关于蜡质原油乳液在集输管道中粘壁过程中分子运动行为的研究

《Journal of Molecular Liquids》：Study on molecular motion behavior during the wall sticking process of waxy crude oil emulsion in gathering and transportation pipeline

聚脲纳米复合涂层（PUNC）通过生物基卡丹油（COL）与银纳米颗粒（AgNPs）的绿色合成，兼具抗腐蚀和抗菌性能，适用于户外及建筑防护领域。摘要：

　　聚氨酯（Polyurethanes, PUs）作为一种高度灵活的聚合物材料，因其可定制的分子结构而被广泛应用于多个领域。从基础的粘合剂、密封剂到高级的泡沫、弹性体、临床设备以及涂层和薄膜，聚氨酯的用途几乎涵盖了现代工业的各个方面。其特性可以通过调整配方中的多种因素来优化，例如多醇（polyol）和二异氰酸酯（di-isocyanate）的行为、交联程度以及固化条件。这种可调控性使得聚氨酯成为一种极具应用潜力的材料。

随着材料科学的发展，聚氨酯纳米复合材料（PU nanocomposites, PNCs）作为一种有机-无机混合材料，逐渐成为研究热点。这些材料通过将纳米颗粒分散在聚合物基体中或其表面，形成独特的核心-壳结构，从而展现出与传统聚合物不同的性能。特别是，将金属元素引入聚氨酯纳米复合材料中，能够通过量子限域效应等机制，显著提升材料的物理、化学和机械性能。因此，聚氨酯纳米复合材料在众多工业领域中展现出广阔的应用前景。

在众多用于聚合物纳米复合材料的金属中，银（Ag）因其独特的物理化学性质而备受关注。银纳米颗粒（AgNPs）在多个领域中具有广泛的应用，包括生物相容性材料、检测平台、药物制品、植入设备以及防护涂层等。银纳米颗粒具备优异的机械、化学、光学和生物特性，使其成为合成高性能复合材料的理想选择。然而，在将银纳米颗粒直接引入聚合物基体的过程中，金属离子容易发生聚集，从而影响材料的整体性能。因此，如何有效防止银纳米颗粒的聚集，成为提升其应用价值的关键。

为了克服这一问题，研究者们尝试将银纳米颗粒与聚氨酯材料结合，以制备具有优异性能的聚氨酯银纳米复合材料（PU nanocomposite with silver, PUNC）。这类材料不仅能够有效减少银纳米颗粒的聚集，还能通过其独特的结构设计，实现对金属离子的稳定封装。此外，聚氨酯涂层本身具有良好的柔韧性和弹性，能够适应基材的形变、热膨胀和机械应力，从而避免涂层开裂或剥离。相比环氧树脂系统，聚氨酯涂层在化学稳定性和耐候性方面表现更为出色，尤其是在户外和建筑应用中，能够提供长期的美观性和机械性能。

值得注意的是，近年来，基于植物油的聚氨酯纳米复合材料（bio-based PUNC）因其低成本和环保特性，逐渐成为研究的焦点。植物油作为可再生资源，在聚氨酯纳米复合材料的合成中发挥着重要作用。例如，蓖麻油（Cardanol, COL）作为一种重要的有机化合物，被广泛用于合成多种聚氨酯纳米复合材料。COL不仅具有良好的化学稳定性和机械性能，还能够通过与银纳米颗粒的结合，赋予材料抗菌和防腐蚀的双重功能。

许多研究表明，通过在聚氨酯基体中引入银纳米颗粒，可以显著提升其抗菌性能。例如，有研究指出，将银纳米颗粒嵌入蓖麻油基的聚氨酯材料中，能够有效抑制多种细菌和真菌的生长。这种抗菌性能在包装材料、涂料和医疗设备等领域具有重要应用价值。然而，目前关于通过原位合成方法制备银掺杂的蓖麻油基聚氨酯纳米复合材料（CAgPU@PNM）用于抗菌和防腐蚀涂层的研究仍较为有限。尽管已有部分研究探讨了银纳米颗粒在聚氨酯材料中的应用，但尚未有系统性的研究关注其在防腐蚀和抗菌方面的协同效应。

本研究旨在开发一种绿色、可持续的合成方法，用于制备银掺杂的聚氨酯纳米复合材料涂层。通过采用COL作为主要原料，并在无催化剂的条件下进行原位合成，可以有效避免传统方法中可能引入的杂质，同时提升材料的性能。此外，本研究还探讨了该涂层在机械、化学和热稳定性方面的表现，以及其在抗菌和防腐蚀方面的应用潜力。通过使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）对材料的结构进行表征，并结合X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和透射电子显微镜（TEM）等技术分析其形态特征，能够全面了解材料的组成和结构。

在热稳定性方面，通过热重分析（TGA/DTG）对材料进行测试，可以评估其在高温环境下的分解行为和耐热性能。同时，本研究还采用了电化学阻抗谱（EIS）技术，在3.5%的氯化钠溶液中对材料的防腐蚀性能进行了系统分析。通过绘制Nyquist和Bode图，可以直观地观察材料在不同条件下的电化学行为，从而评估其防腐蚀能力。此外，为了验证材料的抗菌性能，本研究还针对多种革兰氏阴性菌（如肺炎克雷伯菌和铜绿假单胞菌）和革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌）进行了实验测试，并对真菌（如念珠菌）的抑制效果进行了评估。

实验结果显示，所制备的CAgPU@PNM涂层在多个方面表现出优异的性能。首先，其结构特征通过FTIR和XRD等技术得到了确认，表明银纳米颗粒成功地被引入到聚氨酯基体中，并形成了稳定的复合体系。其次，通过FE-SEM和TEM观察，可以清晰地看到银纳米颗粒在聚氨酯基体中的分布情况，进一步验证了其均匀性和稳定性。此外，该涂层展现出良好的热稳定性，能够在高温环境下保持结构完整性，从而延长其使用寿命。在机械性能方面，该材料表现出优异的柔韧性和抗拉强度，使其在复杂工况下具有良好的适应性。

在化学稳定性方面，实验表明该涂层能够有效抵抗多种腐蚀性介质的侵蚀，如盐水溶液、酸性环境和碱性溶液。这种优异的化学稳定性使其在防腐蚀应用中具有显著优势。同时，该材料还表现出良好的抗紫外线（UV）性能，能够在户外环境中长时间保持其物理和化学性质不变，从而延长材料的使用寿命。此外，该涂层还具有良好的疏水性，能够有效减少水分的渗透，从而降低腐蚀的发生概率。

在抗菌性能方面，实验结果表明，CAgPU@PNM涂层对多种细菌和真菌表现出显著的抑制作用。这种抗菌性能主要归因于银纳米颗粒的释放及其对微生物细胞膜的破坏作用。通过在不同浓度和时间条件下对微生物的生长情况进行测试，可以进一步验证该材料的抗菌效率。同时，该材料在不同环境下的抗菌性能保持稳定，表明其具有良好的应用前景。

本研究的成果为开发新型抗菌和防腐蚀材料提供了重要的理论依据和实验支持。通过将银纳米颗粒与聚氨酯材料结合，并利用蓖麻油作为基材，可以有效提升材料的综合性能，使其在多个工业领域中具有广泛的应用价值。此外，该材料的绿色合成方法也符合当前可持续发展的趋势，为环保型材料的研发提供了新的思路。

本研究的创新点在于，通过原位合成方法制备银掺杂的聚氨酯纳米复合材料，并对其抗菌和防腐蚀性能进行了系统评估。与传统方法相比，该方法不仅简化了合成过程，还提高了材料的稳定性。此外，通过无催化剂的合成方式，可以进一步降低生产成本，提高材料的环保性。这些优势使得该材料在实际应用中具有更高的可行性。

在实际应用中，该材料可以用于多种场景，包括建筑涂料、工业防腐蚀涂层、医疗设备表面处理以及食品包装材料等。由于其优异的抗菌和防腐蚀性能，该材料在需要长期防护和抗菌功能的领域中具有重要价值。例如，在医疗设备领域，该材料可以有效防止细菌的滋生，提高设备的卫生安全水平。在食品包装领域，该材料可以提供额外的防腐保护，延长食品的保质期。此外，在建筑和工业领域，该材料可以用于防止金属结构的腐蚀，提高建筑的耐久性和安全性。

为了确保该材料的广泛应用，还需要进一步研究其在不同环境条件下的性能表现，以及其在长期使用过程中的稳定性。此外，还需要探索其在不同应用场景中的优化方案，例如调整银纳米颗粒的含量、改变聚合物基体的组成等，以进一步提升其综合性能。同时，还需要评估其在实际应用中的成本效益，确保其在经济上的可行性。

综上所述，本研究通过绿色、可持续的方法制备了银掺杂的聚氨酯纳米复合材料，并对其抗菌和防腐蚀性能进行了系统评估。该材料在多个方面表现出优异的性能，具有广泛的应用前景。通过进一步的研究和优化，有望将其推广至更多实际应用领域，为环境保护和材料科学的发展做出贡献。