增强了防冰性能，采用了一种通过水分固化处理的从蓖麻油中提取的硅烷化聚氨酯涂层

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Enhanced ice-phobic properties, harnessing a moisture-cure castor oil-derived silanized polyurethane coating

冰附着力显著降低的APTES改性蓖麻油基聚脲防冰涂层制备及其性能研究。采用控制反应合成APTES修饰的PreCOPU-Si prepolymer，经潮湿固化形成COPU-Si涂层，冰附着力强度由未改性的1.2 MPa降至0.2 MPa（常规）和0.05 MPa（剪切），接触角达104.3°，机械性能优异且环保。

　　本文探讨了一种基于蓖麻油的冰拒性聚氨酯（PU）涂层的开发与性能评估。这种涂层通过引入3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）进行化学修饰，旨在提高其疏水性和冰拒性能，从而在寒冷环境中提供有效的防冰保护。随着全球对可持续材料和环保技术的关注不断增加，研究人员正致力于开发更加绿色和高效的涂层材料，以替代传统的石油基涂层。蓖麻油作为一种天然来源的生物基聚醚，因其丰富的羟基、羧基和不饱和基团，具有高度的化学活性，使其成为制备高性能PU涂层的理想原料。

研究中合成的蓖麻油衍生硅烷化预聚物（PreCOPU-Si）与未硅烷化的预聚物（PreCOPU）相比，在性能上表现出显著的提升。通过水分固化形成的涂层（COPU-Si和COPU）成功地将硅烷基团整合进材料结构中，进一步改善了其表面特性。实验结果显示，COPU-Si在正常拉力和剪切拉力下的冰附着强度分别降至0.2 MPa和0.05 MPa，远低于未经修饰的COPU（分别为1.2 MPa和0.17 MPa）。这一显著的性能提升主要归因于硅烷化处理所带来的表面能降低和表面粗糙度增加，从而增强了涂层的疏水性和冰拒能力。

为了验证涂层的冰拒性能，研究人员还进行了水接触角测量和结冰实验。结果显示，COPU-Si具有更高的疏水性，其水接触角明显增大，表明表面不易被水润湿。此外，结冰实验进一步证实了其在低温条件下的优异表现，冰附着现象被有效抑制，同时水滴在涂层表面保持稳定的形态，未发生明显的合并或扩散。这些特性使得COPU-Si在防冰应用中表现出色，特别是在户外设施、交通运输工具和建筑结构等易受冰冻影响的领域。

除了冰拒性能，COPU-Si还表现出优异的机械性能。其与玻璃纤维（FG）基材的粘附力超过了10 MPa，显示出强大的结合能力。这一特性对于需要长期耐候性和高附着力的应用尤为重要，例如航空器表面、电力设备外壳和户外运动器材等。相比之下，传统PU涂层在机械性能和环境适应性方面往往存在不足，而COPU-Si的开发为这些问题提供了新的解决方案。

研究团队还强调了该涂层的可持续性和环保优势。蓖麻油作为一种可再生资源，其使用不仅减少了对化石燃料的依赖，还降低了生产过程中的碳排放。此外，硅烷化处理避免了对额外添加剂的需求，简化了涂层的配方和制备过程，使其更加经济和环保。这种一体化设计使得COPU-Si成为一种理想的替代材料，能够满足现代工业对高性能、低环境影响材料的需求。

在研究过程中，团队采用了多种先进的表征技术，包括傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、差示扫描量热法（DSC）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、核磁共振（NMR）和凝胶渗透色谱（GPC）。这些技术的综合应用有助于全面了解涂层的化学结构、物理形态和分子量分布，从而确保其性能的稳定性和可重复性。FT-IR分析显示，硅烷基团成功整合进聚氨酯基质中，形成了Si–O–C和Si–O–Si的特征吸收峰，表明硅烷化过程有效改变了材料的化学结构。DSC测试进一步揭示了涂层在热行为上的变化，证明了其在不同温度条件下的稳定性能。FE-SEM和EDS图像则展示了涂层表面的微观结构和元素分布，为理解其冰拒机制提供了直观的证据。

此外，研究团队还对涂层的化学稳定性和耐久性进行了评估。结果显示，COPU-Si在酸性和碱性条件下均表现出良好的化学抗性，能够在恶劣环境中保持其性能。在盐水条件下的测试也表明，该涂层具有出色的耐腐蚀能力，适用于海洋或高盐度环境。这些性能的综合表现，使得COPU-Si不仅在防冰方面表现出色，还在多种工业应用场景中具备广泛的适用性。

本研究的创新之处在于将APTES直接整合进预聚物骨架中，而非依赖于外部添加的硅烷试剂。这种一体化设计不仅简化了涂层的制备流程，还提高了其整体性能和环境适应性。与传统的UV固化技术相比，水分固化方法能够在常温下进行，降低了对特殊设备和操作条件的依赖，使得该技术更加实用和经济。这种新型涂层的开发为未来冰拒材料的研究和应用提供了重要的参考价值。

研究团队在实验过程中还对原材料的来源和特性进行了详细说明。例如，n-丁基醋酸酯（BA）和丙酮作为溶剂，蓖麻油作为生物基聚醚，异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）作为交联剂，APTES作为功能性硅烷试剂，TEGO AIREX 990作为消泡剂，这些材料的选择和配比对于最终涂层的性能至关重要。通过系统的实验设计和优化，研究人员成功制备了一种具有优异冰拒性能和机械强度的涂层，其在实际应用中展现出良好的前景。

综上所述，本研究通过硅烷化处理显著提升了蓖麻油基聚氨酯涂层的冰拒性能和机械性能，同时保持了其环保和可持续性。这种新型涂层不仅在功能上满足了现代工业对高性能材料的需求，还在生产过程中减少了对环境的负担。未来，随着对冰拒材料研究的深入，这种基于天然资源的涂层有望在更多领域得到应用，为实现绿色制造和可持续发展提供有力支持。