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研究人員利用聚氨酯包覆空心玻璃微球提升深潛服隔熱與防水性能

文章來源：環(huán)球聚氨酯網(wǎng) 更新時(shí)間：2025-07-25 14:23:07

隨著深海能源開發(fā)和軍事偵察等水下活動的快速發(fā)展，潛水服作為維持人類極端環(huán)境生存的關(guān)鍵裝備，其熱調(diào)節(jié)能力直接關(guān)系到操作者的安全與耐受時(shí)長。傳統(tǒng)氯丁橡膠泡沫潛水服在高壓下易壓縮變薄，導(dǎo)致隔熱性能急劇下降。而水性聚氨酯（Waterborne Polyurethane, WPU）因其環(huán)保特性（VOC排放減少80%以上）和可調(diào)控的力學(xué)性能，成為理想替代材料。然而，單純WPU的隔熱性能不足，而直接添加空心玻璃微球（Hollow Glass Microspheres, HGM）又面臨微球易破碎、與基體相容性差等挑戰(zhàn)。

針對這一技術(shù)瓶頸，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（23D110306）支持的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出通過原位聚合在HGM表面構(gòu)建聚氨酯保護(hù)層。研究人員首先用KH550對HGM進(jìn)行氨基化改性，隨后通過甲苯二異氰酸酯（TDI）與聚醚多元醇反應(yīng)，在微球表面形成厚度約1.5 μm的聚氨酯涂層（PU-HGMs）。通過掃描電鏡（SEM）和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）證實(shí)了涂層的成功構(gòu)建，并系統(tǒng)研究了不同PU-HGMs含量（5-20 wt%）對復(fù)合涂層性能的影響。

關(guān)鍵技術(shù)包括：1）硅烷偶聯(lián)劑表面氨基化改性；2）原位聚合構(gòu)建聚氨酯保護(hù)層；3）層壓技術(shù)制備復(fù)合涂層；4）通過導(dǎo)熱系數(shù)測試、紅外熱成像和水接觸角測量等評價(jià)性能。

微觀結(jié)構(gòu)表征

SEM顯示PU-HGMs完整保留了HGM的空心結(jié)構(gòu)，聚氨酯涂層顯著提升了微球的抗剪切能力。FTIR在2920 cm-1和2850 cm-1處檢測到-CH2-特征峰，證實(shí)了聚氨酯層的存在。

隔熱性能

含20 wt% PU-HGMs的涂層導(dǎo)熱系數(shù)降至0.05 W/(m·K)，較純WPU降低75.4%。100°C環(huán)境下2分鐘后表面溫度僅49.4°C，紅外熱像顯示其隔熱性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料。

防水性能

相同配比涂層水接觸角達(dá)121.33°，吸水率僅3.1%，歸因于聚氨酯層的疏水性和微球結(jié)構(gòu)完整性。

力學(xué)性能

5 wt% PU-HGMs添加量時(shí)，涂層拉伸強(qiáng)度達(dá)0.83 MPa，斷裂伸長率高達(dá)1261%，表明聚氨酯涂層具有顯著增韌效果。

該研究通過創(chuàng)新性的"微球裝甲化"策略，成功解決了HGM在高壓加工中的易碎難題。聚氨酯保護(hù)層不僅提升了填料與WPU基體的界面相容性，還通過極性匹配實(shí)現(xiàn)了填料的均勻分散。所開發(fā)的復(fù)合涂層兼具優(yōu)異隔熱（導(dǎo)熱系數(shù)接近靜止空氣）、超低吸水和柔性可拉伸特性，為深潛服、特種防護(hù)服等功能涂層的大規(guī)模制備提供了理論依據(jù)和技術(shù)方案。特別是其環(huán)保特性（無溶劑、無游離異氰酸酯）符合綠色化學(xué)發(fā)展趨勢，在海洋裝備領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。研究還啟示通過調(diào)控聚氨酯層厚度（本研究約1.5 μm）可平衡力學(xué)與隔熱性能，為多功能涂層設(shè)計(jì)提供了新思路

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