含尿嘧啶偶氮抗菌基团的彩色水性聚氨酯的合成与性能：实验与计算研究

《Progress in Organic Coatings》：Synthesis and properties of colored waterborne polyurethanes containing a uracil azo moiety: Experimental and computational study

本文报道了一种将抗菌尿嘧啶偶氮分散染料（UAD）共价整合至水性聚氨酯（WPU）骨架的创新策略。通过实验表征（FT-IR、1H NMR、GPC等）与理论计算相结合，系统阐明了UAD含量（0-6 wt%）对WPU分散体粒径、力学性能（拉伸强度18-35 MPa）、疏水性（接触角60°-76°）、热稳定性（Tg提升5.6℃）及抗菌活性（ISO 22196标准下99.9%灭菌率）的调控规律，为开发兼具自着色、高色牢度（5级）与环境友好特性的新一代涂层材料提供了新范式。

　　

结构分析

WPU在不同染料含量下的FT-IR谱图显示典型聚氨酯特征吸收：3320 cm^-1处为N-H伸缩振动，2850-2950 cm^-1为脂肪族C-H伸缩振动，1700 cm^-1为C=O伸缩振动，1531 cm^-1对应N-H弯曲振动，1237 cm^-1为C-N弯曲振动，约1100 cm^-1则归属于C-O-C伸缩振动。2275-2250 cm^-1区间异氰酸酯（-NCO）特征峰的消失，表明链延伸反应已完全消耗活性基团。值得注意的是，所有UAD改性WPU样品在1600 cm^-1附近均出现芳环C=C骨架振动新峰，且1531 cm^-1处N-H弯曲振动峰强度随染料含量增加而增强，印证了染料成功通过氢键与硬段相互作用。

结论

通过调控UAD含量（0-6 wt%），我们成功制备出具有优异抗菌性能的彩色水性聚氨酯（CWPU）薄膜。系列结构分析（FT-IR、¹H NMR、GPC、UV-vis）证实染料以共价键形式锚定于聚氨酯骨架。当UAD嵌入聚合物链后，其最大吸收波长产生11 nm蓝移，这归因于WPU骨架中羰基的电子扰动效应——经经验标定的TD-DFT模拟精准复现了该溶剂依赖性光谱行为。尽管低含量UAD（2 wt%）会因分子量降低导致拉伸强度暂时下降（51→18 MPa），但随着染料含量提升至6 wt%，增强的氢键网络使力学性能显著恢复（拉伸强度升至35 MPa，断裂伸长率由500%增至750%）。同步实现的性能提升还包括：表面疏水性增强（水接触角60°→76°）、硬段玻璃化转变温度升高（T_g由60.52℃至66.12℃），以及卓越的色牢度（5级）。在ISO 22196标准下，即使仅添加2 wt% UAD，涂层对典型革兰氏阳性/阴性菌仍展现99.9%的灭菌率。本研究证明，将抗菌UAD基团共价固载于WPU骨架的策略，可同步实现自着色、环境友好、抗染料迁移等多重功能，为下一代水性涂层设计提供了创新思路。