高速交通工具的出现极大地提升了人们出行的便利性、效率和多样性。在高速行驶过程中，昆虫尸体、动物油脂，以及雨水、霜、雾气、泥沙等外部环境的变化都会影响并积聚在这些车辆（例如火车、公交车和飞机）的前挡风玻璃上。这些污染物的积聚将严重影响驾驶员和乘客的视线，增加安全隐患。
传统的手动和自动机械擦洗方法已被用来清除这些附着在表面的污染物。这些方法不仅效率低下、劳动密集，还可能对漆面造成潜在的损害，从而缩短其整体使用寿命。在车辆的前挡风玻璃或车身表面涂覆光学透明的保护涂层，可以有效地保持其清洁并减少清洁次数。防腐蚀性能有助于保护底层结构，延长车辆的使用寿命。
防污和自洁涂层主要通过添加低表面张力化合物和/或按照Cassie-Baxter模式构建表面微观结构来制备。传统上，制备防污涂层主要有两种技术，但它们都不适用于实际应用。
在涂层表面添加低表面张力的含氟化合物，可以显著提高表面排斥性。然而，氟化成分会导致生物富集、环境污染以及对人体健康的潜在危害。此外，经过长时间磨损，涂层表面的低表面张力层容易消失，从而导致涂层防污性能的丧失。
提高表面粗糙度可以形成“气穴”，有助于液体污染物脱落，但如果表面微观结构受损，可能会导致防污性能丧失。
遵循可持续发展原则，开发环保涂层是涂层领域的重要研究方向。一种可持续的方法是用可再生的生物基资源（如蓖麻油、棕榈油、淀粉、木质素）替代化石燃料石油基原材料。在众多生物基资源中，蓖麻油和木质素因其含有羟基，可以直接与异氰酸酯聚合，无需改性即可制备聚氨酯。木质素的大分子芳香结构能够增强和增韧聚氨酯涂层，其独特的结构还能使涂层具有持久的紫外线阻隔效果。但木质素的颜色限制了其在制备无色透明生物基聚氨酯涂层中的应用。作为一种生物基多元醇，蓖麻油平均含有2.7个反应基团，可以与异氰酸酯形成交联网络，从而提高聚氨酯的耐腐蚀性、防水性和机械强度，是聚氨酯合成中交联单体的理想选择。
另一方面，传统的油漆或涂料产品中的挥发性有机化合物（VOC）问题可以通过在水性涂料中使用水作为分散介质来解决。但在防污涂料中采用水性技术确实存在一些挑战。引入极性亲水基团对于分散体的稳定性至关重要，但它也会导致对污染物的粘附性增强，从而降低涂层的防污性能。提高涂层的交联密度可以阻止污染物渗透到涂层内部，但过高的交联度可能会通过增大粒径破坏分散体的稳定性。添加大量防污成分可以增强涂层的防污性能，但大量油性低表面张力物质的存在会使其难以获得稳定的分散。因此，在保持分散体稳定性和增强涂层防污性能之间取得平衡是解决水性涂层防污挑战的关键。
目前，提高水性涂层防污性能的主要有两种方法，第一种是在高温下促使低表面张力化合物（如PDMS）向涂层表面迁移，从而形成一层保护性的排斥层，增强涂层的防污性能。第二种是使用额外的异氰酸酯与分散体中的羧基和羟基反应，形成交联网络。目前的策略在平衡分散体稳定性和涂层防污性能方面存在缺陷。当前的水性涂层需要高温固化条件，这不仅会加速涂层老化，导致涂层变黄，而且在基材相容性方面也带来了挑战。对于不能承受高温的基材或吸水性强、在固化过程中容易变形的基材，应用水性涂层可能会遇到困难。也与高温固化相关的大量能源消耗与资源可持续资源发展的原则不相符。
室温交联固化是一种促使交联结构形成的方法，通过固化交联剂与聚氨酯中的基团相互作用实现。与热固化和光固化技术不同，室温交联固化无需资源消耗和专用设备，其制备工艺简单，有利于工业化生产，符合“双碳”目标的要求。目前，室温交联固化主要用于提高涂层的防水性、耐腐蚀性和机械性能，因为它能够在固化后在现有的聚氨酯框架上形成新的交联网络。
以蓖麻油、六亚甲基二异氰酸酯三聚体（HDIT）和二羟甲基丙酸（DMPA）制备稳定的水性聚氨酯分散体，该分散体接枝单甲醇封端的聚二甲基硅氧烷（WPU-g-PDMS）；然后引入氮丙啶交联剂(AZ)，在室温下完全固化，从而获得防污性能优异的透明生物基水性聚氨酯涂层（WPU-g-PDMS/AZ）。
该涂层具有优异的防水性、强大的附着力以及柔韧性，铅笔硬度达到6H，透光率> 90%。涂层表面的各种污染物液体可以轻易滑落，不留痕迹，灰尘颗粒也能用水轻易清洗，表现出自清洁能力。
该涂层还适用多种基材，在经历化学腐蚀或物理磨损后，涂层的防污特性可以在12小时内完全恢复，表现出优异的耐腐蚀性和自修复性能。因此，本研究提出了一种可持续且实用的配方方法，用于制备具有防污、耐腐蚀性、可室温固化的水性聚氨酯涂层。该方法具有高度可扩展性，对于高速铁路、飞机和汽车车身的防污涂层应用具有巨大的前景。
涂层制备示意图及室温下交联反应的化学描述
WPU-g-PDMS/AZ涂层制备示意图及WPU-g-PDMS乳液中羧基与AZ氮丙啶基团在室温下交联反应的化学描述。
数据来源与出处
相关研究成果发表在最新一期的《Progress in Organic Coatings》上。
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