基于ZnO-酒石酸螯合策略的超支化生物基水性聚氨酯上浆剂：碳纤维/环氧树脂复合材料的同步界面增强与紫外防护性能

本文开发了一种基于酒石酸(TA)-氧化锌(ZnO)螯合策略的超支化生物基水性聚氨酯(WPUZ)碳纤维上浆剂。通过构建稳定的-COO-Zn2+配位结构，实现了碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料界面强度（IFSS提升93.92%）与紫外防护性能（老化后ILSS保持率>92%）的协同优化，为解决极端环境下复合材料界面稳定性难题提供了创新解决方案。

　　

Highlight

本研究创新性地采用TA-ZnO螯合策略，成功开发出具有双重功能的超支化生物基水性聚氨酯锌(WPUZ)上浆剂。傅里叶变换红外光谱(FTIR)证实了TA与ZnO之间形成稳定的锌羧酸盐键(-COO^-Zn²⁺)，这种独特的配位结构不仅有效抑制了ZnO纳米颗粒团聚，还显著提升了其在聚氨酯基质中的分散性。

Chemical structures of TA-ZnO and WPUZ

如图1a所示，通过对比TA、纳米ZnO及合成的TA-ZnO复合物的红外光谱，清晰证实了TA-ZnO的成功合成。TA中1750 cm^-1处的C=O特征峰在TA-ZnO谱图中完全消失，这表明TA中的羧基发生去质子化并与Zn²⁺配位形成锌羧酸盐。该现象与羧酸盐的特征完全吻合，为后续材料性能优化奠定了分子基础。

Conclusion

为突破CF/EP复合材料在极端环境中的稳定性瓶颈，本研究提出的TA-ZnO螯合策略展现出显著优势。通过构建-COO^-Zn²⁺配位结构，开发的超支化生物基水性聚氨酯(WPUZ)上浆剂实现了复合材料界面强化与紫外防护的协同增效。实验结果表明：经WPUZ处理的复合材料界面剪切强度(IFSS)、层间剪切强度(ILSS)和三点弯曲强度分别提升93.92%、46.00%和53.42%；更令人振奋的是，在氙灯加速老化一周后，其ILSS保持率仍高达92%以上，显著优于未处理组和纯WPU处理组。这些突破性进展为开发新一代环境耐受型高性能复合材料提供了重要技术路径。