《European Polymer Journal》：High-performance functionalized waterborne polyurethane coatings
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本文系统分析水基聚氨酯（WPU）涂层的化学结构与其性能（机械强度、耐磨损性、超疏水性和自修复能力）的关联性，提出通过交联网络构建、纳米填料复合和功能基团引入实现性能优化的策略，并探讨其在绿色可持续发展及新能源、智能设备等新兴领域的应用潜力。
丁博宇|李江龙|帅朗|文建龙|余水|徐盈盈|聂一静
江苏大学材料科学与工程学院聚合物材料研究所，中国镇江市学府路301号，212013
摘要
本文综述了水性聚氨酯（WPU）涂层的化学结构与其性能之间的关系，探讨了现代WPU系统中的关键性能瓶颈和功能化挑战。通过构建交联网络、引入纳米颗粒或添加官能团，WPU涂层可以实现高强度、耐磨性、耐腐蚀性、超疏水性和自修复能力等优异性能。文章还强调了材料科学中绿色发展的意义，包括生物降解性、可回收性和低碳工艺设计。此外，还探讨了WPU涂层在环境保护、健康和可持续发展领域的潜力及未来发展方向，特别关注其在新能源和智能设备中的应用。
引言
聚合物材料在现代社会中得到广泛应用，但其生产和处置对环境、资源和健康带来了挑战。为解决这些问题，聚合物材料的发展正朝着环保、资源节约、低碳、健康和可持续的方向发展[1]、[2]。
聚乳酸（PLA）和聚羟基烷酸酯（PHA）等聚合物材料可以在自然环境中降解，从而减少白色污染。然而，这些材料的生产仍面临高成本和机械性能不足的问题。此外，改进材料设计和回收技术以提高其可回收性至关重要。目前，关于如何化学回收和再利用可降解塑料的研究工作逐渐增多，其中一个核心科学问题是开发清洁高效的回收系统[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。
通过填充纳米填料和混合，可以提升聚合物材料的性能，延长使用寿命并减少资源消耗。传统的聚合物生产主要依赖石油，生产过程消耗大量不可再生资源。利用生物质资源（如淀粉和纤维素）开发生物基聚合物可以减少对石油的依赖[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。
聚合物吸水树脂作为一种革命性技术，在农业节水领域表现出色。这些材料具有超强的吸水能力和缓释性能，能够显著提高土壤保水能力并减少灌溉频率，在干旱地区具有巨大应用潜力[15]。此外，开发新的聚合物复合材料（如气相二氧化硅肥料）有助于通过改善土壤结构和养分释放效率来提高作物产量[16]。
实现碳中和的目标需要减少碳排放并增加碳封存以实现绿色发展。作为现代工业的重要基础材料，聚合物材料的生产、应用和处置对碳排放有显著影响。因此，出现了一些能够减少碳排放的材料制备方法。例如，用玉米淀粉、纤维素和植物油等可再生资源替代石油基原料可以有效减少碳排放。此外，从二氧化碳合成可降解聚酯不仅可以降低能耗和排放，还能解决塑料材料广泛使用造成的“白色污染”问题[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。
橡胶和塑料等聚合物材料通常含有许多添加剂（如增塑剂或抗老化剂）以确保其机械性能和使用寿命。然而，大多数这些添加剂对人体健康和环境有害。使用低毒性或无毒添加剂也是当前的研究热点[22]、[23]、[24]、[25]。
政府通过政策指导和监管约束促进聚合物材料行业的可持续发展，推动聚合物材料的回收，并建立从生产、使用到回收的闭环系统。对材料进行全生命周期评估并优化生产过程以减少环境影响也是关键措施[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。
WPU涂层使用水作为分散介质，与传统溶剂型涂层相比显著减少了挥发性有机化合物（VOCs）的排放[31]、[32]、[33]。VOCs是空气污染的主要来源之一，对大气环境、臭氧层和气候变化产生负面影响[34]。推广水性涂层有助于减少环境污染，符合全球绿色发展趋势。特别是在严格的环保法规下，水性涂层的发展已成为涂料行业的重要方向。传统溶剂型涂层含有大量有毒有害的有机溶剂（如苯、甲苯和甲醛），长期接触这些物质会对人体健康造成严重危害，如呼吸系统疾病、皮肤过敏甚至癌症[35]、[36]、[37]。WPU涂层减少了这些有害物质的含量，改善了施工环境，降低了施工人员和消费者的健康风险。特别是在家具、玩具和食品包装等直接接触人体的领域，水性涂层的应用提供了更高的安全性。随着环保意识的提高和政策推动，WPU涂层的市场需求持续增长[38]、[39]。
WPU涂层的发展与聚合物科学的关键可持续性目标相契合。从环境角度来看，其低VOC含量减少了源头污染；某些配方还可以设计成可生物降解或可化学回收的。
在资源效率方面，这些涂层可以通过改性来提高耐用性和延长产品寿命，从而减少材料消耗。使用生物基原料进一步减少了对石油资源的依赖。此外，WPU通过减少生产和使用过程中的溶剂相关排放有助于实现碳减排目标。某些变体甚至可以将二氧化碳作为原料，实现碳固定。
从健康角度来看，这些涂层消除了与有毒溶剂和添加剂相关的风险，确保了生产、应用和使用过程中的安全性。总体而言，WPU涂层代表了支持绿色生产、安全使用和高效回收的可持续模式。
尽管WPU涂层具有许多优势，但在推广和应用方面仍存在一些挑战：
(1) 成本较高：水性涂层的原材料和生产过程成本相对较高，导致产品价格较高，阻碍了其在某些低端市场的应用[40]。
(2) 性能瓶颈：与有机溶剂型涂层相比，水性涂层在耐候性和耐化学性等方面仍存在差距，因此需要进一步的技术突破[41]、[42]、[43]。
(3) 市场认知不足：部分消费者和建筑公司对其性能和应用了解不足，仍倾向于选择更便宜且更成熟的有机溶剂型涂层。
近年来，许多综述研究了WPU分散体的合成、性能和应用。本文的主要目标有三个：(1) 系统阐述如何通过分子结构设计同时实现WPU涂层的高性能（如高强度、韧性和耐磨性）和多功能性（如自修复、超疏水性和导电性）；(2) 建立化学结构与关键性能之间的明确逻辑框架，并进一步探讨其在新能源和柔性电子等领域的应用；(3) 在讨论高性能功能性WPU的设计过程中融入绿色和可持续原则（如使用生物基原料和可回收设计），为下一代环保高端涂层提供前瞻性指导。
为此，本文旨在探讨WPU涂层的化学结构与其性能特征之间的基本关系，同时分析其在实际应用中的演变作用。通过对现有文献的系统性评估和综合分析，本文的结构如下：首先详细说明WPU涂层的分子结构特征（包括软段、硬段和亲水基团）如何决定其机械性能、耐用性和耐化学性等关键性能；其次探讨添加剂在优化涂层性能中的作用和意义；最后总结WPU涂层功能化的最新进展，并概述未来的发展方向。
WPU涂层的合成与制备过程
根据亲水基团的电荷特性，WPU可分为三种主要类型：阴离子型、阳离子型和非离子型。每种类型具有不同的化学设计策略和性能特点。
(1) 阴离子型WPU。
作为工业应用中最广泛使用的类型，阴离子型WPU的亲水性来源于引入侧链或主链中的羧基或磺酸基团。这些基团通过有机碱中和后...
耐磨WPU的制备、结构与性能
耐磨WPU材料能够长期承受磨损而不发生显著降解，常用于工业地板、输送带、抗磨涂层等领域。引入交联结构是主要的改性方法之一。通过添加聚胺、多元醇或环氧树脂等交联剂，可以在涂层膜中构建三维网络结构，从而提高强度和耐磨性。此外，紫外线固化...
未来展望与结论
作为环保型涂层的代表，WPU涂层未来的发展方向将是高性能、功能化和智能化，同时深度融入绿色和可持续发展的理念。在基础材料和工艺创新方面，例如，植物油中的不饱和双键或羟基功能团可以通过环氧化、酰胺化等相关化学反应进行功能化，以调节其...
作者贡献声明
丁博宇：撰写 – 原稿撰写、方法论、研究。
李江龙：研究。
帅朗：研究。
文建龙：方法论、研究。
余水：研究。
徐盈盈：撰写 – 审稿与编辑、监督、研究。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52573023和52173020）的财政支持。
