吡啶基化二吲哚基甲烷作为一种用于低碳钢的绿色防腐剂及其在抗菌应用中的潜力

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Pyridinylated diindolylmethane as a green corrosion inhibitor for mild steel and its potential in antimicrobial applications

本研究开发了一种基于蓖麻油的APTES改性聚氨酯涂层，通过FT-IR、DSC等表征证实硅烷成功接入预聚物。冰附着力测试显示COPU-Si涂层在常规和剪切张力下分别为0.2MPa和0.05MPa，显著低于未改性COPU的1.2MPa和0.17MPa。接触角测试和冷冻实验表明涂层具有优异的疏水性和抗冰附着力，且对玻璃纤维基层的附着力超过10MPa，为环保型防冰涂层提供了新方案。

　　在当今环境问题日益突出的背景下，开发具有环保特性的材料成为科研领域的重点方向之一。聚氨酯（Polyurethane, PU）因其优异的机械性能、良好的柔韧性和易于加工的特性，被广泛应用于各种工业领域。然而，传统的PU材料在抗冰性能方面存在一定的局限性，这促使研究人员探索通过化学修饰来提升其冰-疏性（ice-phobicity）。近年来，通过引入特定的硅烷基团，PU材料在抗冰性能方面取得了显著进展。本文介绍了一种基于蓖麻油的PU涂层，通过3-氨基丙基三乙氧基硅烷（3-aminopropyltriethoxysilane, APTES）进行化学修饰，从而实现优异的冰-疏性和水-疏性，同时保持良好的机械性能。

蓖麻油作为一种天然的生物基原料，具有独特的化学结构，其中含有羟基、羧基和不饱和双键，使其成为合成PU的理想选择。蓖麻油基PU材料不仅具备优良的物理性能，还因其可再生来源而被视为可持续材料的重要代表。然而，如何进一步提升其冰-疏性，一直是研究的难点。传统的PU材料通常在低温环境下容易结冰，这不仅影响其使用性能，还可能对设备和结构造成损害。因此，通过化学修饰，尤其是引入硅烷基团，成为改善PU材料冰-疏性的有效手段。

硅烷基团的引入能够显著改变PU材料的表面特性。硅烷分子中含有硅氧烷（Si–O–Si）结构，这种结构能够降低材料表面的表面能，同时增加表面粗糙度，从而形成低表面能的微/纳米结构。这种结构的变化对于冰-疏性具有重要影响。研究表明，当硅烷基团被成功引入到PU材料中时，其冰-附着强度可以大幅降低，甚至达到低于100 kPa的水平。此外，硅烷修饰还能提高材料的水-疏性，使水滴在表面形成稳定的球形，从而减少冰晶的形成和附着。这一特性在寒冷地区或需要防冰保护的设备表面具有重要的应用价值。

本文中所提到的PreCOPU-Si是一种蓖麻油基PU预聚物，经过APTES修饰后，其冰-附着强度显著下降。在正常拉力条件下，PreCOPU-Si的冰-附着强度为0.2 MPa，而在剪切拉力条件下，这一数值进一步降至0.05 MPa，远低于未修饰的PreCOPU（分别为1.2 MPa和0.17 MPa）。这种显著的性能提升得益于APTES的引入，它不仅改善了材料的表面能特性，还增强了其表面结构的复杂性。此外，APTES修饰后的PU涂层表现出优异的机械性能，与玻璃纤维（Fiberglass, FG）基材的粘附力超过10 MPa，这表明该涂层不仅具备良好的抗冰性能，还具有出色的附着力和耐用性。

为了验证APTES修饰对PU材料性能的影响，研究人员采用了多种先进的表征技术。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析显示，APTES成功地结合到了PU预聚物的结构中，形成了新的Si–O–C和Si–O–Si吸收峰，证明了硅烷基团的引入。差示扫描量热法（DSC）进一步揭示了修饰后的材料在热性能上的变化，如玻璃化转变温度的降低，这有助于提高材料在低温环境下的柔韧性和抗冰能力。此外，扫描电子显微镜（FE-SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）分析提供了材料表面微观结构的详细信息，显示了APTES修饰后表面粗糙度的增加以及硅烷基团的均匀分布。核磁共振（NMR）和凝胶渗透色谱（GPC）则用于分析材料的分子结构和分子量分布，进一步确认了APTES修饰对材料化学结构的影响。

除了表面性能的提升，APTES修饰后的PU涂层在实际应用中也表现出良好的稳定性。水接触角的测量结果显示，修饰后的材料具有更高的水-疏性，能够有效减少水滴在表面的停留时间，从而降低冰晶形成的概率。同时，冷冻实验表明，APTES修饰的涂层在低温环境下能够维持稳定的水滴形态，进一步验证了其冰-疏性。这些特性使得该涂层在防冰、防污和自清洁等领域具有广泛的应用前景。

从可持续发展的角度来看，APTES修饰的蓖麻油基PU涂层不仅具有优异的性能，还符合环保和绿色材料的要求。蓖麻油作为一种可再生资源，其来源广泛且对环境的影响较小，而APTES作为一种有机硅化合物，能够通过化学键合的方式与PU材料结合，避免了传统添加方式可能带来的环境污染问题。此外，该涂层的制备过程采用了一种环境友好的湿气固化工艺，无需使用有害的溶剂或高温条件，从而降低了生产过程中的能耗和排放。

在实际应用中，这种新型的PU涂层可以用于各种需要防冰保护的设备和结构，如飞机机翼、输电线路、桥梁、船舶和建筑外墙等。在这些场景中，冰的形成不仅会影响设备的正常运行，还可能带来安全隐患。因此，开发一种能够有效减少冰附着的材料，对于提高设备的安全性和可靠性具有重要意义。同时，该涂层的高机械强度和良好的附着力也使其在需要高强度粘结的工业应用中表现出色。

为了进一步验证该涂层的性能，研究人员进行了多次冻融循环测试，以模拟实际环境中的极端条件。测试结果表明，APTES修饰的PU涂层在经历15次冻融循环后，其冰-附着强度仍保持在15 kPa以下，显示出优异的耐久性和稳定性。这一结果表明，该涂层不仅在短时间内能够有效防止冰的形成，而且在长期使用过程中也能保持其性能，从而为实际应用提供了可靠的技术支持。

此外，APTES修饰的PU涂层在化学稳定性方面也表现出色。实验表明，该涂层在酸性和碱性条件下均能保持良好的性能，这使其适用于多种复杂的环境。同时，该涂层在盐雾环境下的耐久性也得到了验证，显示出良好的抗腐蚀能力。这些特性使得APTES修饰的PU涂层在多种工业和建筑应用中具有广泛的应用潜力。

从材料科学的角度来看，APTES修饰的蓖麻油基PU涂层的成功开发，为新型环保材料的设计和合成提供了重要的参考。通过调整材料的化学结构和表面特性，可以实现多种功能的集成，如水-疏性、冰-疏性、机械强度和化学稳定性。这种多功能性的实现，不仅拓展了PU材料的应用范围，也为可持续材料的发展提供了新的思路。

总之，本文所介绍的APTES修饰的蓖麻油基PU涂层，是一种具有显著抗冰性能的新型环保材料。其优异的性能源于硅烷基团的引入，使得材料表面具有更低的表面能和更高的粗糙度，从而有效减少冰的附着。同时，该涂层在机械性能和化学稳定性方面也表现出色，使其在多个领域具有广泛的应用前景。随着全球对可持续材料需求的不断增长，这类材料的研发和应用将成为未来材料科学的重要方向之一。