水性聚氨酯结构设计策略及其在涂层中应用进展

水性聚氨酯结构设计策略及其在涂层中应用进展

Structural Design Strategies for Waterborne Polyurethane and Its Progress in Coating Applications

杜晶华¹，王俊杰¹，郭文鹤¹，刘枝秀¹，吴 乐¹，董晓宇¹，王晨曦¹，杨 雷¹，王淑芬²，胡先海³，丁运生^*1，4

（1.合肥工业大学化学与化工学院，合肥230009；2.合肥大学能源材料与化工学院，合肥230601；3.安徽建筑大学材料与化学工程学院，合肥230601；4.先进功能材料与器件安徽省重点实验室，合肥230009）

摘要：【目的/意义】水性聚氨酯涂层具有环境友好和应用广泛等特点，但提升力学、耐水和耐溶剂等性能，实现涂层的高性能化与功能化，扩大应用领域等方面的研究仍在不断的发展。【分析/评论/进展】系统综述了应用聚合物分子设计原理，通过水性聚氨酯主链和侧链的结构改变，功能组分的引入和化学交联与氢键交联网络结构的调控，在提升水性聚氨酯涂层综合性能及赋予其多功能性方面的研究进展，重点讨论了水性聚氨酯在显示光学膜涂层、合成革及医用敷料等领域的应用潜力。【结论/展望】尽管水性聚氨酯涂层已在多个领域实现应用，但面向光学显示和机器人皮肤等前沿技术需求，仍需提升其性能，满足高透光、耐老化、仿生柔韧、导热和自修复等性能要求。

关键词：水性聚氨酯；链结构；氢键；显示光学膜涂层

引言

水性聚氨酯（WPU）涂层因其良好的基材附着力、软硬度可调、高透明、高耐磨性等特性，在木器涂料、纺织品涂层、皮革涂饰、汽车内饰及包装印刷等领域的应用不断扩展。然而，聚氨酯涂料水性化带来的固有挑战，如力学强度、耐水、耐溶剂及耐热老化性等问题始终制约着WPU涂层的进一步发展。对WPU涂层进行改性是当前的研究重点，常用的改性方法包括引入丙烯酸、环氧树脂、有机硅、有机氟以及无机纳米粒子等组分，以提升涂层的综合性能。随着研究者对WPU分子链结构与聚集态的认识不断加深，逐步发展出实现涂层高性能（如高强度、高韧性、耐磨性）与多功能化（如抗菌、自愈合）的新方法。基于此，本文归纳了功能组分与结构在WPU结构中的引入方式以及交联与氢键结构的设计策略，阐明其对涂层性能提升的机理；综述了WPU在显示光学膜涂层、合成革及医用敷料等领域的研究进展，并探讨了当前面临的挑战与未来发展方向。

1 水性聚氨酯结构设计策略

为实现自乳化分散，WPU的分子链中需引入亲水基团，其成膜后仍分布在涂层内部或表面，导致涂层的耐水性和耐候性普遍低于传统溶剂型PU。此外，WPU涂层的性能挑战并非仅限于耐水性，其抗划伤、耐磨、耐溶剂、耐热老化等性能也极其重要。这些性能并非由单一结构因素决定，而是由其分子层面的交联网络、亲水基团，以及聚集态层面的微相分离程度、结晶行为、表面迁移特性等多重因素协同作用的结果。研究人员基于聚合物分子设计原理，从主链与侧链结构调控、交联与氢键网络构建3？个层面出发，系统发展了WPU涂层的性能提升与功能化策略。

1.1 主链与侧链结构调控

通过改变主链的软/硬段组成以及侧链的官能团种类与分布，可以显著调控WPU涂层的力学性能和表面性质。其中，WPU主链中亲水基团的种类与含量对分散体的稳定性和成膜后的耐水性起着关键作用，在实际应用中，WPU需要在良好分散与涂层耐水性之间取得平衡。因此，研究人员从亲水扩链剂的结构设计出发，探索同时提高分散体稳定性与WPU耐水性的方法。

由于叔胺基团能与CO2发生可逆反应形成亲水的季铵盐阳离子，通入氮气等惰性气体可将CO2与叔胺解离，使季铵盐恢复为叔胺结构，从而实现亲水性与疏水性之间的可逆转换。基于这一原理，Yang等在PU分子链中引入侧链含叔胺基团的功能性扩链剂二甲胺基丙胺二异丙醇。在分散过程中通入CO2，使叔胺被质子化为亲水的季铵盐，促进预聚体在水中稳定分散形成WPU分散体；在后续成膜过程中，随着CO2逐渐从体系中逸出，季铵盐重新转化为叔胺，涂层表面由亲水态转变为疏水态。在此基础上，徐梁峰以异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）、聚醚二元醇、丙烯酸羟乙酯、二甲胺基丙胺二异丙醇与甲基丙烯酸甲酯为主要原料，合成了CO2刺激响应的水性聚氨酯丙烯酸酯（WPUA）分散体，丙烯酸单体的引入进一步增强了涂层的力学性能和耐水性。为增加CO2在WPUA中的响应速度，使分散过程更温和，该团队将含叔胺结构的甲基丙烯酸二甲氨基乙酯功能单体引入WPUA主链中，使预聚体在短时间内完成相态转变形成稳定的WPUA分散体。Xia等从磺酸盐型亲水扩链剂的结构设计出发，设计并合成了一类含2？个或4？个磺酸基团的亲水扩链剂，通过增加PU分子链上离子基团的聚集程度，在较低用量下即可大幅提升分散体粒子电位，从而在保证分散体稳定的同时显著改善涂膜耐水性。

此外，在WPU结构中引入长烷基侧链是改善涂层力学性能和表面性能的一种有效方法。Li等以蓖麻油、熊果苷、脱水山梨糖醇单油酸酯和三羟甲基丙烷单油酸酯为主要原料，合成了含长脂肪疏水侧链改性的生物基水性聚氨酯（BWPU）。结果表明，长脂肪疏水侧链的加入使涂膜的耐水性和耐腐蚀性显著提高，吸水率和防腐蚀效率分别为7.7%和98.47%。周王琴通过开环聚合的方式将单硬脂酸甘油酯引入聚乳酸多元醇结构中，研究了长烷基侧链在软段和硬段中的分布对BWPU涂层力学性能与耐水性的影响。研究发现，软段引入长烷基侧链可显著改善涂层的微相分离程度，形成均匀规整的表面微观结构，进而提升涂层力学性能。同时，长烷基侧链的疏水性改善了涂层的表面性质，使涂层耐水性提升。

1.2 交联网络构建

WPU的线型结构以及亲水基团的存在，使其力学强度、耐溶剂性和耐水性往往不足。因此，研究人员通过引入化学交联结构来构建三维网络，包括内交联、外交联、动态共价交联以及内外交联协同策略等，从而显著提升WPU的综合性能。

内交联是在WPU预聚过程中引入多官能团扩链剂形成交联网络。然而，体系内过多的内交联可能导致WPU预聚过程中形成凝胶，进而影响预聚体的分散。因此，研究人员将交联网络的建立限制在固化成膜阶段，利用外交联形成交联网络。Wang等利用CO2触发型WPU分散体中的叔胺基团作为反应前体，叔胺被CO2质子化，维持体系稳定；成膜过程中CO2自然逸出，叔胺基团与外加的1，6-二碘己烷发生季铵化反应，形成含有季铵盐结构的动态交联网络，所制备的WPU涂层表现出优异的抗菌性、再加工性和耐溶剂性。

席夫碱反应也常用于WPU的外交联。Liang等以1，3-二羟基丙酮作为功能性扩链剂，合成了含酮羰基的线型WPU，并加入水溶性己二酸二酰肼作为后交联剂。在成膜过程中，随着水和中和剂三乙胺的挥发，酮羰基与酰肼发生缩合反应形成动态酰腙键，构建共价自适应网络。同时，酰腙键提供的氢键位点进一步强化了WPU物理交联网络，最终形成双动态网络体系，使其表现出卓越的力学性能。Zhu等在此基础上进一步优化了分子链结构，在WPU结构中同时引入含可逆二硫键的交联剂3，3’-二硫代双（丙酰肼）（DPH）。通过酮羰基与酰肼的缩合形成酰腙键，同时DPH自身携带二硫键，从而构建了酰腙共价交联与氢键交联并存的双重交联网络。多种动态键协同作用下，既提供了高密度交联骨架，又赋予材料能量耗散和网络重排能力。

近年来，研究者将内交联和外交联相结合，构建多重交联WPU用于提升材料性能，内交联提供初始网络骨架，后交联提升交联密度。Li等以三羟甲基丙烷为内交联剂，合成羟基硅油（PDMS）改性WPU，再加入水溶性聚碳化二亚胺作为外交联剂。在室温成膜过程中形成双交联结构，所得涂层在金属基材上展现出优异的附着力和硬度。Xiong等以含刚性呋喃环的失水山梨醇单油酸酯为内交联剂，合成PDMS接枝WPU分散体，再加入六甲氧基甲基三聚氰胺作为外交联剂，高温固化形成高交联网络。由此制备的涂层具有优异的自清洁和耐沾污性，耐酸、碱、盐侵蚀的防腐性能突出。

1.3 氢键结构设计与调控

超分子化学研究的是分子之间通过非共价键相互作用（如氢键、金属配位、范德华力等）自发组装形成的功能体系。氢键是其中最重要、最典型的一种非共价作用。其中，多重氢键具有多个氢键结合位点，可显著增强超分子组装体的稳定性和方向性，被广泛用于WPU的结构设计中。

Zhang等受扇贝足丝中蛋白的分层动态结构启发，设计了一种超分子WPU弹性体。通过在WPU结构中引入含二硫键的酰肼，形成酰基氨基脲（ASC）片段，提供多重氢键位点。同时利用二硫键的扭曲构象优化ASC片段避免过度聚集。此外，还通过羧基与Zn²⁺ 的配位作用进一步增强交联，由此制得的WPU弹性体具有优异的拉伸强度和韧性。Liu等受生物大分子中丰富氢键的启发，将2-脲基-4[1H]-嘧啶酮（四重氢键）引入WPU侧链中，合成了具有分级氢键的WPU。利用多重氢键增强WPU的微相分离程度，从而大幅提升力学性能。Yao等[24]在WPU网络中同时引入多重氢键（来自侧链双酰胺基团）和离子键（羧基与叔胺之间的静电相互作用），成功制备了兼具超高强度、超韧性的环保型自愈合WPU弹性体。其拉伸强度达58 MPa，韧性高达456 MJ/m³，断裂能达320 kJ/m²，远优于多数已报道的弹性体和水凝胶。该工作提出的多重氢键与离子键协同增强策略为设计高强韧、可修复、可加工的WPU提供了新途径。

2  水性聚氨酯涂层的应用

2.1 显示光学膜

WPU作为一种环境友好的高分子材料，凭借其可调的物理化学性质、优异的光学性能和良好的加工适应性，正迅速从传统工业领域向高技术光电领域渗透。WPU涂层在光电领域的应用主要可分为功能型与防护型涂层。其中，功能型涂层直接参与光电设备的光学管理、界面粘接或功能实现；防护型涂层则利用WPU的物理和化学保护性能，确保设备在复杂环境下长期稳定工作。

在光学显示中，WPU涂层常作为底涂剂的核心成分，用于制造增透膜、扩散膜等光学薄膜，主要作用是提升功能涂层与PET基膜之间的附着力。例如，吴盾等以WPU树脂为成膜树脂，配合多种助剂制备了适用于非电晕BOPET膜的涂布液，所得预涂膜对增透膜、棱镜膜、扩散膜、硬化膜等光学功能薄膜具有良好的兼容性。Wu等采用聚酯多元醇、异山梨醇和IPDI合成了增亮膜用WPU涂布液，通过改变硬段含量和异山梨醇占比，增强了PET与功能涂层之间的剥离强度，同时保持高的透明度。Yang等以水性聚氨酯丙烯酸酯为基体，通过多重交联与刚性环结构改性，制备了用于光学薄膜涂层的WPUA分散体。涂层在1 kg压力下耐乙醇擦拭达130？次，同时兼具优异的硬度、韧性、透明度和热稳定性。

通过将荧光单体或者刺激响应分子等引入WPU体系，可制得具有多重光学响应、动态可调乃至自修复功能的智能材料。Su等将光致发光单元[2，2′-联吡啶]-4，4′-二甲酰肼引入WPU结构中，成功制得超分子自愈合光致发光WPU薄膜，其发光强度可受温度、机械应变和pH刺激调节。Zhu等采用含有二硫键和酰腙键的希夫碱作为扩链剂，制备了光致发光的WPU，该涂层具有优异的自愈合性能。Yang等利用3种氨基功能化的金属配合物共价键合到WPU主链中成功开发了一种全色荧光可调、热稳定性好、环保型WPU复合材料。该材料不仅实现了RGB全色调控和白光发射，还具备激发波长依赖性荧光特性，拓宽了其在防伪、显示和照明等领域的应用前景。

2.2 合成革

WPU在合成革中作为环保型涂层材料，可替代传统溶剂型PU，并赋予合成革柔软的手感、良好的透气性和耐磨耐曲挠性能。WPU在合成革中主要用作发泡层和面层。其中，WPU发泡层（多孔层）主要影响合成革的柔软度、透气性与透湿性，而面层（致密层）则决定其耐磨、耐水解及外观品质。近年来，研究者围绕WPU发泡层的泡孔结构调控与面层的高性能化开展了大量研究。

Xu等将高固含量的WPU分散体与机械发泡工艺相结合，通过调控R值（—NCO与—OH物质的量比）、亲水基团含量、交联剂及胺类扩链剂，成功制备了固含量达53%、发泡倍率达2.50的合成革用WPU发泡层。所得泡孔均匀连续，赋予材料优异的透气性与透湿性。相较于传统机械发泡工艺，Shi等利用疏水型气相二氧化硅（SPs）与WPU共同稳定Pickering泡沫。二氧化硅纳米粒子吸附于气泡内壁，形成Janus双层结构，泡沫的空气-水界面由WPU与SPs协同稳定，最终制备出具有开孔结构的WPU多孔膜。以该多孔膜为中间层的合成革，展示了更丰富的多孔结构、良好的织物基材润湿性、更厚的多孔层以及更高的水蒸气透过率。

在合成革面层材料方面，Xue等以生物基聚碳酸酯二醇和生物基L-赖氨酸二异氰酸酯为原料，引入三羟甲基丙烷作为交联剂，制备出的交联型BWPU涂层具有优异的水解稳定性，由其制得的合成革面层可承受5？万次摩擦而无明显损伤。Du等设计合成了含不同烷基侧链长度的聚乳酸多元醇，并进一步与IPDI、聚三亚甲基醚二元醇、聚醚磺酸钠等反应，合成软段含烷基侧链的BWPU，并用于生物基合成革的制备，合成革面层的耐磨性和耐曲挠性可通过控制聚乳酸烷基侧链的长度进行有效调节。李晓飞等[37]以生物基丁二酸（SA）、二聚酸（DA）和1，3-丙二醇为原料，通过调节SA与DA的质量比，合成了柔性可调的生物基聚酯二元醇，并进一步与4，4’？二环己基二异氰酸酯、二羟甲基丙酸等反应制备了玻璃化转变温度在-5.93~-40.17 ℃的BWPU。由此制得合成革的剥离强度达78 N/30 mm，Taber H-18（1 000 g）耐磨1 000 r无露底，-10 ℃下耐折6？万次，在70 ℃、相对湿度95%下老化7周后剥离强度保留率仍超过75%，在汽车用合成革领域展现出良好的应用前景。

2.3 医用敷料

在生物医学应用中，材料的安全性和加工友好性是首要考量。传统溶剂型PU因使用有机溶剂而存在细胞毒性等风险。相比之下，WPU不含有机溶剂，显著降低了植入或使用过程中引发细胞毒性、炎症及其他不良生物反应的风险。同时，WPU可在水环境下加工，这使得制备复杂生物医学构件（如纳米纤维伤口敷料、药物洗脱涂层或3D打印支架）变得更为安全、便捷。这些优势为生物医学应用创造了诸多理想条件。其中，WPU水凝胶凭借可调控的物理化学性能、优异的生物相容性及多功能化特征，已成为新一代智能伤口敷料的重要研究材料。

传统抗生素虽在感染控制中效果显著，但缺乏主动预防能力，且抗生素的滥用已加速多重耐药菌的产生，为临床治疗带来严峻挑战。Wang等采用无溶剂、无催化剂的绿色制备工艺，将三七总皂苷与姜黄素通过氢键作用共同负载于聚氨酯水凝胶骨架中，成功制备出兼具快速止血、高效组织液吸收及优异抗菌活性的聚氨酯水凝胶。利用水凝胶吸收烫伤创面酸性渗出液时，体系内叔胺基团发生去质子化，破坏药物与生物基聚氨酯水凝胶间的氢键相互作用，实现药物响应性释放，在烫伤创面治疗中展现出优异性能。该团队进一步通过分子结构的精准设计，开发出专用于机械性创伤修复的聚氨酯水凝胶敷料。该体系利用机械伤口渗出液呈碱性的特征，当材料接触创面渗出液时，羧基发生去质子化，扰乱水凝胶氢键网络，进而触发三七总皂苷与姜黄素的按需释放。与传统PU敷料相比，该材料实现了抗氧化、抗菌、免疫调节三重功能的协同作用。

3 结 语

从环保政策的强制性约束到绿色制造的自发性选择，WPU涂层研究已取得长足进步，但其结构与性能间构效关系的定量模型仍较匮乏；全生物基WPU体系的力学性能与服役耐久性尚显不足，且从原料到废弃的全生命周期绿色化有待真正实现；面向智能化应用时，涂层的长期服役稳定性、环境响应精准度及生物相容性评价体系尚需完善。针对上述挑战，未来研究应聚焦以下方向：借助高通量实验，并利用机器学习进行预测与模拟，从而在分子结构设计层面实现亲水-疏水平衡和动态网络拓扑结构的调控；发展基于可再生单体的BWPU体系，实现从原料到废弃的全生命周期绿色化；积极探索WPU涂层在柔性电子、智能响应界面及智能装备等新兴交叉领域的应用。

文章来源：《涂料工业》2026年第7期

DOI号

10.12020/j.issn.0253-4312.2026-125

基金项目

安徽省发展改革委省重大产业创新计划（AHZDCYCXJH-QC2025-05）；安徽省自然科学基金联合基金（2308085UM05）

通信作者

E-mail：dingys@hfut.edu.cn

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本文作为参考文献时的标准著录格式：

杜晶华，王俊杰，郭文鹤，等. 水性聚氨酯结构设计策略及其在涂层中应用进展[J]. 涂料工业，2026，56（7）：87-92.

Du Jinghua，Wang Junjie，Guo Wenhe，et al. Structural design strategies for waterborne polyurethane and its progress in coating applications[J]. Paint &Coatings Industry，2026，56（7）：87-92.

通信作者简介

丁运生，合肥工业大学二级教授，博士生导师，享受国务院特殊津贴，入选安徽省“特支人才计划”，安徽省“115”产业创新团队带头人、安徽省“学术与技术带头人”、安徽省优秀导师研究生团队带头人等。近年来主持完成国家自然科学基金面上项目3项、重点基金联合基金1项，国家“863”项目和国家重点研发计划子课题3项、中航工业攻关课题1项、安徽省揭榜项目、安徽省科技成果工程化研发项目和安徽省重大科技专项8项及企业委托科研项目100余项；以第一/通讯作者发表论文300余篇；获授权国家发明专利30余件；主持制定能源行业标准1项，安徽省地方标准2项；获安徽省科学技术进步二等奖2项、三等奖4项，国家安全科技进步奖三等奖1项，完成产业化成果60余项。担任国家科技进步奖、国家自然科学基金和多个省市评审专家，《过程工程学报》《高分子通报》和《合肥工业大学学报》编委，以及国内外多个重要学术期刊审稿人。