碳纤维（CF）因其优异的拉伸和弯曲强度，在汽车、建筑、航空航天和医疗器械等多个行业中得到了广泛应用。碳纤维表面固有的化学惰性以及在工业生产过程中产生的缺陷和沟槽，通常会导致其润湿性和机械性能不佳，这在很大程度上限制了其潜在的应用范围。为了解决这些问题，使用高效、可及性和粘附性优异的水性聚氨酯（WPU）作为碳纤维的上浆涂层，已成为一种重要的解决方案。
经过水性聚氨酯（WPU）涂层处理的碳纤维（CF）不仅具有优异的耐腐蚀性和附着力，而且有机涂层引入了更多的极性官能团，能够积极参与CF表面的化学物理反应，从而增强了纤维的表面能和化学活性。WPU上浆涂层能够为CF构建额外的外部承载界面并修复缺陷，这对CF的机械性能有积极的影响。但仅使用羧酸盐作为亲水单元制备的传统聚氨酯（CWPU）仍然存在涂层强度不足、粘合强度差以及过度依赖石化资源的问题。为了提升WPU上浆涂层在碳纤维工业中的应用性能，可以通过引入具有优异亲水性的氨基磺酸盐链段和添加能够构建化学交联结构的交联剂来增强聚氨酯的功能。
与由不可再生石油产品制成的传统聚氨酯相比，使用生物衍生物制备的生物基水性聚氨酯能够避免并最大限度减少石化产品所带来的负面影响，如挥发性有机化合物（VOC）的排放、化石能源的消耗以及较高的生产成本。蓖麻油（CO）是一种天然的非食用植物提取物，具有许多活性基团，包括酯和羟基，因其优异的可再生性和延展性而被用于CWPU。蓖麻油（CO）不仅成本效益高且环保，而且平均羟基官能团为2.7，为WPU提供了高度的自交联和支化的柔性网络，从而提高了热稳定性和粘附性。
近期，长春工业大学的吴广峰/刘丽团队开发了一种用于碳纤维（CF）的新型磺化生物基水性聚氨酯（SWPU）上浆涂层。该涂层不仅提高了CF的弯曲和拉伸强度，而且修复了纤维表面的缺陷、改善了表面粗糙度和润湿性。
采用蓖麻油（CO）代替石油基石化产品作为软链段，二羟甲基丁酸和氨基磺酸盐（A95）分别作为前、后扩链剂，三羟甲基丙烷（TMP）作为分子内交联剂，合成制备出氨基磺酸盐/羧酸盐生物基SWPU上浆涂层。CO-TMP超支化交联网络的构建和极性氨基磺酸盐增强的氢键效应有助于提高SWPU上浆涂层的分子间相互作用和构型稳定性。SWPU表现出良好的热机械性能，分解温度（T5%）为297.83℃，韧性为35.24 MJ/m3。
经SWPU上浆处理的CF的表面能和拉伸强度分别达到43.75mN/m和5.68GPa，相比原始CF分别提高了45.4%和30.7%。SWPU软链段由可再生植物提取物合成，减少了石化资源的消耗，降低了污染物的排放，节约了生产成本。因此，本研究为开发高性能、环保型生物基上浆涂层提供了技术支持，有助于其在工业化生产中的应用。
SWPU分散体合成工艺路线
SWPU-CF的制备路线
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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