聚氨酯包覆空心玻璃微球增强水性聚氨酯复合涂层的极端环境抗冰除冰性能研究

【编辑推荐】针对深潜装备在高压低温环境下的热防护需求，研究团队通过KH550硅烷偶联剂氨基化改性空心玻璃微球（HGM），采用原位聚合法制备聚氨酯包覆HGM（PU-HGMs），以水性聚氨酯（WPU）为基体开发出导热系数低至0.05 W/(m·K)、吸水率仅3.1%的复合涂层。该材料兼具121.33°疏水角和1261%断裂伸长率，为深海潜水服涂层提供了环保高效的解决方案。

　　

在深海勘探和极地开发加速推进的当下，传统氯丁橡胶潜水服面临高压变形导致的保温失效难题。这种"热保护脆弱性"使潜水员在低温高压环境中面临巨大风险，而现有材料难以兼顾机械强度与热绝缘性能。中央高校基本科研业务费专项资金（23D110306）支持下，研究人员创新性地将目光投向具有天然隔热优势的空心玻璃微球（HGM）——这种内部包裹稀薄气体的微米级球体虽具备0.027-0.053 W/(m·K)的超低导热系数，却因脆性易碎的特性长期无法在高压场景应用。

研究团队通过γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）对HGM表面进行氨基化修饰，突破性地采用原位聚合法构建厚度约1.5 μm的聚氨酯（PU）保护层，成功制备出核壳结构的PU-HGMs复合微球。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实了氨基与异氰酸酯的特征峰（1540 cm^-1和1705 cm^-1），扫描电镜（SEM）则清晰显示完整的空心结构保存。当20 wt% PU-HGMs填充至水性聚氨酯（WPU）基体时，复合材料展现出三重协同效应：热绝缘性能较纯WPU提升75.4%，100℃环境2分钟后表面温度仅49.4℃；疏水角达121.33°且吸水率控制在3.1%；更令人惊喜的是，5 wt%添加量即可使涂层拉伸强度达0.83 MPa，断裂伸长率突破1261%，完美解决传统HGM复合材料"一强就脆"的悖论。

关键技术包括：1）硅烷偶联剂表面氨基化构建反应位点；2）甲苯二异氰酸酯（TDI）原位聚合形成PU保护层；3）层压技术实现织物表面均匀涂覆。通过系统表征发现，PU涂层不仅防止HGM在高剪切加工中破碎，其与WPU基体的极性匹配还显著改善界面相容性，这从断面SEM中填料无脱粘现象得到验证。

研究结论部分强调，该工作通过"微球装甲化"策略攻克了HGM在高压场景的应用瓶颈，其创新点在于：① 1.5 μm PU层使HGM抗剪切强度提升3倍；② WPU/PU-HGMs涂层在5 MPa水压下仍保持0.06 W/(m·K)导热系数；③ 环保工艺实现VOC排放降低80%。这种"铠甲微球"设计理念为深潜装备、极地防护服等特种材料开发提供了新范式，其室温成膜特性更利于工业化放大生产。正如通讯作者Weiwei Dong指出，该技术有望推动第二代智能潜水服的革命性升级，使人类在挑战马里亚纳海沟等极端环境时获得更可靠的热防护保障。