聚氨酯包覆空心玻璃微球增强水性聚氨酯复合涂层的隔热防水性能研究

为解决深潜装备在高压低温环境下的隔热与防水难题，研究人员通过原位聚合法制备聚氨酯包覆空心玻璃微球（PU-HGMs），并以其为填料开发水性聚氨酯（WPU）复合涂层。结果表明，20 wt% PU-HGMs涂层导热系数降至0.05 W/(m·K)，吸水率仅3.1%，且断裂伸长率达1261%，为环保型潜水服涂层设计提供了新策略。

　　

随着深海勘探和军事侦察需求的激增，传统氯丁橡胶潜水服在高压下易压缩变薄导致隔热失效的问题日益凸显。如何开发兼具轻量化、高隔热和强防水性能的新型潜水材料，成为制约深潜技术发展的关键瓶颈。

中央高校基本科研业务费专项资金（23D110306）支持的研究团队创新性地提出"铠甲式保护"策略：通过KH550硅烷偶联剂对空心玻璃微球（HGM）进行氨基化改性，再采用原位聚合法在其表面构建1.5 μm厚的聚氨酯保护层（PU-HGMs）。这种结构设计既保留了HGM内部稀薄气体层的绝热特性，又通过外层聚氨酯显著提升了微球的抗剪切能力和与水性聚氨酯（WPU）基质的界面相容性。

研究团队运用三大关键技术：傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证了氨基化改性和聚氨酯包覆的成功实施；扫描电镜（SEM）观察到PU-HGMs完整的空心结构；热导率测试结合红外热成像量化了涂层的隔热性能。

材料表征
FTIR显示PU-HGMs在1700 cm^-1处出现聚氨酯特征羰基峰，SEM证实改性后微球表面形成均匀包覆层，未出现结构坍塌。

隔热性能
20 wt% PU-HGMs涂层导热系数较纯WPU降低75.4%，100°C环境下2分钟后表面温度仅49.4°C，红外热像图显示其可有效阻隔热传导。

防水性能
相同填料含量下涂层水接触角达121.33°，吸水率3.1%，归因于聚氨酯层对HGM表面缺陷的密封作用。

机械性能
5 wt% PU-HGMs添加量时涂层拉伸强度0.83 MPa，断裂伸长率1261%，证明聚氨酯层可缓冲应力集中，避免微球破碎。

该研究通过"核壳结构"设计攻克了HGM在加工过程中易破碎的技术难题，开发的WPU/PU-HGMs复合材料兼具超低热导率（0.05 W/(m·K)）和超高延展性（>1000%），其性能指标显著优于传统氯丁橡胶材料。更为重要的是，全水性体系制备工艺符合绿色化学发展趋势，为深海装备、特种防护服等领域的涂层大规模生产提供了可工业化实施的解决方案。研究团队特别指出，聚氨酯包覆层厚度（约1.5 μm）与微球粒径（D(0.5)=74.43 μm）的精确匹配是实现性能突破的关键，这一发现为其他脆性功能填料的改性提供了普适性思路。