水性聚氨酯/石墨烯复合涂层玻璃织物的智能可持续上浆及其应变传感行为研究

《Advanced Materials Technologies》：Smart and Sustainable Sizing: Investigating the Sensing Behavior of Glass Fabrics Coated With Waterborne Polyurethane/Graphene Dispersions

本文综述了一种基于水性聚氨酯（WPU）和石墨烯（G）分散体的智能可持续上浆剂，通过单步浸涂技术将绝缘玻璃织物（GFs）转化为具有压阻应变传感功能的“智能”复合材料。研究通过核磁共振（NMR）弛豫时间（T2）评估分散体稳定性，优化后的WPU100G10配方表现出高稳定性（T2=822.7 ms）和均匀涂层形貌。电机械测试显示，涂层织物在循环压缩载荷（1.2–5 kN）下具有可重复的压阻响应，力估计误差低于4%（RMSE），校准曲线线性度高（R2≈1）。该研究为结构健康监测（SHM）提供了一种环保、可规模化替代传统溶剂型体系的新方案。

　　

1 引言

随着轻量化、功能化复合材料在航空航天、风电叶片等领域的广泛应用，纤维增强聚合物（FRP）复合材料的早期损伤监测成为重要挑战。结构健康监测（SHM）系统通过实时检测应变等机械参数，为结构完整性评估提供关键信息。传统SHM技术如应变计、光纤传感器存在侵入性强、覆盖范围有限等问题，而基于纳米填料的压阻应变传感器因其高灵敏度、柔性及大面积监测能力成为研究热点。

石墨烯作为二维sp²杂化碳材料，具有优异的电学、力学性能和可规模化生产优势，其应变传感器的灵敏度（ gauge factor）可达1100，显著高于碳纳米管（CNT）基传感器（最高120）。本研究创新性地通过界面工程策略，将石墨烯/水性聚氨酯（WPU）分散体作为上浆剂直接涂覆于玻璃织物（GFs）表面，构建导电界面层，避免纳米填料在基体中团聚，同时赋予材料压阻特性。

2 材料与方法

2.1 材料

研究采用商业级少层石墨烯（FLG，PureGRAPH AQUA 50-20），平均厚度<10 nm，横向尺寸约50 μm，以20 wt.%水分散浆形式提供；E-玻璃织物（平纹编织，300 g/m²）及水性聚氨酯（Witcobond）为主要原料。

2.2 实验方法

2.2.1 WPUG分散体制备

通过高速剪切混合（3500 rpm, 10 min）和磁力搅拌（48 h）制备不同石墨烯负载量（10%-50%）的WPUG分散体，并通过滴铸成膜进行初步表征。涂层工艺采用单步浸涂法，优化后的WPU100G10（100% WPU粘结剂+10%石墨烯）可实现一次性涂覆形成导电网络。

2.2.2 表征技术

采用拉曼光谱（514 nm激光）和X射线光电子能谱（XPS）分析化学结构；扫描电子显微镜（SEM）观察涂层形貌；核磁共振（NMR）弛豫时间（T₂）定量评估分散体稳定性；电机械测试通过Instron力学试验机与数据采集（DAQ）系统同步监测压阻响应。

3 结果与讨论

3.1 化学分析

拉曼光谱显示复合薄膜中石墨烯的特征G峰（1580.84 cm^?1）强度随填料负载量增加而升高，WPU的C-O伸缩振动（1000-1280 cm^?1）和CH₂弯曲振动（1481.9 cm^?1）峰证实界面相互作用。XPS进一步揭示WPUG10中C-O-C官能团含量升至65.1%，表明石墨烯与WPU间形成醚键等氧官能团，增强界面相容性。

3.2 形貌分析

SEM显示低石墨烯负载量（WPUG10）薄膜表面均匀，而高负载量（WPUG50）出现裂纹和团聚。WPU100G10涂层玻璃织物呈现连续覆盖层，纤维包裹完整，显著优于低粘结剂含量的涂层。

3.3 分散稳定性

NMR弛豫时间测定表明WPU100G10的T₂值最高（822.7 ms），对应最优分散稳定性，归因于WPU分子通过氢键吸附于石墨烯表面，形成空间位阻抑制团聚。

3.4 压阻行为

薄膜传感器中，WPUG10在5000 N循环载荷下表现出稳定、可重复的压阻响应（电导率变化与力线性相关）。涂层织物实验中，单次浸涂的WPU100G10-GF在1.2-5 kN载荷下力估计误差低于4%，校准曲线拟合优度R²≈1。滞后现象主要源于WPU粘结剂的粘弹性和玻璃织物原有硅烷基上浆剂的影响。

4 结论

本研究成功开发了一种水性石墨烯/WPU智能上浆体系，通过优化粘结剂比例（WPU100G10）实现单步涂覆即可赋予玻璃织物压阻传感功能。该体系兼具高灵敏度（RMSE<4%）、环境友好性和工艺简便性，为结构健康监测提供可持续材料解决方案。未来工作将聚焦于长期耐久性、环境适应性及多场景应用验证。