中國報告大廳網訊，當前，碳纖維作為高比強度、高比模量的纖維材料，常與金屬、樹脂等基質形成複合材料，在航空航天等諸多領域應用廣泛。但碳纖維表面存在惰性問題，導致其與樹脂基體界面附著力不強，影響複合性能。為改善這一狀況，研究者提出多種方法，其中上漿法因操作簡單、成本較低，成為工業生產中的優選。水性聚氨酯雖因良好潤濕性、黏附性及環境友好特點，常被用作碳纖維上漿劑，但存在交聯密度低、力學性能與耐水性欠佳的問題。隨著石油資源減少與環保意識提升，以蓖麻油行業為代表的生物可再生資源，憑藉多羥基官能團、可自交聯等特性，成為改性水性聚氨酯的重要原料，為生物基上漿劑發展提供新思路。以下是2025年蓖麻油產業布局分析。

  一、蓖麻油基可降解水性聚氨酯的製備：原料、設備與合成流程

  (一)主要原料選用

  實驗所用原料包括聚己內酯二醇(PCL)、異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)、2,2 - 二羥甲基丙酸(DMPA)、2,2 - 二羥甲基丁酸(DMBA)、乙二胺基乙磺酸鈉(A50)、三乙胺(TEA)，均為分析純;二月桂酸二丁基錫(DBTDL)為分析純;蓖麻油(CO，分析純)、脂肪酶(生化試劑);碳纖維平均直徑 7μm。其中，蓖麻油作為關鍵生物基原料，其多羥基官能團可參與反應形成交聯結構，提升最終產物性能。

  (二)設備及儀器配置

  實驗用到的設備及儀器有納米粒度及 zeta 電位分析儀(BENano90 Zeta)、傅立葉變換紅外光譜儀(nicolet IS50)、接觸角測量儀(PZ-200SD)、熱重分析儀(TGA/DSC1)、X 射線衍射儀(Smartlab)、電子萬能試驗機(MTS E43.104)、場發射掃描電鏡(SU8 100)，這些設備為蓖麻油基水性聚氨酯的性能測試與表徵提供了精準支持。

  (三)蓖麻油基水性聚氨酯(COPU)分散液合成步驟

  《2025-2030年全球及中國蓖麻油行業市場現狀調研及發展前景分析報告》指出，採用單因素實驗法探討蓖麻油用量對 COPU 膠膜綜合性能的影響。每次實驗前，先將聚己內酯二醇(PCL)、蓖麻油、2,2 - 二羥甲基丙酸放入 80℃的真空乾燥箱內靜置 4h，使 PCL 受熱融化並除去原料中的水分。

  將一定量的 PCL 加入裝有電動攪拌器、配備氮氣保護和回流冷凝管的三口圓底燒瓶中，採用恆溫水浴加熱，水溫升至 65℃左右時，加入一定量的 IPDI，緩慢加入一滴催化劑 DBTDL，溫度繼續上升至 80℃，持續反應 1h。隨後加入定量的 DMPA 和 DMBA，繼續反應 1.5h，再加入一定量的蓖麻油，恆溫反應 1h，之後降溫至 50℃。接著加入定量的 TEA，恆溫反應 0.5h。合成過程中加入占分散體總量 5%~10% 的丙酮調節體系黏度。最後將攪拌速度調整至 950r/min，加入計量去離子水，高速攪拌 30min，製成蓖麻油基水性聚氨酯。

  (四)膠膜與上漿碳纖維製備

  COPU 膠膜製備：使用真空蒸餾去除 COPU 分散液中的殘留丙酮，將蓖麻油基水性聚氨酯分散體倒入 PTFE 模板上，在室溫下乾燥成膜，從模板中取出樣品膜後，在室溫下儲存。

  碳纖維上漿：上漿前，對購置的碳纖維做除膠處理，用蒸餾水洗淨後置於 100℃烘箱中烘 2h 至乾燥。剪取一定長度的碳纖維，分別置於固含量為 1.5%、2.0%、2.5% 的 COPU8 上漿劑中浸泡 1h，除去碳纖維上多餘的膠液，固定後置於 50℃烘箱中乾燥 8h，完成碳纖維上漿。

  二、蓖麻油基可降解水性聚氨酯的性能測試：乳液、膠膜與上漿碳纖維特性分析

  (一)蓖麻油含量對 COPU 乳液性能的影響

  COPU 乳液樣品的固體含量在 35.00% 左右，所有 COPU 分散體均具有較小的平均粒徑。隨著蓖麻油含量的增加，COPU 乳液的平均粒徑逐漸增大，且粒徑呈現單峰分布，這是因為蓖麻油結構中存在長疏水性脂肪鏈，使 COPU 大分子疏水性增強，與水分子結合能力減小。

  ZETA 電位絕對值越高，乳液分散穩定性越強。其中 COPU8 的 ZETA 電位絕對值最大，為 60.98，說明 COPU8 乳液的分散穩定性最強，而較小的粒徑及較窄的粒徑分布有利於對纖維的上漿。

  (二)蓖麻油參與反應的紅外光譜驗證

  紅外光譜分析顯示，蓖麻油在 3440cm⁻¹ 處的 - OH 伸縮振動峰，在 COPU 膠膜樣品的 ATR-FTIR 圖中消失，表明蓖麻油與 IPDI 反應完全;反應前 IPDI 在 2270cm⁻¹ 處的 - NCO 特徵吸收峰，反應後消失，說明 IPDI 中的 - NCO 基團已完全反應;反應後在 808cm⁻¹ 處出現顯著的 C=C 特徵峰，表明 C=C 不飽和雙鍵已成功接枝到分子鏈上。同時，COPU 膠膜樣品的 ATR-FTIR 圖中，3380cm⁻¹ 處有 - N-H 鍵的伸縮振動峰，2845~2950cm⁻¹ 區域出現 - CH₃-、-CH₂- 和 - CH - 的特徵峰，1729cm⁻¹ 處為 - C=O 的伸縮振動峰，說明氨基甲酸酯基已生成，綜合表明目標產物 COPU 已成功合成，蓖麻油有效參與了反應。

  (三)蓖麻油含量對 COPU 膠膜水接觸角與吸水率的作用

  隨著蓖麻油含量的增加，COPU 膠膜的水接觸角逐漸增大，吸水率逐漸減小。當蓖麻油含量由 0 增加到 10% 時，水接觸角從 68.2° 提高到 105.4°，72h 的吸水率最低為 21%。這是因為蓖麻油含量增加會引入大量疏水性脂肪長鏈，降低 COPU 膠膜的吸水率，蓖麻油作為 COPU 的軟段，其強疏水性影響水分子滲透到膜中，對膠膜耐水性提升有益。

  (四)蓖麻油對 COPU 膠膜熱穩定性的提升效果

  熱重分析表明，隨著蓖麻油含量的增加，COPU 膠膜的熱穩定性小幅上升。所有樣品熱分解均有兩個明顯階段：第一階段(240.5~380.0℃)主要是 COPU 中氨基甲酸酯結構的分解，此階段 COPU 膠膜交聯度隨蓖麻油用量增加而逐漸增加，熱穩定性增強;第二階段(402.0~472.0℃)主要是剩餘脂肪族鏈段即軟段的熱分解。

  (五)蓖麻油對 COPU 膠膜結晶性與拉伸性能的影響

  結晶性：XRD 分析顯示，膠膜樣品在 2θ=20° 出現無定形衍射寬峰，這是因為軟段 PCL 的結晶被硬段阻礙。隨著蓖麻油含量的提升，衍射峰逐漸降低，由於蓖麻油的加入使聚氨酯內部產生交聯，相融合逐漸增大，硬段和軟段的相分離逐漸減小，導致軟段結晶度減小。

  拉伸性能：隨著蓖麻油含量的增加，COPU 膠膜的拉伸應力呈現先增後減的趨勢，拉伸強度從 11.54MPa 提高到 25.48MPa，增幅達到 120.80%;從 COPU0 到 COPU8，斷裂伸長率呈穩步上升趨勢，從 598.71% 上升到 630.97%，蓖麻油含量少量變化對斷裂伸長率影響較小，而 COPU10 的斷裂伸長率最大，達到 943.82%。這是因為 COPU 體系的交聯度隨著蓖麻油含量的增加而提高，進而使 COPU 膠膜的斷裂伸長率提高。

  (六)蓖麻油基 COPU 膠膜的生物降解性能表現

  採用 PBS / 脂肪酶溶液作為降解緩衝液，總降解時間為 20d，評價 COPU 的降解性能。結果顯示，COPU8 失重率最高，達到 71.43%。通過 SEM 觀察 COPU8 膠膜降解過程：降解 5d 後，表面無明顯變化;降解 15d 時，表面變得凹凸不平，出現少量溝壑及孔洞;降解 20d 後，凹凸程度明顯增大，出現明顯溝壑及大的孔洞，表明蓖麻油的加入大幅提升了 COPU 膠膜的生物降解性。

  (七)蓖麻油基 COPU 上漿劑對碳纖維表面形貌與拉伸性能的改善

  表面形貌：未上漿的碳纖維表面凹凸不平且存在很多溝壑;當上漿劑質量分數為 1.5% 時，碳纖維表面溝壑開始變淺，但仍有少量條紋狀溝壑，上漿層偏薄，附著不明顯;當上漿劑質量分數達到 2.0% 時，COPU 在碳纖維表面形成均勻的上漿層，表面溝壑基本消失，表面平整，既能保護碳纖維表面，又能增強纖維表面浸潤性，提高與樹脂的接觸面積，增強複合材料界面黏附力;當上漿劑質量分數為 2.5% 時，上漿層過厚，纖維表面聚集過多上漿劑，分布不均勻，可能導致碳纖維與樹脂相容性變差，界面附著力降低，影響複合材料力學性能。

  拉伸性能：未上漿碳纖維的拉伸強度僅有 32.12MPa，斷裂伸長率僅為 2.78%。隨著 COPU 上漿劑固含量的增加，COPU-CF 的拉伸性能逐漸增大，拉伸強度最高達到 690.13MPa，斷裂伸長率最高達到 9.06%。但質量分數 2.5% 的碳纖維拉伸強度為 411.89MPa，低於質量分數 2.0% 的碳纖維(690.13MPa)，這是因為過量的 COPU 上漿劑使碳纖維表面聚集過多，導致碳纖維表面樹脂局部堆積和結團，降低了碳纖維與 COPU 施膠劑的結合力，影響拉伸性能。

  三、全文總結

  本報告圍繞蓖麻油行業基可降解水性聚氨酯的製備及其在碳纖維上漿劑中的應用展開，詳細闡述了相關製備流程、性能測試及應用效果。通過實驗可知，成功製備了一系列蓖麻油交聯改性的水性聚氨酯(COPU)，蓖麻油含量對 COPU 乳液、膠膜及上漿碳纖維性能影響顯著：隨著蓖麻油含量增加，COPU 乳液平均粒徑增大，COPU8 乳液分散穩定性最強;COPU 膠膜吸水性下降、熱穩定性增強、拉伸性能提升、生物降解性大幅提高，其中 COPU8 膠膜降解 20d 失重率達 71.43%;選用綜合性能最佳的 COPU8 作為上漿劑，當質量分數為 2.0% 時，在碳纖維表面形成均勻上漿層，使上漿後碳纖維拉伸強度最高達 690.13MPa，斷裂伸長率最高達 9.06%。此次研究為生物基上漿劑的合成與應用提供了新思路，也為 2025 年蓖麻油產業在高性能材料領域的布局與發展提供了數據支撐。