高性能环保型硅烷偶联剂改性水性聚氨酯的制备与性能研究

语 针对传统水性聚氨酯(WPU)依赖石化原料、耐水性差、热稳定性不足等问题，研究人员通过分子设计合成硅烷偶联剂(KH-550)封端的生物基水性聚氨酯(SWPU)。以聚乳酸二醇(PLA)和蓖麻油(C.O.)为软段/交联剂，IPDI为硬段，KH-550为封端剂。当KH-550封端率为10%时，SWPU薄膜拉伸强度达43.82 MPa、断裂伸长率731.91%、接触角107.4°、24-h吸水率仅5.75%，同时实现0级附着力。该研究为开发兼具机械性能与环保特性的高性能WPU提供了新策略。

　　

论文解读

在涂层、胶粘剂和纺织领域，水性聚氨酯(WPU)因其环保低VOC特性备受青睐。然而，传统WPU存在三大痛点：依赖不可再生的石化原料、分子链亲水基团导致耐水性不足、以及热稳定性和界面附着力欠佳。这些缺陷严重制约了WPU在高湿环境或高端工业场景的应用。更令人担忧的是，现有改性方案往往顾此失彼——氟化物虽能提升疏水性却带来环境毒性，而物理共混又难以解决组分相容性问题。面对这些挑战，能否通过分子设计开发出兼顾机械强度、耐水性与环保特性的新一代WPU？

郑州大学的研究团队在《Progress in Organic Coatings》发表的研究给出了肯定答案。他们创新性地将生物基原料与硅烷偶联剂改性结合，以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)为硬段、聚乳酸二醇(PLA2000)为软段，2,2-二羟甲基丙酸(DMPA)为亲水扩链剂，蓖麻油(C.O.)为交联剂，并引入3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)作为封端剂，通过"预聚体分散法"合成硅烷改性水性聚氨酯(SWPU)。关键技术包括：1) 分子结构精准设计实现软硬段微相分离；2) KH-550封端率梯度调控(0-15%)；3) 乳液粒径与Zeta电位表征；4) 薄膜力学/热学/表面性能系统评测。

研究结果

纳米乳液特性
SWPU乳液粒径随KH-550添加量增加而增大（89.6→128.4 nm），但所有样品粒径分布均一(PDI<0.2)，且储存6个月无分层。Zeta电位绝对值>44 mV，表明乳液具有优异静电稳定性。

机械与粘附性能
KH-550通过双重作用提升性能：其硅氧烷水解交联增强网络密度，氨基则促进界面结合。当封端率达10%时，薄膜展现最佳综合性能：

• 拉伸强度43.82 MPa（较未改性提升320%）
• 断裂伸长率731.91%
• 剪切强度1.42 MPa
• 附着力达国家标准0级（最高等级）

耐水与疏水特性
KH-550在材料表面形成致密Si-O-Si网络，显著改善疏水性：

• 水接触角从78.3°跃升至107.4°
• 24^-h吸水率由21.4%降至5.75%
• 耐水性测试后外观无变化（未改性WPU已发白脱落）

热稳定性
TGA曲线显示10% KH-550样品最大分解温度(T_max)达372.8°C，较对照组提高23.8°C。硅氧烷网络的热屏障效应有效抑制分子链热运动。

结论与意义

本研究成功构建了"生物基+硅烷封端"双引擎驱动的WPU创新体系：

1. 性能突破：通过10% KH-550封端率精准调控，实现拉伸强度(43.82 MPa)与疏水性(107.4°)的协同提升，打破传统改性中"机械强度-耐水性"难以兼顾的困局。
2. 作用机制：KH-550的氨基增强界面粘附，硅氧烷网络则形成物理化学双重交联，既强化分子链间作用力，又构建表面疏水屏障。
3. 环保价值：以可再生的PLA和蓖麻油替代石油基原料，从源头降低碳足迹。

该SWPU体系在医疗器械防水涂层、环保包装胶粘剂等领域具有广阔应用前景，为发展"高性能-低环境负荷"型高分子材料提供了可推广的技术范式。