学应用的双刃剑，一方面日趋严格的环境保护法规促进了绿色化学工艺的发展，另一方面，缺乏统一的标准和评价体系使得企业难以衡量投资的效益，也使消费者难以识别真正的绿色产品。在市场层面，虽然公众对环保的意识在提升，但这并不意味着消费者愿意为此支付额外的成本。市场对绿色产品的接受度和需求量的增长速度可能无法与绿色化学工艺的发展速度同步。这要求企业在进行技术创新的同时，也要致力于市场教育和品牌构建。面对挑战，绿色化学在 OLED 荧光材料的生产中同样带来了巨大的机遇。首先是创新驱动的机遇，新的合成路径、原料和催化剂的开发都可能引领行业走向新的方向，为企业带来竞争优势。其次是环境和社会责任的机遇，企业可以通过绿色化学减少对环境的负担，提升其在社会上的形象和品牌价值。经济上，虽然绿色化学在短期内可能带来较高成本，但长远来看，它通过优化资源利用和提高能源效率，有望降低生产成本，实现经济与环境的双重收益。同时，随着法规的推动和市场的转变，首先采用绿色工艺的企业可能会享受政策和市场的先发优势。因此，将绿色化学工艺引入 OLED 荧光材料的生产是一个需要综合考虑技术、经济、法律和市场因素的复杂决策。这不仅是一场技术上的革新，也是一场市场和社会结构的深刻变革。企业需要具备前瞻性的视野和坚持不懈的执行力，才能在这场变革中获得成功。5 结论 中国科技期刊数据库 工业 A-156-绿色化学在OLED荧光材料生产中的应用展示了化学工业向可持续发展转型的重要一步。通过采用绿色原料、高效催化剂、环保溶剂以及能量优化的合成方法，不仅显著降低了对环境的影响，也提高了生产效率和产品性能。尽管实施绿色化学工艺存在诸多挑战，如高初始投资成本、技术研发的不确定性以及市场接受度的变化，但它所带来的环境保护和长远经济效益的双重优势，为企业和研究机构提供了强大的动力。未来，随着新材料、新技术的持续开发和优化，结合产业界与学术界的紧密合作，绿色化学在 OLED 荧光材料生产中的应用有望得到更广泛的推广和深化，为实现绿色制造和可持续发展目标做出更大贡献。参考文献 1 王 一 诺,邵 世 洋,王 利 祥.窄 谱 带 多 重 共 振 有 机 高 分 子 荧 光 材 料 研 究 进 展 J.化 学 学报,2023,81(09):1202-1214.2丘家豪.新型有机发光分子光电性质和溶液加工器件的制备与分析D.广州大学,2023.3邹海培.空间电荷转移型热活化延迟荧光分子发光性质的理论研究D.山东师范大学,2023.4蒋珊珊.基于有机小分子的热激活延迟荧光材料的理论研究与设计D.江西理工大学,2023.5娄敬丽,黎刚刚,王志明等.紫外/深蓝 OLED 发光材料研究进展J.发光学报,2023,44(01):37-60.