适用于NH?气体传感器和猪肉腐败监测的UV固化、pH敏感的硅改性聚氨酯涂层

《Progress in Materials Science》：UV ? curable pH ? sensitive silicone?modified polyurethane coatings for NH 3 gas sensor and pork spoilage monitoring

pH响应硅胶改性聚氨酯涂层开发及在氨气检测和猪肉腐败监测中的应用。

　　这项研究聚焦于开发一种新型的pH敏感性硅改性聚氨酯涂层，用于氨气检测和猪肉腐败监测。随着人们对食品安全和环境监测的重视程度不断提高，传统的检测方法在灵敏度、稳定性和成本方面逐渐暴露出不足。因此，寻找一种能够实现快速、直观且低成本的检测手段成为当前研究的重点。本研究提出了一种基于溴酚红（BR）功能化的硫醇硅改性聚合物和聚氨酯丙烯酸酯预聚物（PUA）的紫外光固化涂层，该材料在多个方面表现出优越的性能。

首先，氨气（NH?）作为一种广泛应用于化工和食品制造的气体，同时也是一种重要的环境污染物和对人体有害的物质。当空气中NH?浓度超过35 ppm并持续超过10分钟时，会对眼睛、皮肤和肺部造成严重伤害。在化工行业中，氨气泄漏事故时有发生，因此对NH?泄漏进行实时检测变得尤为迫切。目前，检测NH?等气体的方法主要包括光学、电化学和电阻式技术，这些技术通常依赖于金属氧化物半导体、导电聚合物和金属硫属化合物等高灵敏度材料。然而，这些材料在制备过程中往往需要复杂的工艺，且在氧气、光照或稍高的温度环境下稳定性较差，限制了其实际应用的广泛性。

为了克服这些缺点，研究人员开发了一种基于pH敏感性原理的新型涂层材料。这种材料能够在肉眼可见的范围内呈现出明显的颜色变化，从而实现对气体和食品腐败的直观监测。pH敏感性材料的优势在于其响应速度快、灵敏度高，并且不需要复杂的仪器设备，非常适合在实际应用中推广。近年来，一些基于天然或生物来源的pH敏感性染料被广泛研究，如蓝莓提取物、花青素和姜黄素等。这些材料在食品包装和监测中展现出一定的潜力，但其制备过程通常较为繁琐，提取效率低，且在氧气、光照和温度变化下稳定性不足，限制了其进一步发展。

相比之下，硅改性材料因其独特的柔韧性、热稳定性和紫外线抗性，以及良好的生物相容性，在传感器、医疗设备、涂层和光学器件等领域受到广泛关注。聚氨酯（PU）作为一种重要的工程材料，具有优异的机械性能、寿命和耐腐蚀性，是当前广泛使用的聚合物之一。结合硅材料的优势，研究人员提出了一种硅改性聚氨酯涂层，该材料不仅具备良好的pH敏感性，还能够在不同的环境条件下保持稳定的性能。这种材料的开发为实现快速、低成本的气体和食品腐败检测提供了新的思路。

在实验过程中，研究人员采用紫外光固化方法，将BR功能化的硫醇硅改性聚合物与PUA结合，制备出一种新型的pH敏感性涂层。该涂层在pH值从2到14的范围内呈现出显著的颜色变化，能够通过肉眼直观地检测出pH值的变化。同时，该材料对氨气具有较高的灵敏度，其检测限低至40 ppm，能够在短时间内对氨气浓度变化做出响应。在测试中，该涂层在25°C和37°C的氨气溶液中分别在68秒和45秒内完成从黄色到深蓝色的完全颜色变化，显示出良好的响应速度和灵敏度。

除了对氨气的检测，该涂层还被用于监测猪肉等高蛋白食品的腐败。在食品腐败过程中，通常会伴随着pH值的变化，这是由于食品中释放出的胺类物质、氨气和其他挥发性含氮化合物所导致。因此，pH敏感性材料在食品监测中具有重要的应用价值。该涂层能够在猪肉腐败过程中呈现出明显的颜色变化，从而直观地反映食品的新鲜程度和腐败状态。这一特性使得该材料成为一种理想的食品腐败监测工具，能够帮助人们及时发现食品变质，减少食品浪费，提高食品安全性。

为了进一步验证该涂层的性能，研究人员对紫外光固化时间的影响进行了研究。实验结果显示，随着紫外光固化时间的增加，涂层的凝胶率和铅笔硬度均有所提高，分别从67.3%增加到77.9%，以及从HB增加到3H。这表明，适当的固化时间能够提高涂层的物理性能，使其更加坚固和耐用。然而，当固化时间延长至80秒时，对涂层的凝胶率和铅笔硬度的影响已经微乎其微，说明该材料在一定固化时间内即可达到最佳性能。这一发现为实际应用中的固化条件提供了重要的参考依据。

此外，该涂层在不同环境条件下的稳定性也得到了验证。实验表明，该材料在高温和光照环境下仍能保持较高的性能，其初始分解温度（Td5）在261.7–274.7°C之间，显示出良好的热稳定性。同时，该材料在不同pH值的水溶液中均能呈现出显著的颜色变化，能够适应多种检测需求。这些性能使得该材料不仅适用于氨气检测，还可以用于食品腐败监测，具有广泛的应用前景。

综上所述，这项研究成功开发了一种基于pH敏感性原理的硅改性聚氨酯涂层，该材料在多个方面表现出优越的性能。它不仅能够在短时间内对氨气浓度变化做出响应，还能够在食品腐败过程中直观地反映pH值的变化。这种材料的开发为实现快速、低成本、高灵敏度的气体和食品监测提供了新的解决方案。同时，该材料在制备过程中采用紫外光固化方法，不仅简化了工艺，还提高了材料的稳定性和耐用性。这些特性使得该材料在实际应用中具有重要的价值，为食品安全和环境监测提供了新的技术支持。