仿生根茎结构生物基超支化水性聚氨酯增强碳纤维/环氧树脂复合材料界面性能

为解决碳纤维(CF)表面惰性导致的树脂基复合材料界面结合强度不足问题，研究人员成功合成具有仿生根茎结构的生物基超支化水性聚氨酯(WPU-M)上浆剂。该研究通过L-苹果酸与聚乙二醇(PEG)酯化合成关键中间体聚醚-聚酯多元醇(MEP)，其超支化结构显著提升CF/EP复合材料的界面性能，界面剪切强度(IFSS)和层间剪切强度(ILSS)分别提升71.20%和39.16%，为高性能碳纤维复合材料界面设计提供新思路。

　　

碳纤维(CF)表面固有的惰性特性往往导致其与树脂基体间的结合力不足，这一瓶颈严重制约了复合材料整体性能的突破。受植物根茎结构启发，科研团队巧妙设计出具有生物仿生特性的超支化水性聚氨酯(WPU-M)上浆剂解决方案。

研究首先通过L-苹果酸与聚乙二醇(PEG)的酯化反应，构建出关键中间体聚醚-聚酯多元醇(MEP)。得益于L-苹果酸的多官能团特性，在聚氨酯合成过程中自发形成独特的超支化网络结构，这种仿生设计完美复现了自然界根茎的高效锚定机制。

当WPU-M应用于碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料时，其三维超支化结构展现出惊人的界面增强效果：不仅有效填补CF表面的微观缺陷，更通过增加极性官能团密度，显著强化了CF与EP间的分子相互作用力。性能测试数据显示，经WPU-M处理的复合材料界面剪切强度(IFSS)和层间剪切强度(ILSS)分别获得71.20%和39.16%的惊人提升。

这项研究开创性地将生物仿生策略引入复合材料界面工程领域，为开发新一代高性能碳纤维复合材料提供了极具前景的技术路线。超支化结构设计理念的突破性应用，标志着复合材料界面优化从传统线性思维向多维拓扑结构设计的范式转变。