水性聚氨酯/碳纳米管复合涂层在功能性皮革中的应用

摘要：摘要：传统皮革难以满足现代市场对高性能、多功能材料的需求，而水性聚氨酯（WPU）因其环保性、良好的机械性能及生物相容性成为皮革涂饰的理想选择。碳纳米管（CNT）凭借其优异的力学、导电性等特性，与WPU复合可显著提升涂层性能。文章研究了水性聚氨酯/碳纳米管复合

水性聚氨酯/碳纳米管复合涂层在功能性皮革中的应用

高文文，王小康，刘红魁

（新疆理工职业大学，新疆喀什 844004）

摘要：传统皮革难以满足现代市场对高性能、多功能材料的需求，而水性聚氨酯（WPU）因其环保性、良好的机械性能及生物相容性成为皮革涂饰的理想选择。碳纳米管（CNT）凭借其优异的力学、导电性等特性，与WPU复合可显著提升涂层性能。文章研究了水性聚氨酯/碳纳米管复合涂层的制备，探讨了其在功能性皮革中的应用。并对未来的研究方向进行了展望。研究表明，该复合涂层能够提升皮革的功能性，为皮革行业的技术升级和产品创新提供了新的思路和方法。

关键词：水性聚氨酯；碳纳米管；复合涂层；功能性皮革

Application of Waterborne Polyurethane/Carbon Nanotube Composite coating in Functional Leather

GAO Wenwen, WANG Xiaokang, LIU Hongkui

(Xinjiang Vocational University of Technology, Kashgar 844004, China)

Abstract: Traditional leather struggles to meet the modern market's demand for high-performance and multifunctional materials. Waterborne polyurethane (WPU), owing to its eco-friendliness, mechanical properties, and biocompatibility, has emerged as an ideal choice for leather finishing. Carbon nanotube (CNT), with their exceptional mechanical and conductive properties, can significantly enhance coating performance when compounded with WPU. This paper investigates the preparation of waterborne polyurethane/carbon nanotube composite coatings and explores their application in functional leather. Future research directions are also discussed. The research demonstrates that this composite coating can improve the functionality of leather, offering new ideas and methods for technological advancement and product innovation in the leather industry.

Keywords: waterborne polyurethane; carbon nanotube; composite coating; functional leather

第一作者简介：高文文（1996－），男，硕士研究生，研究方向为纺织新材料。

0 引言

皮革作为一种传统的天然材料，在服装、鞋履、家具等多个领域都有着广泛的应用。然而，随着人们对产品性能和功能要求的不断提高，传统的皮革材料已难以满足市场需求。水性聚氨酯（WPU）作为一种环保型高分子材料，因其良好的机械性能、耐化学性能和生物相容性等优点，在皮革涂饰领域得到了越来越多的关注[1-2]。而碳纳米管（CNT）具有独特的纳米结构和优异的力学、电学等性能，将其与水性聚氨酯复合，有望进一步提升涂层的性能，从而赋予皮革更多的功能性[3]。

1 水性聚氨酯/碳纳米管概述

1.1 水性聚氨酯的特性及应用

WPU是一种以水为分散介质的聚氨酯乳液，具有无污染、易操作、可室温固化等优点[4]。其分子结构中含有氨基甲酸酯键、醚键、酯键等多种化学键，这赋予了其良好的机械性能、耐磨性和耐化学性[5]。在皮革涂饰中，WPU能够形成均匀的薄膜，提高皮革的光泽度和手感，同时具有良好的透气性和透水性，使皮革制品更加舒适耐用[6]。

1.2 碳纳米管的特性及应用

CNT是一种具有独特纳米结构的碳材料，具有高强度、高模量、良好的导电性和热稳定性等特点[7]。其独特的管状结构和优异的物理化学性能使其在复合材料领域具有广阔的应用前景。在皮革涂层中，CNT能够显著提高涂层的力学性能和耐磨性，同时赋予涂层良好的导电性和抗静电性能。此外，CNT还能够提高涂层的耐腐蚀性和紫外线屏蔽性能，延长皮革制品的使用寿命[8]。

2 水性聚氨酯/碳纳米管复合涂层的制备

2.1 制备方法

目前，制备水性聚氨酯/碳纳米管（WPU/CNT）复合涂层的方法主要有原位聚合法、溶液混合法和乳液共混法等。原位聚合法是将CNT分散在聚氨酯预聚体中，通过原位聚合反应制备复合涂层[9]。这种方法能够使CNT均匀分散在聚氨酯基体中，形成良好的界面结合，但制备过程较为复杂，对反应条件要求较高。溶液混合法是将CNT分散在水性聚氨酯溶液中，通过搅拌、超声等手段使两者混合均匀，然后涂覆在皮革表面形成涂层[10]。这种方法操作简单，易于控制，但CNT的分散性可能较差，从而影响涂层的性能。乳液共混法是将CNT分散在水性聚氨酯乳液中，通过乳化、搅拌等手段制备成复合乳液，然后涂覆在皮革表面[4]。这种方法能够提高CNT的分散性，同时保持水性聚氨酯的乳液特性，但乳液的稳定性需要进一步优化。表1展示了不同制备方法制备的WPU/CNT复合涂层的性能对比。

从表1可以看出，原位聚合法和乳液共混法制备的复合涂层在力学性能、耐磨性和导电性方面表现较好，但原位聚合法的操作难度较大，而乳液共混法在分散性和操作难度上具有一定的优势。溶液混合法虽然操作简单，但CNT的分散性较差，影响了涂层的整体性能。因此，在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的制备方法。

3 水性聚氨酯/碳纳米管复合涂层的性能

CNT的加入能够显著提高涂层的拉伸强度[11]，纯WPU涂层拉伸强度约为15~25 MPa，添加1 wt% CNT后提升至35~45 MPa（提升约75%）。其次，耐磨性能是衡量皮革涂层使用寿命的重要指标。WPU/CNT复合涂层的耐磨性能显著优于纯WPU酯涂层[12]，CNT的加入能够提高涂层的硬度和韧性，使其在摩擦过程中不易磨损，摩擦系数从纯WPU的0.45~0.55降至0.20~0.30。再者，WPU/CNT复合涂层的抗静电性能显著优于纯WPU涂层（表面电阻率，纯WPU：1012～1014Ω/sq；WPU/0.5 wt% CNT：106~108 Ω/sq；WPU/1.0 wt% CNT：103~105 Ω/sq）[13]。由于CNT具有良好的导电性，能够在涂层中形成导电网络，从而有效地释放静电。最后，WPU/CNT复合涂层在透气性和透湿性方面表现良好，纯WPU透湿率：800~1200 g/（m2·24 h），WPU/1.0 wt% CNT的透湿率可达1000~1500 g/（m2·24 h），能够满足皮革制品的舒适性要求[14]。

4 该复合涂层在功能性皮革中的应用

4.1 在耐磨皮革制品中的应用

耐磨性是皮革制品在众多使用场景中极为关键的性能指标。WPU/CNT复合涂层以其卓越的耐磨性能脱颖而出，为那些需要频繁经受摩擦考验的皮革制品带来了革命性的改变。以鞋革面为例，人们在日常行走、运动过程中，鞋面皮革不可避免地会与地面、鞋带以及其他物体产生持续的摩擦。这种摩擦若长期累积，极易导致鞋面皮革磨损、掉色，不仅影响鞋子的外观，还会降低鞋子的使用寿命。而采用WPU/CNT复合涂层的鞋面革，其表面形成了一层坚韧且均匀的保护膜。这层膜能够有效抵御外界摩擦力的侵蚀，显著减少鞋面在穿着过程中的磨损程度。在沙发革领域，情况同样如此。沙发作为家庭和公共场所常见的家具，其皮革表面经常受到人体坐卧、起身等动作的摩擦，以及日常清洁擦拭等操作的影响。传统沙发革在长期使用后，表面容易出现划痕、磨损，导致皮革失去原有的光泽和质感，影响沙发的整体美观度和舒适度。然而，当沙发革表面涂覆WPU/CNT复合涂层后，其耐磨性能得到显著提升。这使得沙发表面能够更好地抵御日常使用中的各种摩擦损伤，长时间保持光滑、细腻的触感和亮丽的外观，从而延长了沙发革的使用寿命，减少了更换沙发革的频率，为用户节省了维护成本，同时也为皮革沙发的品质提升提供了有力保障。

4.2 在抗静电皮革制品中的应用

在一些对静电极为敏感的场所，如电子工厂、医院等，静电的产生和积累可能会引发严重的安全问题和质量隐患。在电子工厂中，静电可能会导致电子元件损坏、电路短路，影响电子产品的生产质量和生产效率；在医院，静电可能会干扰医疗设备的正常运行，甚至对患者的健康和安全造成威胁。因此，在这些场所使用具有抗静电性能的皮革制品至关重要。水性聚氨酯/碳纳米管复合涂层因其独特的材料结构和性能，展现出了良好的抗静电性能。CNT本身具有优异的导电性，当其与WPU复合后，能够在皮革表面形成一个导电网络。这个导电网络能够有效地将皮革表面产生的静电荷迅速传导并释放到周围环境中，从而避免静电在皮革表面的大量积累。例如，采用该复合涂层制作的抗静电鞋，在穿着过程中能够及时将人体活动产生的静电荷导出，减少静电对人体的不适感，同时也降低了静电对周围环境的危害。抗静电手套也是其应用的重要产品之一，电子工厂的工作人员在操作精密电子元件时佩戴这种手套，可以有效防止静电对元件的损坏，提高产品的合格率，保障生产的顺利进行。在医院中，使用抗静电皮革制品的家具、设备等，能够为患者和医护人员创造一个更加安全、稳定的医疗环境，减少因静电干扰而可能引发的医疗事故风险，体现了WPU/CNT复合涂层在特定领域应用的不可替代性。

4.3 在多功能皮革制品中的应用

随着人们对皮革制品品质和功能要求的不断提高，单一功能的皮革制品已经难以满足市场需求。WPU/CNT复合涂层凭借其可调节的性能特点，能够赋予皮革多种功能，满足不同应用场景下的多样化需求。通过精确控制CNT的含量以及优化制备工艺参数，可以制备出同时具备耐磨、耐腐蚀、抗静电等多种功能的皮革制品。这种多功能皮革制品在高端皮革市场具有巨大的竞争优势和广阔的应用前景。例如，在高端汽车内饰皮革中，既要求皮革具有良好的耐磨性能，以应对车内频繁的人员活动和物品摩擦；又需要具备一定的耐腐蚀性能，能够抵御车内各种液体的侵蚀；同时，为了保障车内电子设备的正常运行和驾乘人员的安全舒适，抗静电性能也必不可少。WPU/CNT复合涂层能够完美地满足这些综合性能要求，为汽车内饰皮革提供全方位的性能提升。再比如，在皮革服装领域，皮革服装的“高级感”不仅体现在外观和防护，更在于长时间穿着的透气舒适度。传统溶剂型聚氨基甲酸酯（PU）涂层虽能提供致密防护，却易形成“塑料膜”效应，导致水汽积聚、闷热黏腻。WPU/CNT复合涂层通过多级微观结构设计，实现了防护与透气的协同优化，破解了皮革服装“高性能防护”与“透气舒适”难以兼得的行业难题。未来，随着CNT表面改性技术（如氟化修饰、仿生多级结构）和绿色加工技术（如低温等离子体处理）的迭代，这种多功能涂层有望进一步拓展至极地探险服、医疗康复皮具等极端场景，推动皮革产业向“功能—可持续”方向升级。

此外，在时尚高端的皮革服装、箱包等领域，消费者对于产品的外观、质感以及功能性都有很高的期望。WPU/CNT复合涂层的这种多功能特性，为皮革制品的高端化和功能化发展提供了强大的技术支持，推动了皮革行业向更高层次的技术创新和产品升级迈进，有望引领未来皮革制品市场的发展潮流，为皮革制品在更多高端领域和复杂应用场景中的广泛应用奠定了坚实基础。

5 结论与展望

文章介绍了WPU/CNT复合涂层的制备方法，并对其性能及在功能性皮革中的应用进行了深入探讨。通过合理的制备工艺和配方优化，能够使复合涂层在力学性能、耐磨性、耐腐蚀性和抗静电性等方面得到显著提升，从而满足不同功能性皮革制品的需求。尽管WPU/CNT复合涂层在功能性皮革领域展现出了良好的应用前景，但仍存在一些需要进一步研究和解决的问题。例如，如何进一步提高CNT在WPU中的分散性，以充分发挥其性能优势；如何降低复合涂层的成本，使其更具市场竞争力；以及如何开发出更多具有特殊功能的复合涂层，以满足不断变化的市场需求等。未来的研究可以围绕这些问题展开，通过深入探索和技术创新，推动WPU/CNT复合涂层在皮革行业的广泛应用，为皮革制品的高性能化和功能化发展做出更大的贡献。

参考文献：

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