航空航天用环氧/热塑性聚氨酯自分层涂层的设计与性能研究

为解决传统多层涂层系统工艺复杂、能耗高及层间粘附缺陷等问题，研究人员创新性地设计了一种环氧/热塑性聚氨酯（TPU）自分层涂层。通过硫化物固化剂降低固化温度至90°C，实现单步分层，显著提升涂层粘附力（ISO 2409评级0级）与机械性能，为航空航天领域提供高效环保的涂层解决方案。

　　

在航空航天领域，涂层的多功能性（如防腐、耐磨、耐候）通常依赖多层堆叠实现，但传统工艺存在流程繁琐、能耗高、层间兼容性差等问题。例如，飞机涂层需承受紫外线、极端温度及化学腐蚀，而多层结构的界面缺陷可能引发腐蚀风险。更棘手的是，逐层涂覆需多次固化，不仅延长工期，还增加溶剂排放。如何通过单次涂覆实现多层功能，成为行业迫切需求。

法国研究人员在《Progress in Organic Coatings》发表研究，首次将环氧树脂（Epoxy）与热塑性聚氨酯（TPU）结合，开发出自分层涂层系统。该团队采用硫基聚合物（PETMP）替代传统胺类固化剂，将固化温度从110°C降至90°C，同时利用硫元素的标记效应追踪分层行为。通过汉森溶解度参数（HSP）筛选低毒性溶剂（乙基乳酸/环己酮），结合差示扫描量热法（DSC）优化固化动力学，最终实现环氧向底层、TPU向顶层的自发分离（Type I分层）。

关键技术包括：1）通过电子探针微区分析（EPMA）和X射线映射验证硫分布；2）ISO 2409和ISO 4624测试粘附性；3）划痕实验评估机械强度。

研究结果
3.1 溶剂与分层预测
汉森参数显示环氧与TPU溶解度球无重叠，预示强不相容性。乙基乳酸/环己酮混合溶剂（蒸汽压3-7 hPa）平衡挥发速率与毒性，促进相分离。

3.2 环氧交联优化
DSC证明PETMP在70°C即可实现95%转化率，较胺类固化剂（IPDA/DETA）节能30%。硫原子嵌入网络为EDX分析提供标记。

3.3 涂层性能

• 分层验证：90°C固化时，硫富集于底层（环氧），TPU富集顶层，形成清晰界面（Type I）。
• 粘附测试：自分层涂层经14天水浸仍保持ISO 2409评级0级，而传统双层体系出现层间剥离（评级2-3级）。
• 划痕抗性：20N载荷下无基底穿透，TPU顶层发挥防护优势。

结论与意义
该研究通过分子设计实现环氧/TPU单步分层，突破传统工艺瓶颈。硫基固化降低能耗，梯度界面避免应力集中，粘附力较双层体系提升200%。未来可拓展至生物基树脂体系，但需进一步研究功能性添加剂（如UV屏蔽剂）的兼容性。这一成果为航空航天涂层轻量化与绿色制造提供新范式。