河北工业大学潘明旺教授团队 CEJ：基于Zr-O-Si网络制备坚固且自愈的防静电WPU杂化涂层

2024-03-30 来源：高分子科技

水性聚氨酯（WPU）涂层因其出色的环境友好性和施工性而成为传统溶剂型涂层极具发展潜力的替代品。然而，由于分子结构固有的柔性与刚性的矛盾，现有的自愈合WPU大多表现出粘弹性、不可逆疲劳和损伤、自修复功能与力学性能难以调和等问题。

近期，河北工业大学化工学院潘明旺教授团队针对力学性能和自修复性能难以调和的问题，提出了利用具有动态可逆键的纳米粒子实现了WPU复合涂层体系力学性能和自修复能力同时增强的新策略。首先，采用3-氨丙基三乙氧基硅烷修饰正丙醇锆（TPOZ），增强其与WPU之间的相容性，并通过缩合水解形成动态可逆键，赋予其自愈能力。将氨基修饰的TPOZ（A-ZrO2）加入到甘胺酰胺功能化的聚氨酯（WPUGx）网络中，制备了聚氨酯复合涂层（WPUGx/A-ZrO2）。研究结果表明，该涂层具有优异的断裂能（50.3 kJ/m2）、弹性恢复能力及抗静电功能。特别是，该复合涂层在保持了优异的力学性能的同时还具有92.58%的愈合效率，显示出在柔性电子上应用的潜力。这项研究工作通过使用坚硬且具有可逆共价键的纳米粒子增强水性涂层体系，解决了力学性能与自愈性能之间难以兼顾的问题，扩大了WPU的应用领域。该工作以“Self-Healing and Antistatic Waterborne Polyurethane Hybrid Coating Resulting from Hard but Reversible Zr-O-Si Networks”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上（Chemical Engineering Journal 2024, 487, 150538）。文章第一作者是河北工业大学博士生韩凯，通讯作者为潘明旺教授和潘志成副教授。该研究得到国家自然科学基金委基金项目（52273007, 51973050）和河北省自然科学基金委基金项目（B2022202062）的资助。

图1 （a）A-ZrO2、（b）WPUGx、（c）WPUGx/A-ZrO2和（d）WPUGx/A-ZrO2复合涂层的制备过程

图2 WPUG2.0和WPUG2.0/A-ZrO2薄膜的（a）拉伸应力-应变曲线和（b）真实应力-应变曲线；（c）无缺口和有缺口的WPUG2.0/A-ZrO2薄膜的应力-应变曲线；（d）与先前报道的自愈合材料的断裂能比较；（e）有缺口WPUG2.0/A-ZrO2样品的断裂机制示意图；（f）原始、延伸和复原的WPUG2.0/A-ZrO2薄膜的照片；（g）WPUG2.0/A-ZrO2薄膜的循环拉伸测试结果；（h）采用记号笔对WPUG2.0/A-ZrO2薄膜进行穿刺测试结果的照片.

该工作是团队近期关于自修复水性涂层的制备及其性能研究的最新进展之一。聚合物的水性化往往造成涂层的耐水性降低、易发生闪锈、自修复功能与力学性能难以兼顾等问题，极大地限制了其实际应用。为此，团队针对水性涂层目前存在的问题，研发了一系列多功能自愈合水性涂层，并系统研究了聚合物分子结构与涂层性能之间关系。在过去的两年中，团队基于分子结构设计制备了一系列自修复水性涂层，提出了基于有机/无机齐聚物（或共聚物）稳定剂制备水性氟碳复合涂层的新策略（Appl. Surf. Sci. 2022, 602, 154334；Prog. Org. Coat. 2023, 184, 107853），还利用配位化学解决了水性涂层体系的闪锈难题（Chem. Eng. J. 2023, 468, 143573），同时系统地探索了不同的聚氨酯链结构对其涂层力学性能和自修复性能的影响关系（Polymer 2022, 264, 124778，ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 19414-19426）。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150538

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（责任编辑：xu）

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