生物基双交联聚脲涂层的分子工程设计与摩擦学性能强化研究

工业摩擦磨损导致的材料损耗对经济可持续性构成严峻挑战。郑州大学团队通过分子工程将生物基聚碳酸酯二醇(PPCDL)引入聚天冬氨酸脲-聚氨酯(ASPU)体系，构建共价-非共价双交联网络，在NCO/NH比为1.45时获得拉伸强度40.6±0.7 MPa、磨损量降低59.4%的优异性能，为绿色工业防护涂层开发提供新策略。

　　

材料磨损造成的经济损失每年高达数十亿美元，传统防护涂层在机械强度与耐磨性之间难以兼顾。石油基原料的环境负担与溶剂型聚氨酯的高VOC排放更是雪上加霜。面对这些挑战，郑州大学绿色催化中心的研究团队独辟蹊径，从生物基材料中寻找解决方案——他们创新性地将二氧化碳衍生的聚碳酸酯二醇(PPCDL)与聚四氢呋喃(PTMEG)组合，通过分子设计构建出具有双重交联网络的"超级涂层"，相关成果发表在《European Polymer Journal》。

研究团队采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)验证氢键网络形成，通过动态力学分析(DMA)评估交联密度，采用万能试验机测试力学性能，并设计1000次循环磨损实验量化耐磨性。特别值得注意的是，团队系统研究了-NCO/-NH化学计量比(1.25-1.65)对材料性能的影响规律。

【结构表征】红外光谱在3325 cm^-1处出现脲键特征峰，1708 cm^-1处羰基峰分裂证实氢键交联网络形成。PPCDL的引入使涂层表干时间延长至190±10分钟，解决了传统聚脲施工窗口不足10秒的行业痛点。

【机械性能】当NCO/NH比为1.45时，材料展现惊人的强度-韧性平衡：拉伸强度达40.6±0.7 MPa的同时，断裂伸长率保持891.1±24.0%。剪切强度3.7±0.1 MPa，附着力等级0级，远超常规聚氨酯涂层。

【耐磨耐蚀】PPCDL改性使1000次磨损质量损失从37.3±5.8 mg降至13.6±2.3 mg，降幅达59.4%。吸水率从2.98%降至1.97%，盐雾试验显示腐蚀速率降低42%。

这项研究通过巧妙的分子设计，让生物基PPCDL中的碳酸酯基团与脲键形成高密度氢键网络，与共价交联产生协同效应。相比传统填充改性方法，该技术避免了纳米粒子团聚导致的性能不稳定，同时显著降低VOC排放。研究不仅为工业装备延寿提供新材料选择，更开创了二氧化碳资源化利用的新途径——每吨PPCDL可消耗0.4吨CO₂，实现了环境效益与经济效益的双赢。正如通讯作者Xingjiang Liu强调的，这种"自然启发"的双重交联策略可拓展至其他高性能聚合物设计领域，为绿色制造提供普适性解决方案。