水性聚氨酯（WPU）涂层因其出色的环境友好性和施工性而成为传统溶剂型涂层极具发展潜力的替代品。然而，由于分子结构固有的柔性与刚性的矛盾，现有的自愈合WPU大多表现出粘弹性、不可逆疲劳和损伤、自修复功能与力学性能难以调和等问题。

近期，河北工业大学化工学院潘明旺教授团队针对力学性能和自修复性能难以调和的问题，提出了利用具有动态可逆键的纳米粒子实现了WPU复合涂层体系力学性能和自修复能力同时增强的新策略。首先，采用3-氨丙基三乙氧基硅烷修饰正丙醇锆（TPOZ），增强其与WPU之间的相容性，并通过缩合水解形成动态可逆键，赋予其自愈能力。将氨基修饰的TPOZ（A-ZrO2）加入到甘胺酰胺功能化的聚氨酯（WPUGx）网络中，制备了聚氨酯复合涂层（WPUGx/A-ZrO2）。研究结果表明，该涂层具有优异的断裂能（50.3 kJ/m2）、弹性恢复能力及抗静电功能。特别是，该复合涂层在保持了优异的力学性能的同时还具有92.58%的愈合效率，显示出在柔性电子上应用的潜力。这项研究工作通过使用坚硬且具有可逆共价键的纳米粒子增强水性涂层体系，解决了力学性能与自愈性能之间难以兼顾的问题，扩大了WPU的应用领域。

图1 （a）A-ZrO2、（b）WPUGx、（c）WPUGx/A-ZrO2和（d）WPUGx/A-ZrO2复合涂层的制备过程

图2 WPUG2.0和WPUG2.0/A-ZrO2薄膜的（a）拉伸应力-应变曲线和（b）真实应力-应变曲线；（c）无缺口和有缺口的WPUG2.0/A-ZrO2薄膜的应力-应变曲线；（d）与先前报道的自愈合材料的断裂能比较；（e）有缺口WPUG2.0/A-ZrO2样品的断裂机制示意图；（f）原始、延伸和复原的WPUG2.0/A-ZrO2薄膜的照片；（g）WPUG2.0/A-ZrO2薄膜的循环拉伸测试结果；（h）采用记号笔对WPUG2.0/A-ZrO2薄膜进行穿刺测试结果的照片

相关研究成果以“Self-Healing and Antistatic Waterborne Polyurethane Hybrid Coating Resulting from Hard but Reversible Zr-O-Si Networks”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上（Chemical Engineering Journal 2024, 487, 150538）。文章第一作者是河北工业大学博士生韩凯，通讯作者为潘明旺教授和潘志成副教授。该研究得到国家自然科学基金委基金项目（52273007, 51973050）和河北省自然科学基金委基金项目（B2022202062）的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150538