河北工業大學潘明旺教授團隊 CEJ：基于Zr-O-Si網絡制備堅固且自愈的防靜電WPU雜化涂層
2024-03-30 來源：高分子科技
水性聚氨酯（WPU）涂層因其出色的環境友好性和施工性而成為傳統溶劑型涂層極具發展潛力的替代品。然而，由于分子結構固有的柔性與剛性的矛盾，現有的自愈合WPU大多表現出粘彈性、不可逆疲勞和損傷、自修復功能與力學性能難以調和等問題。
近期，河北工業大學化工學院潘明旺教授團隊針對力學性能和自修復性能難以調和的問題，提出了利用具有動態可逆鍵的納米粒子實現了WPU復合涂層體系力學性能和自修復能力同時增強的新策略。首先，采用3-氨丙基三乙氧基硅烷修飾正丙醇鋯（TPOZ），增強其與WPU之間的相容性，并通過縮合水解形成動態可逆鍵，賦予其自愈能力。將氨基修飾的TPOZ（A-ZrO2）加入到甘胺酰胺功能化的聚氨酯（WPUGx）網絡中，制備了聚氨酯復合涂層（WPUGx/A-ZrO2）。研究結果表明，該涂層具有優異的斷裂能（50.3 kJ/m2）、彈性恢復能力及抗靜電功能。特別是，該復合涂層在保持了優異的力學性能的同時還具有92.58%的愈合效率，顯示出在柔性電子上應用的潛力。這項研究工作通過使用堅硬且具有可逆共價鍵的納米粒子增強水性涂層體系，解決了力學性能與自愈性能之間難以兼顧的問題，擴大了WPU的應用領域。該工作以“Self-Healing and Antistatic Waterborne Polyurethane Hybrid Coating Resulting from Hard but Reversible Zr-O-Si Networks”為題發表在《Chemical Engineering Journal》上（Chemical Engineering Journal 2024, 487, 150538）。文章第一作者是河北工業大學博士生韓凱，通訊作者為潘明旺教授和潘志成副教授。該研究得到國家自然科學基金委基金項目（52273007, 51973050）和河北省自然科學基金委基金項目（B2022202062）的資助。
圖2 WPUG2.0和WPUG2.0/A-ZrO2薄膜的（a）拉伸應力-應變曲線和（b）真實應力-應變曲線；（c）無缺口和有缺口的WPUG2.0/A-ZrO2薄膜的應力-應變曲線；（d）與先前報道的自愈合材料的斷裂能比較；（e）有缺口WPUG2.0/A-ZrO2樣品的斷裂機制示意圖；（f）原始、延伸和復原的WPUG2.0/A-ZrO2薄膜的照片；（g）WPUG2.0/A-ZrO2薄膜的循環拉伸測試結果；（h）采用記號筆對WPUG2.0/A-ZrO2薄膜進行穿刺測試結果的照片.
該工作是團隊近期關于自修復水性涂層的制備及其性能研究的最新進展之一。聚合物的水性化往往造成涂層的耐水性降低、易發生閃銹、自修復功能與力學性能難以兼顧等問題，極大地限制了其實際應用。為此，團隊針對水性涂層目前存在的問題，研發了一系列多功能自愈合水性涂層，并系統研究了聚合物分子結構與涂層性能之間關系。在過去的兩年中，團隊基于分子結構設計制備了一系列自修復水性涂層，提出了基于有機/無機齊聚物（或共聚物）穩定劑制備水性氟碳復合涂層的新策略（Appl. Surf. Sci. 2022, 602, 154334；Prog. Org. Coat. 2023, 184, 107853），還利用配位化學解決了水性涂層體系的閃銹難題（Chem. Eng. J. 2023, 468, 143573），同時系統地探索了不同的聚氨酯鏈結構對其涂層力學性能和自修復性能的影響關系（Polymer 2022, 264, 124778，ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 19414-19426）。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150538
近期，河北工業大學化工學院潘明旺教授團隊針對力學性能和自修復性能難以調和的問題，提出了利用具有動態可逆鍵的納米粒子實現了WPU復合涂層體系力學性能和自修復能力同時增強的新策略。首先，采用3-氨丙基三乙氧基硅烷修飾正丙醇鋯（TPOZ），增強其與WPU之間的相容性，并通過縮合水解形成動態可逆鍵，賦予其自愈能力。將氨基修飾的TPOZ（A-ZrO2）加入到甘胺酰胺功能化的聚氨酯（WPUGx）網絡中，制備了聚氨酯復合涂層（WPUGx/A-ZrO2）。研究結果表明，該涂層具有優異的斷裂能（50.3 kJ/m2）、彈性恢復能力及抗靜電功能。特別是，該復合涂層在保持了優異的力學性能的同時還具有92.58%的愈合效率，顯示出在柔性電子上應用的潛力。這項研究工作通過使用堅硬且具有可逆共價鍵的納米粒子增強水性涂層體系，解決了力學性能與自愈性能之間難以兼顧的問題，擴大了WPU的應用領域。該工作以“Self-Healing and Antistatic Waterborne Polyurethane Hybrid Coating Resulting from Hard but Reversible Zr-O-Si Networks”為題發表在《Chemical Engineering Journal》上（Chemical Engineering Journal 2024, 487, 150538）。文章第一作者是河北工業大學博士生韓凱，通訊作者為潘明旺教授和潘志成副教授。該研究得到國家自然科學基金委基金項目（52273007, 51973050）和河北省自然科學基金委基金項目（B2022202062）的資助。
圖1 （a）A-ZrO2、（b）WPUGx、（c）WPUGx/A-ZrO2和（d）WPUGx/A-ZrO2復合涂層的制備過程
該工作是團隊近期關于自修復水性涂層的制備及其性能研究的最新進展之一。聚合物的水性化往往造成涂層的耐水性降低、易發生閃銹、自修復功能與力學性能難以兼顧等問題，極大地限制了其實際應用。為此，團隊針對水性涂層目前存在的問題，研發了一系列多功能自愈合水性涂層，并系統研究了聚合物分子結構與涂層性能之間關系。在過去的兩年中，團隊基于分子結構設計制備了一系列自修復水性涂層，提出了基于有機/無機齊聚物（或共聚物）穩定劑制備水性氟碳復合涂層的新策略（Appl. Surf. Sci. 2022, 602, 154334；Prog. Org. Coat. 2023, 184, 107853），還利用配位化學解決了水性涂層體系的閃銹難題（Chem. Eng. J. 2023, 468, 143573），同時系統地探索了不同的聚氨酯鏈結構對其涂層力學性能和自修復性能的影響關系（Polymer 2022, 264, 124778，ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 19414-19426）。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150538
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