IPDI/PCDL型水性聚氨酯上浆剂的分子模拟合成机制及其在碳纤维/尼龙6复合材料中的界面增强作用

为解决碳纤维增强热塑性复合材料界面结合强度不足的问题，研究人员通过分子模拟技术揭示了IPDI/PCDL型水性聚氨酯(WPU)的合成机制，并实验验证了异氰酸根指数(R=n(-NCO)/n(-OH))对材料性能的影响。结果表明，提高R值可显著增强WPU的耐水性、拉伸强度（提升156%）及热稳定性，其制备的碳纤维/尼龙6复合材料层间剪切强度达52.3 MPa，较商用浸润剂提高44.1%。该研究为绿色环保型上浆剂的开发提供了理论依据。

　　

碳纤维增强热塑性复合材料因其可回收性、高冲击抗性和易加工性，在国防、医疗和新能源等领域应用广泛。然而，界面结合强度不足一直是制约其性能提升的瓶颈。传统溶剂型上浆剂存在环境污染问题，而水性聚氨酯(WPU)因其绿色环保和分子结构可设计性成为理想替代品，但合成机制复杂且缺乏理论指导。

为解决这一问题，中国的研究团队通过密度泛函理论(DFT)计算了IPDI/PCDL型WPU合成单体的静电势、原子电荷和Fukui函数等性质，预测反应位点并揭示微观机制：二醇羟基中的O原子攻击异氰酸酯基的C原子发生亲核加成。实验证实，提高异氰酸根指数(R=n(-NCO)/n(-OH))可显著提升材料性能——当R值增加时，WPU薄膜的耐水性、拉伸强度（提高156%）和热稳定性同步增强。更值得注意的是，采用该WPU上浆剂的碳纤维/尼龙6(PA6)复合材料层间剪切强度达到52.3 MPa，比商用浸润剂组提高44.1%。这项发表于《Reactive and Functional Polymers》的研究，不仅完善了WPU合成理论体系，还为绿色高性能复合材料开发提供了新思路。

关键技术包括：1）基于密度泛函理论的分子模拟（计算静电势、前线轨道等）；2）自乳化法制备WPU；3）碳纤维/PA6复合材料界面性能测试。

【计算与合成单体性质分析】
通过DFT计算发现，IPDI的C=O基团静电势为负值，而PCDL羟基O原子带负电荷，表明二者易发生亲核反应。Fukui函数分析进一步确认-NCO基团的C原子为反应活性位点。

【异氰酸根指数影响】
实验显示，当R从1.2增至1.8时，WPU薄膜吸水率下降37%，拉伸强度从18.4 MPa提升至47.2 MPa，热分解温度提高29℃。

【复合材料界面性能】
WPU上浆剂使碳纤维/PA6的层间剪切强度达52.3 MPa，比对照组提高44.1%。分子模拟表明，WPU中的极性基团与PA6形成氢键，而脂肪链与碳纤维产生范德华力，实现双重界面锚定。

该研究首次从原子尺度阐明了WPU合成反应路径，建立的"分子模拟-实验验证-性能优化"研究范式，为功能性高分子设计提供了方法论指导。通过精准调控R值，实现了材料强度与稳定性的协同提升，这对航空航天等领域的高性能复合材料开发具有重要价值。作者团队特别指出，该WPU上浆剂完全不含有机溶剂，符合绿色制造发展趋势。