《Progress in Organic Coatings》：Polyurethane nanocomposites with hybrid curcumin-clay fillers displaying enhanced surface coating properties
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姜黄素-纳米黏土复合聚脲涂层通过协同作用提升抗微生物性（抑制革兰氏正/阴性菌）、耐紫外线（UV-C）性（降低14%荧光衰减）、热稳定性和阻燃性能，同时减少添加剂依赖。摘要：聚脲纳米复合材料通过整合姜黄素（生物基抗菌剂）与蒙脱土纳米片（增强机械/屏障性能），实现了多功能环保涂层的协同增效，显著降低环境负荷并延长应用寿命。
安贾利·夏尔玛（Anjali Sharma）| 阿尔蒂·夏尔玛（Aarti Sharma）| 金正勇（Jung Yong Kim）| 高拉夫·维尔玛（Gaurav Verma）
作者单位：印度昌迪加尔旁遮普大学（Panjab University）化学工程与技术研究所（原化学工程与技术系），邮编160014
摘要
本研究开发了含有混合姜黄素-粘土填料的聚氨酯纳米复合材料，用于高性能表面涂层，从而有可能减少商业涂料中的添加剂用量。有机姜黄素与二维（2D）纳米粘土（Cloisite 20 A，一种改性蒙脱石）的创新组合产生了粒径在100至150纳米之间的混合纳米填料，这种填料能够通过优先附着在聚氨酯网络的硬段上来有效增强其结构稳定性。吸水研究表明，这种基于混合填料的涂层的抗水性提高了67%，接触角增加了15°，同时热稳定性和阻燃性能也显著提升了90%。在4周的UV-C辐射测试中，荧光强度降低了14%，表明其具有较好的耐UV-C性能。虽然机械韧性提高了27%，但混合涂层在3周后仍无渗出现象，体现了其长期的安全性和可靠性。这些纳米复合材料兼具抗菌性、阻燃性、热机械韧性、100%的防腐保护以及耐UV-C辐射的特性，使其成为延长高接触表面使用寿命（尤其是在生物医学领域）的理想材料。
引言
添加剂和填料在高性能聚氨酯（PU）纳米复合涂层的开发中起着关键作用，使其能够在汽车、生物医学和建筑等领域得到广泛应用，这些领域对材料在恶劣环境条件下的耐受性有较高要求。尽管聚酰亚胺（PI）、聚醚醚酮（PEEK）、环氧树脂、聚硅氧烷、氟聚合物和聚氨酯等高性能聚合物具有优异的热稳定性、机械强度、附着力和耐候性[1]，[2]，[3]，[4]，但许多这类材料在化学性质上较为惰性、不可再生，且可能存在毒性。此外，这些材料受加工温度高、化学性质复杂、回收率低以及依赖石油衍生或环境持久性成分等因素的限制。
为提升PU涂层的性能，人们探索了多种无机和碳基纳米填料；然而，这些材料在可持续性和耐久性方面仍存在挑战。例如，银纳米粒子虽然具有强大的抗菌效果，但存在渗出问题并会影响机械性能；ZnO纳米粒子虽能增强UV-C耐受性，但也存在释放问题；铜基填料会引发皮肤刺激和环境问题；二氧化钛（TiO?）虽然稳定性高且具有自清洁功能，但抗菌效果有限；氧化石墨烯虽然能提高机械强度，但会削弱抗菌性能[7]，[8]。因此，尽管付出了大量努力，许多PU涂层系统在热机械性能、活性成分渗出以及UV-C耐受性方面仍存在不足，通常需要在某一项性能提升的同时牺牲其他性能[5]，[6]。此外，实际应用中还存在白色覆盖度不足、需要频繁重新涂层以及依赖溶剂清洗等问题，这会增加材料消耗和挥发性有机化合物（VOC）排放，从而加剧环境负担。抗菌性能通常仅在实验室条件下进行评估，而在实际高接触环境中的验证不足。因此，亟需开发出耐久、不渗出、耐UV且适用于实际应用的多功能PU涂层。
为了解决这些问题，本研究通过原位聚合技术设计了含有0D和2D纳米填料的混合聚氨酯纳米涂层。这种生物基有机-无机复合系统结合了纳米姜黄素和有机粘土：姜黄素作为一种可再生且无毒的多酚类物质，具有抗菌、抗氧化和界面改性作用，可在低用量下发挥优异性能[9]；其酚羟基和β-二酮基团能与聚氨酯链发生强相互作用，促进均匀分散、增强界面粘附性和应力传递。所选用的有机粘土Cloisite? 20 A是一种经济实惠且工业应用广泛的层状硅酸盐，既能提供机械增强效果，又能作为金属或碳基纳米填料的环保替代品[10]。
所得到的混合PU涂层表现出优异的热机械韧性、不渗出的抗菌性能、更好的UV-C耐受性、出色的防腐效果和阻燃性能。通过针对医院常见病原体（金黄色葡萄球菌和大肠杆菌）的抗菌效果评估，进一步验证了其在实际高接触环境（如金属椅子、栏杆和频繁有人接触的墙面板）中的性能。通过显微镜分析涂层表面细菌定殖情况，发现该涂层能有效延长使用寿命、减少抗菌成分渗出、降低对刺激性化学消毒剂的依赖，并减少重新涂层的频率，从而提高了资源利用效率和环保性能。通过FTIR、XRD、XPS、TEM、AFM和TGA等手段进行了全面的结构、形态和热性能分析，以建立材料结构与性能之间的关系。
材料与方法
本研究使用的聚氨酯单体包括Desmophen? 680 BA（一种支链羟基功能聚酯）和Desmodur? N3390 BA/SN（一种脂肪族聚异氰酸酯HDI双脲酯），催化剂二丁基锡（IV）二月桂酸酯（DBDTL）均免费从印度Covestro India Private Limited公司获得；有机粘土Cloisite? 20 A（C20A）购自美国德克萨斯州的Southern Clay Products, Inc.；纳米姜黄素固体脂质纳米颗粒（NC SLNs，批号240820211PKCmn）由IPK公司提供。
表征
所有样品的X射线衍射（XRD）数据均使用Philips Kα光源（λ = 1.54 ?）在45 kV和40 mA条件下进行测试，扫描范围为3.7°至40°，步长为0.017°，每次扫描时间为24.4秒。结构表征采用Perkin-Elmer公司的FTIR光谱仪在4000–600 cm?1范围内进行。
HF及基于HF的PU纳米复合材料的合成
将有机纳米颗粒溶液滴加到C20A粘土分散液中（图1），形成混合纳米填料。随后将这些混合填料加入PU基体中。图2a展示了纳米姜黄素的HRTEM和EDS结果：在乙醇分散液中，有机颗粒呈球形，粒径约为10–50纳米。元素分析显示碳和氧的原子百分比分别为97.81%和2.91%（补充数据SF1）。
结论
混合纳米粘土/聚氨酯（PU）涂层的性能特点可总结如下：首先，分散性和相互作用得到改善：改性蒙脱石（C20A）的加入显著提升了填料在PU基体中的分散性，纳米粘土和纳米姜黄素均能与PU发生氢键作用，从而提高整体相容性，进而提升涂层性能；其次，协同效应显著
作者贡献声明
安贾利·夏尔玛（Anjali Sharma）：负责撰写、审稿与编辑、原始草稿撰写、方法验证、数据分析、概念构建。阿尔蒂·夏尔玛（Aarti Sharma）：负责撰写、审稿与编辑、数据可视化、结果验证与分析。金正勇（Jung Yong Kim）：负责撰写、审稿与编辑、研究监督、数据分析。高拉夫·维尔玛（Gaurav Verma）：负责撰写、审稿与编辑、原始草稿撰写、数据可视化、结果验证、项目监督、资源协调及方法设计。
利益冲突声明
作者声明以下可能构成利益冲突的情况：高拉夫·维尔玛表示Covestro（印度）公司提供了实验所需的设备、药品或耗材；SAP（新德里）公司提供了财务支持及相关设备、药品或耗材；PURSE（新德里）公司也提供了财务支持及相关资源。
致谢
作者感谢Covestro（印度）公司免费提供所需材料。同时感谢SAP（新德里）、PURSE（新德里，RUSA 2.0项目）和TEQIP-III项目对研究的资助；感谢DST-UT（S&T&RE/RP/147/Sanc/09/2017/1123-1129和S&T&RE/RP/147/e-2873/(22?23)/Sanc/09/2022/907-915项目以及DRDO（DMSRDE Kanpur，TR/0569/CARS-130，日期2021年12月16日）的财政支持。GV还感谢诺丁汉特伦特大学（Nottingham Trent University）的支持。
