最透明的涂料红(「科研快报」低表面能和杀菌协同增效抗菌机制的透明聚氨酯涂料)

Posted 2023-05-29

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最透明的涂料红(「科研快报」低表面能和杀菌协同增效抗菌机制的透明聚氨酯涂料)

原创Shen GZ 抗菌科技圈

第一作者：Jiujiang Ji

通讯作者：Guojun Liu, Yen Wei , Lin Feng

通讯单位：清华大学，皇后大学，中原基督教大学

研究速览：

近期Jiujiang Ji等人在Chemical Engineering Journal上发表了有关具有低表面自由能和协同增效抗菌机制的透明聚氨酯涂料的研究工作。具有抗菌和抗指纹性能的耐用透明聚氨酯（PU）涂料在新冠疫情爆发后受到了极大的关注。在此，该工作报道了一种具有抗菌性能的改性端羟基聚硅氧烷（PQMS），并且通过共价交联将PQMS与PU结合，形成一种新型耐用的抗菌NP-GLIDE涂层。NP-GLIDE涂层通过低表面自由能和季铵盐（QAs）的协同来增强抗菌。结果表明该涂层体系兼具透明性、抗菌性、耐化学性和耐久性等特点，在电子设备、汽车内饰、智能玻璃和船舶防污等领域具有广阔的应用前景。

要点分析

要点一：在材料设计方面，基于协同增强抗菌机制，结合低表面自由能和季铵盐（QAs）基团，设计了一种具有抗菌性能的端羟基聚硅氧烷（PQMS）并通过共价交联的方式将PQMS与PU结合，形成了一种新型的持久抗菌并且透光率良好的NP-GLIDE涂层。

要点二：在抗菌性能方面，得益于PQMS和QAs功能化表面对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出的优异抗菌活性，体现了低表面能和QAs基团组成的协同增强的抗菌机制作用。同时，实验中可得PU-PQMS-40 % 涂层对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别为99.2 %和 98.6 %。

要点三：在耐久性和耐腐蚀性能方面，由于PDMS的化学惰性，掺杂PDMS的PU涂层通常对各种腐蚀性溶液表现出出色的耐腐蚀性。并且涂层在经过210次循环磨损试验后仍然具有良好的耐磨性。同时，PU-PQMS-40 %涂料在室内环境放置半年以上后对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率仍然在99 %以上。

图文导读

图1 （a）PQMS、多元醇(P1)、HDIT的化学结构和PU-PQMS涂层对革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的接触杀灭过程;（b）PU-PQMS涂层的抗菌和滑动效果示意图和PU-PQMS涂层的抗菌、抗污斑和抗指纹性能演示图。

图2 抗菌性能表征。（a）大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在添加了不同PU-PDMS和PU-PQMS涂层的琼脂平板上的平板照片和PU-PDMS涂层和PU-PQMS涂层对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率;（b）PU-PQMS涂层（摩擦前后）对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的荧光显微镜图像，照片中的比例尺为50μm;（c）玻璃上不同PU-PQMS涂层的照片。

图3 （a）制备的涂层表面对不同pH溶液的接触角和滑动角的比较;（b）pH为1和pH为13的液滴从涂层表面滑下，不留下任何残留物;（c）在不同pH的溶液中浸泡12 h后，涂层表面对水和十六烷的接触角和滑动角的变化;（d）水（蓝色）和十六烷（红色）液滴从强酸处理12h 的涂层表面滑落。

图4 制备的涂层性能。（a）水在涂漆和未涂漆的木板上滑动的快照 ;（b）在涂覆和未涂覆的铝板上滑动的水的照片 ;（c）未涂布区域（左）有明显的墨迹，涂布区域（右）墨迹可以用纸巾轻易擦掉 ;（c）人工指纹液在原始玻璃板（左）和涂覆制备涂层的玻璃板（右）上的行为比较 ;（e）在红色框所围的区域内涂上预制备涂层的智能手机的照片。

图5 （a）SEM图显示了涂层的表面形貌。涂层每30次循环磨损试验后接触角和滑动角的变化;（b）摩擦前涂层表面的SEM照片（纳米池直径约为20 ~ 100 nm），摩擦210次后涂层表面的SEM照片;纳米池直径约为20 ~ 100 nm）;（c）为制备涂层顶表面的AFM形貌图像，均方根粗糙度分别为4.380 nm和1.047 nm ;（d）同一涂层的AFM截面图像，均方根粗糙度分别为5.247 nm和2.346 nm。

结论

本文设计了季铵盐改性端羟基聚硅氧烷（PQMS），并成功地与聚氨酯（PU）结合，形成一种新型耐用的抗菌涂料。该涂层利用低表面自由能和季铵盐（QAs）形成的协同增效抗菌机制，对革兰氏阴性大肠杆菌（99.2%）和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌（98.6%）具有良好的抗菌活性。此外，制备的涂层可应用于广泛的基材，在海洋防污领域具有广阔的应用前景。它还显示出对油墨、十六烷和指纹液的显著驱避性，可以用于防污和防指纹。更重要的是，该涂层在经过210次循环磨损试验后仍然具有良好的耐磨性，这是因为嵌入的PQMS胶束在去除表层后会暴露在表面形成新的PQMS单层。该涂料具有透明、抗菌、耐化学和耐久性等综合性能，在电子器件、汽车内饰、智能玻璃和海洋防污等领域具有广阔的应用前景。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136716

参考文献：Jiujiang Ji, Na Liu, Ye Tian, Xiangyu Li, Huajun Zhai, Shuaiheng Zhao, Yue Liu, Guojun Liu,* Yen Wei,* Lin Feng.* Transparent polyurethane coating with synergistically enhanced antibacterial mechanism composed of low surface free energy and biocide.

Chemical Engineering Journal 445 (2022) 136716