高性能光学材料用聚氨酯涂层的研究进展
Progress in High-performance Polyurethane Coatings for Optical Materials
纪学顺，孙永建，赵 坤，张丽玮，叶永辉，尚永华*，华卫琦*
（万华化学集团股份有限公司万华研究院，山东烟台264000）
摘要：【目的/意义】光电信息技术发展对光学涂层的光透过率、折射率等核心光学性能提出更高要求，聚氨酯光学涂层兼具光学性能可设计性与优异的耐磨、耐候性，是高端光学涂层的关键材料体系。【分析/评论/进展】系统梳理了高性能光学材料用聚氨酯涂层的研究进展，重点论述了高透过率、折射率可调、光学偏振、光谱选择性吸收、荧光发光5类功能型聚氨酯光学涂层的性能调控原理、优化策略及构效关系。【结论/展望】聚氨酯光学涂层以分子结构设计为基础，以有机或无机材料共混策略为辅助，将逐步向多功能集成、绿色化应用方向推进。
关键词：聚氨酯光学涂层；高透过率；折射率可调；光学偏振；光谱选择性吸收；荧光发光
引言
光电信息技术的快速迭代推动先进光学材料市场持续扩张，光学涂层作为提升元件透光率、耐久性与环境适应性的关键技术，已成为高端光学器件产业链的核心环节。研究数据显示，2025年全球光学涂层市场规模已达到180.1亿美元，并预计以8.0%的年均增速持续扩张至2035年的386.1亿美元。从材料体系角度分析，相较于传统无机涂层，聚合物基光学涂层凭借轻量化、柔性化及可加工性强等优势，正逐步渗透到高端光学应用领域。在光学涂层的实际工程应用中，以汽车车灯为例，目前灯罩主流材料为聚碳酸酯，其因表面硬度低、易刮花、易黄变、耐候性不足等问题，必须依赖高性能光学涂层实现功能强化与服役寿命提升。因此，基于实际应用需求，光学涂层通常需要兼顾以下性能指标：（1）高可见光透过率、低雾度、折射率可调、低色散等；（2）高硬度、高耐磨性、耐划伤性以及良好的附着力等；（3）耐湿热性、耐老化性、耐化学腐蚀性等；（4）疏水疏油、耐指纹、抗静电、自清洁等功能特性；（5）与基材匹配性好、VOC低等。
为满足上述性能需求，各类聚合物涂层已得到广泛研究与工程化应用，但受自身物理性质限制，其普遍面临高透光率与高力学性能（如硬度、耐磨性）、柔韧性需求与自清洁稳定性（如动态全疏性）、高性能与环保要求（如可降解、低VOC）难以平衡等矛盾。聚氨酯（PU）光学涂层凭借其可调的光学特性以及良好的力学性能、稳定性，有望通过精准调控策略解决上述矛盾，并在柔性光学器件、车载显示系统及医疗防护光学等场景中展现出独特的应用价值。尽管当前PU光学涂层在整个光学涂层材料市场中的占比为5%~8%，市场规模9~14亿美元，但随着柔性电子、增强现实（AR/VR）及智能穿戴设备的快速普及，光学元器件对高性能光学涂层的需求日益迫切，PU光学涂层有望在未来5 a内实现市场渗透率的显著提升。本文将从PU光学涂层高透过率、折射率可调、光学偏振、光谱选择性吸收、荧光发光五大核心光学功能出发，重点论述不同功能涂层在光学性能方面的构效关系与优化策略，梳理当前PU光学涂层的研究进展并展望其未来发展方向，为高性能PU光学涂层的设计、制备与工程化应用提供参考。
1 高透过率聚氨酯涂层
高透过率光学涂层是指应用于光学元件的基材表面，在特定波段（尤其是可见光波段380~780 nm）具备优异光传输能力的功能性材料。对于PU光学涂层而言，高透过率通常指可见光透光率达到90%以上，同时雾度控制在1%以下。从光学原理分析，PU光学涂层的透过率受吸收、反射与散射三重因素的影响。本征吸收的差异源于分子结构，芳香族异氰酸酯因苯环共轭体系的电子跃迁在近紫外区存在强吸收且尾带延伸至可见光区，是涂层黄变与透光损失的根本原因，而脂肪族异氰酸酯无双键共轭，吸收峰位于远紫外区，是高透过率涂层的优选原料。PU光学涂层表面反射损失遵循菲涅尔定律，PU涂层和PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）基材的折射率分别为1.5和1.65，与空气1.0的折射率相比有较大差异，由此在界面处产生的总反射损失可达8%~10%，这一损失是高透过率涂层必须解决的关键问题。散射损失是材料透明度下降的主要原因，在PU涂层中，散射源主要包括微相分离形成的硬段微区、软段或硬段结晶、填料以及表面粗糙结构。散射因来源复杂且涉及从分子尺度到微米尺度的多级结构，往往成为制约高透过率实现的隐形瓶颈。
针对上述光损耗机制，近期研究通过精准的分子设计与拓扑结构调控取得了显著进展。在消除本征吸收方面，Gürses等采用脂肪族六亚甲基二异氰酸酯（HDI）替代芳香族原料，从分子层面切断黄变诱因；并通过引入具有较小的分子位阻与高反应活性的木糖，促进了均一致密网络的形成，有效抑制了光散射中心的形成，使涂层可见光透过率高达97.72%。在界面反射与表面散射的协同优化方面，Peng等设计了聚二甲基硅氧烷（PDMS）接枝的羟基丙烯酸酯共聚物，通过与HDI三聚体交联构建了类液态PU涂层（LLPuC），成功消除了PDMS链段的微观相分离，使涂层在550 nm波段透过率达91.79%，甚至略高于裸玻璃基底，实现了界面工程在减少反射与散射方面的双重功效。而在平衡透过率与机械坚固性方面，Sun等通过纳米锥阵列与UV-聚氨酯协同作用，制备了透光率92%、雾度仅0.4%的高透明超疏水涂层。纳米锥结构将应力集中最小化，使涂层在18 000？次磨损循环后仍保持超疏水性和高透过率，并且兼具优异柔韧性与耐久性。
高透过率PU光学涂层当前研究多聚焦于分子结构设计，从聚合原料层面提升涂层透过率与清晰度，比如使用脂肪族异氰酸酯。然而随着应用场景的拓展和性能评价指标的日益细化，单一追求高透过率已难以支撑产品品质的持续优化，这要求研究者在原本分子设计的基础上，进一步调控链段结构、交联密度与微相分离程度，在透明性与其他性能之间建立协同关系，以实现高透过率PU光学涂层在多约束条件下的整体性能提升。
2 折射率可调聚氨酯涂层
光学材料的折射率本质上由介质对光的响应特性决定，而在实际应用场景中，使用折射率动态可调的光学涂层的必要性体现在多种产品与需求中：在减反射涂层领域，需通过调控PU涂层的折射率，使其与基材（如玻璃、树脂镜片）及空气形成合理的折射率梯度，实现反射率的有效降低；在高折射率光学器件（如AR眼镜、相机镜头）中，需解决传统涂层折射率不足导致的光线折射畸变、成像模糊等问题；在柔性显示与智能光学领域，动态可调的折射率可实现光线透过率、散射特性的精准调控，从而适配柔性屏弯曲变形时的光学性能稳定需求。根据洛伦兹-洛伦茨方程，聚合物分子中高极化率的结构单元（如芳香环、极性杂原子基团）能够显著增强介电响应，从而调控折射率。在PU光学涂层中，折射率的高低还受分子堆积密度的影响。基于此，研究者通过结合脂肪族和芳香族二异氰酸酯在极化率与堆积密度上的差异，实现了折射率在一定范围内的精准调控，甚至突破常规高分子聚合物1.49~1.58的折射率上限。
在常规的PU结构设计之外，多种掺杂思路也被广泛应用于折射率可调的PU光学涂层中，比如有机-无机材料杂化能在保持涂层透光率与力学性能的同时有效调控折射率。Tawfilas等制备了表面改性TiO2纳米晶/PU透明纳米复合薄膜，选用油酸或油酸-聚乙二醇单甲醚双组分体系对TiO2纳米粒子进行表面包覆，其分子结构可与热塑性聚氨酯弹性体（TPU）基体中的脂肪族链段及多元醇组分形成良好的界面作用，降低粒子与基体间的界面张力，减少团聚的热力学驱动力，实现良好的热力学相容性；动力学层面，通过优化分散工艺，借助超声空化效应打破纳米粒子团聚体，同时采用溶剂浇铸法制备复合膜，结合粒径控制（选用粒径<15 nm的TiO2纳米粒子），有效抑制分散过程中的二次团聚，最终实现纳米粒子在TPU基体中的均匀分散，为高折射率复合涂层的制备奠定基础。当TiO2质量分数达37.5%时，复合薄膜折射率从1.49提升至1.61，同时保持良好透明度。此外，氧化锆（ZrO2）纳米粒子相较于纳米SiO2、碳酸钙纳米颗粒具有高折射率、良好的化学稳定性和优异的光学透明性，成为调控水性聚氨酯（WPU）折射率的理想填料。Liu等通过柠檬酸（CA）表面改性，成功制备了水分散性良好的超小ZrO2纳米粒子（粒径约3.8 nm），并将其与WPU复合构建PET/底漆/硬涂层三明治结构。该复合涂层在可见光区具有高透明度，折射率从1.52提升至1.57，反射率降至3.6%以下，有效消除了彩虹效应。类似地，Du等采用巯基乙酸（TGA）对亲水性纳米ZnS进行表面修饰，然后通过原位聚合法将其引入WPU中。ZnS作为高折射率半导体材料（可见光区域折射率2.2~2.4），其折射率远高于PU基体，且经巯基乙酸（TGA）表面改性后，与PU基体具有良好相容性。在低掺杂量范围内，随着ZnS掺杂量增加，涂层中高极化率的Zn—S键数量增多，体系介电响应显著增强，同时改性ZnS纳米粒子（粒径约70 nm）均匀分散于PU基体，分子堆积密度提升，协同推动涂层折射率线性上升；当掺杂量提升至30%时，涂层折射率达到峰值1.71，此时ZnS粒子分散均匀且与基体界面结合紧密，高极化结构单元的作用得到充分发挥。
当前折射率调控PU光学涂层的首要矛盾在于折射率与透明度的平衡：引入硫、卤素等高极化基团虽可提升折射率，却易引发分子内电荷转移，导致可见光吸收增加、色散劣化。此外，现有共混或共聚方法难以实现纳米级折射率梯度的精密调控，制约了其在渐变折射率透镜等先进器件中的应用。未来，表面引发聚合与层层自组装技术的发展有望从工艺角度协同实现厚度与折射率的精准控制。
3 光学偏振聚氨酯涂层
光学偏振指的是光波在传播过程中，其电场矢量在垂直于传播方向平面内的特定振动取向或旋转状态。利用光学涂层调控偏振态，可以使光学器件具备液晶显示、3D成像等功能所需的光学特性。PU涂层通过引入有机无机填料、强化界面极化或与各向异性纳米填料共混，可赋予其选择性吸收、双折射或旋光功能，实现偏振光的产生与调制；同时，其良好的柔韧性和低温加工性适用于柔性显示、曲面器件等新兴场景。随着可穿戴设备及折叠屏技术的快速发展，开发兼具偏振功能与优异耐磨性、耐候性的PU光学涂层，对于推动偏振元件的轻量化与集成化具有重要意义。
PU光学涂层可以通过多种调控手段实现自身偏振性能，其中最为常见的是有机-无机共混。Xi等将银纳米线（AgNW）和纤维素纳米纤维（TOCNF）引入WPU中，采用物理剪切法形成有机-无机共混PU涂层。该体系可以通过调控AgNW的含量以及层间扭转角，根据需求调控偏振态、椭圆率与工作波段，适用于偏振编码信息加密等应用场景；无缝扭转堆叠的预取向多层膜，形成无界面缺陷的稳定手性偏振涂层；此外TOCNF还能够赋予涂层自修复功能。Meng等以静电纺丝制备了镍/碳@二氧化锆核壳纳米纤维与PU复合的光学涂层，构建了兼具磁损耗与偏振响应的一体化涂层。其中核壳结构带来丰富异质界面，显著强化界面极化与偶极极化，赋予涂层强电磁波衰减与偏振调控能力；PU作为具有高透过率的黏结剂，既可维持导电网络完整性，又可改善涂层柔性与成型性，从而减少界面缺陷对偏振传输的干扰。通过界面极化与结构各向异性，呈现可调控的偏振响应特性。通过调节纤维填充量、碳化温度与组分比例，可精准匹配阻抗并调控极化强度，使涂层在偏振滤波、电磁防护与光学隐身领域兼具适用性。
当前研究多通过引入有机无机功能基团，在物理共混层面赋予PU涂层偏振性能，其中PU分子本身的取向有序度偏低，导致消光比难以达到商用碘系偏光片的水平（>1 000∶1），且功能基团增加易引发散射损耗。因此，PU涂层在偏振领域的突破可以聚焦于分子工程与工艺创新：分子工程方面，反应性液晶PU可通过化学交联锁定取向结构，同步提升偏振效率与稳定性；加工技术层面，卷对卷光取向技术可推动大面积柔性偏振膜连续化生产。
4 光谱选择性吸收聚氨酯涂层
为满足不同光学器件对光谱响应范围的差异化需求，光谱选择性吸收涂层成为光学涂层领域另一重要研究方向，其设计核心在于实现太阳光谱波段高吸收与红外波段低发射的协同调控。从PU本征结构来看，常规PU由饱和多元醇与异氰酸酯聚合而成，分子主链仅由C—C、C—O、C—N键构成，较大的分子能级差使其缺乏可产生定向光谱响应的有效电子跃迁通道。因此，纯PU本身并不具备显著的光谱选择性，其光谱调控功能须通过共聚改性或功能填料掺杂等方式外源引入。
基于上述思路，Zhang 等通过聚硅氧烷改性PU与高相对分子质量羟基丙烯酸酯交联，开发出对 248 nm 紫外光具有高透过率的新型光纤涂层。该涂层在深紫外波段的高透过行为本质上源于硅原子连接的饱和烷基基团，电子跃迁需要更高激发能量，在 248 nm 处无本征吸收，最终使涂层在该波长下实现 85%的透光率，可满足紫外激光在光纤上刻写光栅的需求。Zhang等将紫外吸收剂RUVA-93及下转换发光材料三元铕配合物Eu(LA)？Phen掺杂至PU丙烯酸酯中，实现了紫外吸收与光谱转换的平衡。RUVA-93 可以吸收紫外光并增强涂层耐候性，而Eu(LA)？Phen可将紫外光转换为可见光，该方法充分利用了PU与外源功能型填料的强配伍性，有望将未被电池有效利用的紫外光子转换为可被吸收的可见光子，提升硅基太阳能电池的光电转换效率。与之类似的，CuCoMnO？等尖晶石型复合氧化物的带隙通常位于0.5~1.5 eV范围，对应吸收峰位于0.8~2.5 μm，是光谱选择性吸收涂层研究最为广泛的颜料体系。于红超等以耐温性及耐候性强的丙烯酸改性PU为基体，CuCoMnO？复合金属氧化物作为吸光颜料，系统研究了颜基比（P/B）、球磨时间、温度、底材和涂层厚度等因素对涂层光学性能（吸收率α？和发射率ε？）的影响，在优化条件下可实现光吸收率αs= 0.936、发射率εt=0.312，吸收-发射比αs/εT=3.0。
光谱选择性PU光学涂层通过功能填料与聚合物基体的协同设计，实现了对特定波段光能的精准调控，在光纤通信、太阳能利用及热管理等领域展现出广阔的应用前景。然而，该领域仍面临一些关键挑战：PU的本征透明性使其光谱选择性完全依赖于功能填料，而填料与基体间的折射率失配易导致界面散射增加、雾度升高，如何在维持高透过率的前提下实现功能填料的均匀稳定分散是材料设计的难题；PU分子中氨基甲酸酯键的存在使其在紫外辐照和高温下易发生黄变与降解，而传统小分子紫外吸收剂等的使用又面临迁移析出、长效稳定性差等问题，亟需发展反应型、非迁移的分子尺度耐老化改性技术。解决上述分散性与耐老化问题，是实现PU涂层光谱选择性从基础研究走向高效稳定应用的关键所在。
5 荧光发光聚氨酯涂层
荧光发光PU涂层是PU光学涂层中极具应用价值的类别，其核心设计是将有机荧光染料、量子点、荧光配合物等荧光功能单元，通过共聚改性或物理共混的方式引入PU基体，使涂层在紫外光等外部光源激发下实现可见光的即时发射，可广泛适配信息防伪、智能传感、柔性显示等场景。该涂层的发光行为多利用光致发光机理：荧光分子吸收激发光能量后，电子由基态跃迁至激发态，随后通过辐射跃迁的方式返回基态并释放光子形成荧光，当激发光源停止后，发光现象也随即消失。
当前荧光发光PU光学涂层在材料设计与应用中仍面临荧光单元稳定性不足、发光效率受限等问题。为此，学者们提出了系列优化策略，其一是将荧光功能单元以共价键的形式与PU分子的主链或侧链结合，通过共聚改性实现荧光单元的稳定分布。稀土离子是常见功能单元，如Gao等将Eu3+配合物键合到聚氨酯主链上，利用配体向稀土离子的分子内能量转移实现高效发光。除此之外，Zheng 等将自主设计的2种荧光扩链剂接入PU主链，利用扩链剂中的芳香族共轭基团赋予涂层可调谐的荧光特性，不仅实现了材料损伤可视化与信息双重防伪加密的功能，还可作为荧光探针实现对Hg²⁺和Fe³⁺的灵敏检测。类似的，Lu等以松香改性酯为二醇、2，6-二氨基蒽醌（DAAQ）为荧光剂，与异氰酸酯反应合成新型水性聚氨酯（WPU-DAAQ），荧光剂接枝到侧链上，其荧光强度随环境条件改变具有稳定的变化规律，且较纯DQQA的荧光强度更强。
近年来，荧光PU涂层的研发正从传统静态发光向智能响应型发光方向升级，设计思路是在分子层面引入温度、pH、光等刺激响应性功能单元，使涂层实现外部刺激下的可逆荧光响应，进一步拓展其在智能光学器件、高端防伪、设备智能诊断等领域的应用。Liu 等通过物理共混方式，将含蒽（AN）侧基的PU与含萘二酰亚胺（NDI）结构的聚酰亚胺复合，利用2种组分基团的荧光光谱重叠特性实现荧光共振能量转移效应（FRET）。在365 nm紫外光照射后，AN基团发生光二聚化反应，诱导聚合物交联并破坏原有的FRET效应，使荧光颜色由红光转变为蓝光。借助掩膜板，该体系可用于制备具有特定荧光图案的防伪涂层。进一步加热处理可使AN二聚体解聚，恢复FRET效应，涂层荧光随之复原，实现图案的擦除。该光/热响应的可逆性为信息的反复记录与擦除提供了可行途径。
当前，广大校企研究人员已在荧光发光涂层领域取得显著进展，但仍需进一步深化荧光单元与PU基体的分子级协同设计，提升涂层的荧光稳定性与发光效率；同时针对多样性的实际应用场景，需持续开发智能响应型荧光体系，实现刺激响应条件多样化、灵敏度高的目标；亦需积极探索其在柔性显示、生物医学检测、智能防伪溯源等新兴领域的应用潜力，为荧光发光PU光学涂层的高性能化与大规模产业化提供参考。
6 结 语
PU光学涂层依托分子结构的可设计性、优异的成膜性、耐磨性及柔性，已发展出高透过率、折射率可调、光学偏振、光谱选择性吸收、荧光发光等多元化功能体系，在柔性光电子、车载显示、医疗光学、光纤通信、太阳能利用、信息安全等领域展现出广阔的应用前景。尽管PU光学涂层的研究取得了显著进展，但在实际设计与工程化应用中仍面临诸多亟待突破的痛点：溶剂型体系VOC排放高，不符合绿色环保发展要求，而水性体系存在力学性能偏弱、透光率与光泽难以兼顾、表面张力高导致流平性劣化等问题；界面强化策略易引入光散射中心，损害涂层核心光学性能；单一PU材料在硬度、折射率调控精度、环境稳定性等方面存在固有局限；功能基团的引入易引发透光率下降、色散劣化等问题，导致折射率与透明度、偏振效率与光学稳定性等性能难以协同优化；双组分体系配比敏感性高、适用期短，增加了施工难度，工艺适应性有待提升。
未来，PU光学涂层的发展将围绕高性能化、功能复合化、绿色化展开：采用脂肪族异氰酸酯、有机-无机杂化、自修复技术等手段，实现涂层耐候性、使用寿命的提升，解决透明性与耐磨性、折射率与透明度等性能对立的矛盾，达成力学性能与光学性能的协同兼顾；借助纳米粒子表面功能化、多级结构设计、多组分协同改性等策略，解决有机-无机界面折射率失配、填料团聚等问题，实现光学性能、力学性能与疏水疏油、抗指纹、抗静电等防护功能的复合化；开发无氟、生物基PU原料及无溶剂制备工艺等，降低环境风险，推动绿色化发展。
文章来源：《涂料工业》2026年第6期
DOI号
10.12020/j.issn.0253-4312.2026-046
通信作者
E-mail：yhshang@whchem.com；wqhua@whchem.com
通信作者简介
华卫琦，研究员，国家特支计划科技领军人才，现任万华化学集团股份有限公司常务副总裁兼技术总监，高性能有机光学聚合物与先进制造技术全国重点实验室主任。长期从事异氰酸酯等高端化学品和化工新材料的研究与成果转化，致力于化工过程模拟、工程放大研究和反应器设计，先后主持了数代新型MDI制造技术的开发，还主持了特种异氰酸酯、尼龙12、Deacon机理氯化氢氧化制氯等大型化工装置成套工程化技术开发，并全部产业化。先后申请国内外发明专利200余件，并获国家科技进步一等奖和国家技术发明二等奖各1次，省部级最高奖、特等奖、一等奖8次，以及国家卓越工程师团队、中国青年科技奖、求是杰出青年科技成果转化奖等荣誉。
尚永华，正高级工程师，享受国务院特殊津贴专家，山东省泰山产业领军人才，首届“国家卓越工程师团队”核心成员，现任万华化学集团股份有限公司万华研究院技术开发总监。长期致力于化工新材料关键技术攻关，先后承担完成了国家重点研发计划、国家科技支撑计划、山东省自主创新专项、烟台市重大科技专项等10余项；攻克了脂肪族异氰酸酯（ADI）、间苯二甲胺（MXDA）、DMC连续化聚醚多元醇等多个核心技术难题。累计获国内外发明专利授权290余件（国外82件），获中国专利优秀奖1项、山东省专利特等奖1项，制定国家标准1项；获山东省科技进步一等奖、中国石油和化学工业科技进步特等奖、中国轻工业联合会技术发明一等奖等多项省部级以上科技奖励。
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纪学顺，孙永建，赵坤，等. 高性能光学材料用聚氨酯涂层的研究进展[J]. 涂料工业，2026，56（6）：86-92.
Ji Xueshun，Sun Yongjian，Zhao Kun，et al. Progress in high-performance polyurethane coatings for optical materials[J]. Paint & Coatings Industry，2026，56（6）：86-92.
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