关于新型糖酰胺有机硅季铵盐对织物表面长期改性的研究

《Progress in Materials Science》：Study on the long-term modification of fabric surface by novel glycosylamide organosilicones quaternary ammonium salts

基于“氢键网络重构”策略的高性能透明甲壳素涂层通过物理球磨和丙酸化协同改性克服了甲壳素结晶度高、难溶等问题，实现超低表面能（17.4 mJ/m2）、超疏水/疏油性（水接触角110.7±0.8°，二碘甲烷80.9±1.9°）、抗腐蚀（腐蚀电流密度降低20倍）及机械稳定性（6H铅笔硬度），适用于电子显示和太阳能板等精密设备防护。

　　这项研究聚焦于开发一种高性能的、透明的基于壳聚糖的涂层，这种涂层同时具备抗污和抗腐蚀的特性。壳聚糖作为一种天然的生物基多元醇，具有广泛的应用潜力，尤其是在绿色生物基涂料领域。然而，由于其分子间氢键作用力强、结晶度高，壳聚糖的溶解性和加工性一直受到限制，从而阻碍了高性能、环保型生物质涂料的发展。为此，研究人员提出了一种创新的“氢键网络重构”策略，通过物理化学协同改性破坏壳聚糖的微观结构，从而克服其溶解性障碍。这一策略不仅提升了壳聚糖的溶解性能，还为其在高性能涂层中的应用奠定了基础。

研究中，采用了一种名为“球磨处理”（Ball-Mill Grinding, BMG）的物理方法，对壳聚糖进行处理，以物理方式破坏其晶体结构并提高反应活性。随后，通过MSA-PAnh-PA体系进行丙二酰化反应，进一步通过化学手段削弱壳聚糖分子间的氢键网络，从而降低其结晶度。这种物理与化学相结合的改性方法，使得丙二酰化的壳聚糖在有机溶剂中表现出优异的溶解性。此外，研究人员通过精确控制反应条件，成功制备出一种具有窄分子量分布（PDI = 2.956）、中等丙二酰化程度（DOP = 74%）以及明确剩余羟基数量（22.5个羟基/链）的生物基多元醇（BMG-A1:0）。这种多元醇的结构特征为后续的涂层构建提供了理想的基质。

在涂层构建过程中，研究人员采用了一种巧妙的设计策略：首先，将单羟基末端的聚二甲基硅氧烷（PDMS-OH）预先接枝到HDIT（六亚甲基二异氰酸酯三聚体）上，形成HDIT-g-PDMS。然后，将这种接枝产物与丙二酰化的壳聚糖多元醇进行反应。这一设计不仅避免了宏观相分离，确保了涂层的高透明度，还使PDMS链段在涂层表面富集，形成动态的“刷状”结构。PDMS的固有低表面能和化学惰性赋予了涂层超低表面能（17.4 mJ·m?2），同时提升了其对水和二碘甲烷的排斥能力，使得接触角分别达到110.7 ± 0.8°和80.9 ± 1.9°。这些性能指标表明，该涂层具有出色的自清洁能力和抗污能力。

除了表面性能的提升，涂层的内部结构也经过了精心设计。通过HDIT与多元醇之间的高密度尿烷键形成，以及系统中重构的强氢键网络，涂层展现出卓越的机械性能。具体表现为6H铅笔硬度和A1级附着力，这表明涂层具有良好的耐磨性和抗刮擦能力。同时，涂层在化学稳定性方面也表现出色，能够耐受多种化学试剂的侵蚀，并在10天的盐水浸泡后依然保持无腐蚀性。与裸铁相比，其腐蚀电流密度（Icorr）降低了20倍，这一显著的提升证明了其在抗腐蚀方面的优势。

此外，该涂层还保持了高达95%的光学透明度，这一特性对于其在精密设备上的应用至关重要。例如，电子显示屏和太阳能板等对透光性有较高要求的设备，能够受益于这种透明且耐用的保护涂层。通过这种“氢键网络重构”策略，研究人员不仅克服了壳聚糖在传统酰化方法中的结晶残留问题，还实现了其在高性能涂层中的有效利用。该涂层的综合性能，包括高透明度、高机械强度、超低表面能、优异的抗污能力和抗腐蚀能力，使其成为一种理想的绿色、可持续的防护材料。

从环保角度来看，该研究的成果为开发具有生态可持续性和工业价值的高性能生物质涂料提供了新的思路。传统的石油基涂料虽然性能优异，但其难以降解的特性给环境带来了长期的污染压力。相比之下，基于壳聚糖的涂料来源于可再生资源，且在使用过程中表现出良好的环境友好性。这种材料的开发不仅有助于减少对化石燃料的依赖，还能降低工业生产过程中的环境负担，符合当前绿色制造和可持续发展的趋势。

该研究的创新点在于“氢键网络重构”策略的提出和应用。通过物理和化学手段的协同作用，研究人员成功地削弱了壳聚糖分子间的氢键网络，从而显著改善了其溶解性和加工性。这一策略的突破，使得壳聚糖能够作为高性能涂层的基质材料，而不再受限于其固有的物理化学性质。同时，PDMS的引入为涂层提供了额外的低表面能和动态结构，使得涂层在实际应用中表现出更全面的性能。这种多维度的材料设计思路，为未来生物质材料在高性能涂层领域的应用提供了重要的参考。

在实际应用方面，这种新型涂层具有广泛的应用前景。首先，其优异的抗污和自清洁能力使其在电子设备、建筑玻璃、汽车部件等领域具有重要价值。例如，在电子显示屏上使用这种涂层，可以有效防止灰尘和污渍的积累，从而延长设备的使用寿命并降低维护成本。在建筑玻璃上，这种涂层能够减少表面污染，提升视觉清晰度和能源效率。对于太阳能板等光能转换设备，高透明度和抗污性能有助于提高其能量吸收效率和运行稳定性。

其次，该涂层的抗腐蚀能力使其在金属材料的表面保护方面表现出色。通过将PDMS与HDIT结合，研究人员不仅赋予了涂层优异的机械性能，还增强了其对腐蚀性物质的抵抗力。这种特性使得涂层能够广泛应用于金属设备的表面处理，特别是在高湿、高盐或工业污染严重的环境中，能够有效延长设备的使用寿命并减少维护成本。此外，这种涂层的环境友好性也使其在工业设备和建筑结构的防护中具有重要优势。

从技术角度来看，该研究的成果不仅推动了壳聚糖在高性能材料领域的应用，也为其他高结晶度、强氢键网络的生物质材料提供了新的改性思路。通过物理化学协同改性，研究人员成功地克服了传统改性方法中难以解决的问题，即如何在不破坏材料结构的前提下提升其溶解性和加工性。这种改性方法的可扩展性意味着未来可以应用于更多类型的生物质材料，从而推动绿色材料技术的发展。

此外，该研究还强调了绿色制造路径的重要性。在材料的合成和加工过程中，研究人员采用了环境友好的方法，减少了对有害化学试剂和高温高压条件的依赖。这种绿色制造方式不仅降低了生产成本，还减少了对环境的污染，符合当前工业发展的趋势。通过这种可持续的制造路径，研究人员成功地将壳聚糖这一天然资源转化为高性能的防护材料，实现了从原料到成品的绿色转化。

该研究的成果也具有重要的学术价值。通过对壳聚糖的物理化学改性，研究人员揭示了氢键网络在材料性能中的关键作用，并探索了如何通过重构氢键网络来提升材料的综合性能。这一发现为未来的材料科学研究提供了新的理论依据，也为开发新型生物基材料提供了实践指导。同时，该研究的实验方法和设计思路也为其他研究人员提供了可借鉴的范例，有助于推动相关领域的技术进步。

总的来说，这项研究通过“氢键网络重构”策略，成功地开发出一种高性能、透明且环保的壳聚糖基涂层。该涂层不仅克服了壳聚糖在传统应用中的性能瓶颈，还展现出卓越的抗污、自清洁和抗腐蚀能力，使其在多个工业领域中具有广阔的应用前景。通过这种创新性的材料设计和绿色制造路径，研究人员为生物质材料的高性能化和可持续利用提供了新的解决方案，同时也为推动绿色科技的发展做出了重要贡献。