基于坡缕石的多功能填料，用于制备抗菌和抗腐蚀保护涂层：一种利用曲酸和离子液体的可持续方法

《Surfaces and Interfaces》：Halloysite-based multifunctional filler for antibacterial and anticorrosive protective coatings: a sustainable approach using kojic acid and ionic liquids

本研究开发了一种基于海藻土纳米管（HNTs）的功能化复合材料，通过共价修饰熊果酸（K）和负载离子液体（IL），实现抗菌与抗腐蚀协同增效。实验表明，HNT-K-IL涂层使DD11钢的腐蚀率从0.34 mm/年降至0.12 mm/年，对铜绿假单胞菌和白色念珠菌的抑制率分别达69.23%和84.61%。材料采用绿色天然原料，兼具高效防护与环保特性。

　　本研究提出了一种全新的多功能填料，用于保护涂层。该复合材料基于天然存在的黏土矿物——埃洛石纳米管（HNTs），并将其与天然存在的螯合剂——曲酸（K）进行共价功能化处理。通过这种独特的组合，该填料展现出强大的抗菌和抗腐蚀性能。随后，研究人员将一种离子液体（IL）加载到功能化的埃洛石纳米管（HNT-K）上，利用其协同作用有效抑制铁的氧化，并提供坚固的表面保护。该复合材料通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、透射电子显微镜（TEM）和线性极化电阻（LPR）等分析方法进行了全面表征，这些结果无一例外地证实了功能化和负载的成功，以及在抗腐蚀性和抗菌性能方面的显著提升。

在实验中，该复合材料对DD11钢的抗腐蚀性能得到了显著改善，将腐蚀率从0.34 mm/year降低至0.12 mm/year。此外，该材料还表现出强烈的抗菌活性，尤其对假单胞菌（P. aeruginosa）和白色念珠菌（C. albicans）的抑制率分别达到了69.23%和84.61%，突显了其在环保和可持续应用方面的巨大潜力。埃洛石和曲酸均为天然来源的材料，这种组合凸显了我们方法的可持续性，为表面保护提供了一种真正绿色的解决方案，具有抗腐蚀和抗菌的双重作用。

本研究在材料合成和性能测试方面采用了多种实验方法。首先，埃洛石纳米管（HNT）通过共价功能化处理与曲酸结合，随后将离子液体加载到该功能化材料上。实验过程中，研究人员使用了多种化学试剂，并通过特定的化学反应条件，如在室温下搅拌30分钟，以及在80°C下搅拌整夜，以确保功能化和负载过程的顺利进行。最后，将该复合材料以3%和9%的重量比例加入商业水性涂料中，用于抗菌和抗腐蚀性能测试。实验结果表明，该复合材料能够显著提高涂料的抗菌性能，同时有效降低金属的腐蚀速率。

为了评估材料的抗菌性能，研究人员采用了一种标准化的实验方法。首先，将细菌和真菌悬浮液制备至特定的浓度（0.5 McFarland标准），然后将其接种到含有不同涂料样品的无菌试管中。通过将硝化纤维滤纸浸入涂料溶液，并在无菌条件下干燥24小时，研究人员观察到了显著的微生物生长抑制效果。结果显示，添加了HNT-K-IL填料的涂料在抗菌性能上优于基础涂料，对多种微生物展现出更强的抑制能力。这种协同效应使得材料在抗菌方面表现出更广泛的生物杀菌能力，相较于以往的材料有明显提升。

在抗腐蚀性能的评估中，研究人员采用了电化学测试方法，包括循环伏安法（CV）、开路电位（OCP）和线性极化电阻（LPR）。这些测试方法能够准确反映金属在腐蚀环境中的行为。结果显示，HNT-K-IL填料能够有效减少铁离子的释放，从而显著降低DD11钢的腐蚀速率。具体而言，通过CV测试，研究人员观察到了不同样品在3% NaCl溶液中的铁离子释放量，发现添加HNT-K-IL的样品相比基础样品，铁离子的释放量减少了超过70%。这表明该填料在抗腐蚀方面表现出卓越的性能。

此外，研究人员还通过LPR测试进一步验证了材料的抗腐蚀能力。LPR测试结果显示，HNT-K-IL填料的加入显著提高了金属的极化电阻，从而降低了腐蚀倾向。实验中还观察到，Ecorr（腐蚀电位）在添加HNT-K-IL后向负方向移动，表明该材料主要在阴极反应中起作用，有效抑制了腐蚀过程。这些数据进一步证明了HNT-K-IL填料在抗腐蚀方面的有效性。

在材料的表征方面，研究人员采用了多种分析手段，以确保功能化和负载的成功。FTIR分析确认了IL在HNT-K表面的存在，通过观察特定的吸收峰，研究人员能够识别出IL的特征振动模式和C-N伸缩振动。TGA分析则用于评估材料的热稳定性，通过监测不同温度下的质量变化，研究人员能够计算出功能化程度。结果显示，HNT-K的功能化程度达到了53%，表明曲酸成功地与埃洛石纳米管结合。

TEM和EDS分析进一步确认了材料的微观结构和化学组成。TEM图像显示了HNT-K-IL的纳米管形态，而EDS分析则表明了其表面元素的分布情况。这些结果与XPS分析结果相吻合，XPS分析通过监测不同元素的结合能，进一步验证了IL的成功加载。特别是N 1s和Cl 2p峰的出现，表明IL确实与HNT-K发生了相互作用。

在抗菌性能的评估中，研究人员发现HNT-K-IL填料能够显著增强涂料的抗菌能力。通过将不同浓度的涂料溶液与微生物悬浮液结合，并在适宜的培养条件下观察微生物生长情况，研究人员得出了相应的抑制率数据。结果显示，HNT-K-IL在抗菌方面表现出色，尤其对P. aeruginosa和C. albicans具有较高的抑制效果。这些结果表明，该填料不仅能够有效抑制细菌的生长，还能对抗真菌，为多种应用场景提供了广泛的抗菌保护。

在实际应用中，该材料展现出了良好的环境友好性和可持续性。埃洛石和曲酸均为天然来源的材料，这种组合使得该填料在环保方面具有明显优势。此外，该填料的合成过程简单且快速，进一步降低了其在工业应用中的成本和复杂性。通过将HNT-K-IL填料与涂料结合，研究人员开发出了一种新型的水性涂料，能够提供有效的抗菌和抗腐蚀保护，为表面防护提供了一种绿色且高效的解决方案。

本研究的结论表明，基于埃洛石纳米管的复合材料在抗菌和抗腐蚀方面具有巨大的应用潜力。这种材料不仅能够有效降低金属的腐蚀速率，还能显著抑制微生物的生长，为多种工业领域提供了新的选择。特别是在汽车、海洋和建筑行业，这种多功能填料可以为金属表面提供长期的保护，同时减少对环境的负面影响。此外，该研究还指出，未来可以进一步优化该材料的可扩展性，以适应更大规模的应用需求，并探索其在更多类型基材和复杂环境中的适用性。通过持续的研究和开发，这种材料有望在抗腐蚀、抗菌和环保技术方面发挥更大的作用，为解决全球性问题提供新的思路和方法。