關(guān)振威, 張立國, 王智勇, 賀 輝

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院, 北京 100095；2.航空工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院, 西安 710089）

飛行器油箱由于頻繁的震動和高低溫沖擊，內(nèi)部常常積聚大量燃油蒸汽，因此油箱制造時需在緊固件連接部位進行密封處理以防止可燃氣體泄漏，但在起降時，油箱仍會經(jīng)受強烈沖擊而變形，使得原有密封體系產(chǎn)生細微缺陷，燃油蒸汽具有很強的滲透能力，可透過這些缺陷擴散到臨近結(jié)構(gòu)中，易引起火災(zāi)成為安全隱患，也對乘員舒適性有不良影響。為了避免這種情況發(fā)生，在油箱薄弱部位使用氣體阻隔涂層是一種有效的防護方案，這種涂層需具備氣體阻斷的特性，同時彈性高、強度大且附著力可靠，可以在油箱形變時將裂紋缺陷牢牢“包裹”，成為油箱的第二道屏障。

聚氨酯（PU）具有優(yōu)異的柔韌性、彈性、可控的硬度、較高的拉伸強度、耐磨性、耐化學(xué)品性、低溫穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性[1]，是最適合作為氣體阻隔涂層的高分子材料之一，在聚氨酯應(yīng)用廣泛的特殊領(lǐng)域，如食品包裝、輪胎修補、熱氣球、防火隔離涂料等，氣體阻隔性是其關(guān)鍵性能。聚氨酯的氣阻性主要受其分子結(jié)構(gòu)和形貌所決定[2-3]，作為一種由柔性鏈段和剛性鏈段共聚形成的高分子結(jié)構(gòu)材料，兩種結(jié)構(gòu)之間由于熱動力學(xué)穩(wěn)定性差異所引起的相分離會制約對氣體的屏蔽能力，針對這些局部薄弱結(jié)構(gòu)引入活性填料強化（如表面修飾的石墨烯、碳納米管、納米纖維素等），或調(diào)整分子結(jié)構(gòu)是提高氣體阻隔性的有效手段。

本文從氣體擴散與阻隔機理、本征聚氨酯氣阻材料、納米增強聚氨酯氣阻材料等幾方面闡述氣體阻隔用聚氨酯材料近年來的研究進展，并基于目前的實驗進展和理論認知，對材料未來的研究方向進行展望。

1 氣體擴散與阻隔機理

氣體穿透高分子薄膜/涂層是個較為復(fù)雜的過程，一般認為可分為3 步：（1）氣體分子吸附于薄膜/涂層表面；（2）氣體分子在薄膜/涂層內(nèi)擴散；（3）氣體分子在薄膜/涂層另外一面脫附。如圖1所示[4]，其中c1較c2高、p1較p2高，氣體穿透過程才得以進行，根據(jù)Fick 第一定律可知[5]：

圖1 氣體穿透高分子薄膜或涂層的步驟示意圖，c 和p 分別表示擴散氣體的濃度和壓力[4]Fig. 1 Schematic diagram of gas permeation through polymeric film， where c and p represent concentration and pressure of the diffusing gas[4]

式中：J代表氣體通量；D代表擴散常數(shù)；l代表薄膜/涂層厚度。穩(wěn)態(tài)下，氣體的濃度與壓力符合Henry 定律，由于氣體壓力比濃度更容易測定，因此可將式（1）轉(zhuǎn)換為：

式中：S代表溶解/吸附系數(shù)，與薄膜/涂層聚合物本身對氣體的滲透特性有關(guān)，當S與薄膜內(nèi)氣體含量無關(guān)時稱之為Fick 擴散。反之，也存在著非Fick 擴散，如親水聚合物薄膜內(nèi)的水蒸氣擴散系數(shù)則由于介質(zhì)與聚合物的強相互作用而受水含量的影響[6]。在氣體阻隔材料的研制中，一般只考慮前者，所需測定的關(guān)鍵參數(shù)即為S。

薄膜/涂層的氣體阻隔性可直接通過一種封閉的測量裝置進行測定，如圖2 所示[4]。裝置由位于中間厚度為d、面積為A的薄膜分隔為兩部分，左側(cè)通入體積為V0、壓力為P0的氣體，通過測試右側(cè)氣體的流速即可得知薄膜內(nèi)的氣體濃度分布并計算阻隔系數(shù)。

圖2 薄膜/涂層的氣體阻隔性測定裝置示意圖[4]Fig. 2 Schematic diagram of experimental cell for measurement of gas permeability[4]

另一種間接的測試方法則關(guān)注于薄膜/涂層對氣體的吸附量，首先將薄膜/涂層置于真空下，然后通入某一壓力的測試氣體，監(jiān)測涂層質(zhì)量隨著時間的變化，氣體逐漸吸附并滲入聚合物，最終達到平衡，當使用同樣厚度和面積的薄膜時，其氣體阻隔效果的評價則建立于增重及其速度的橫向比較[4]。兩種方法各有側(cè)重，對于材料性能的評價和強化效果具有十分重要的作用。

2 本征聚氨酯氣阻材料

氣阻用PU 通常為聚合型彈性體，原料主要由三部分組成：提供柔性的二元或多元醇、提供剛性的聚多異氰酸酯和擴鏈劑，有時還會添加催化劑[7]，這幾種原料物化特性、化學(xué)計量比和反應(yīng)條件是影響PU 表達氣體阻隔特性的關(guān)鍵因素[8]，柔性與剛性鏈段在聚合反應(yīng)中以化學(xué)鍵的形式交叉和連接，形成一種柔性鏈段和剛性鏈段相互“溶解”的超分子結(jié)構(gòu)，溶解的程度取決于兩種結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特性[9]。柔性鏈段由多元醇和異氰酸酯縮聚形成，因此選用的原料通常為長鏈段的脂肪族單體，如聚己二酸乙二醇酯二醇（PEA）、聚四氫呋喃醚二醇（PTMG）、聚己內(nèi)酯二醇（PCL）和聚碳酸己二醇酯二醇（PCDL）等[10]，聚合后呈現(xiàn)類似橡膠的彈性狀態(tài)，分子間作用力較弱。剛性鏈段由擴鏈劑和異氰酸酯聚合而成，其狀態(tài)為晶體或玻璃態(tài)非晶結(jié)構(gòu)，可以在分子間形成較強的氫鍵，為聚合物提供硬度和結(jié)合強度[11]，常用的異氰酸酯原料有甲苯二異氰酸(TDI)[12]、二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)[13]、六亞甲基二異氰酸酯(HDI)[14]和異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)[15]等。

聚合后的PU 薄膜/涂層對氣體的阻隔性不僅與聚合物的化學(xué)成分有關(guān)，柔性和剛性鏈段的物理結(jié)構(gòu)與形貌同樣會影響氣體分子的吸附和擴散?；瘜W(xué)成分可以決定聚合后軟硬相的分離程度和鏈段的堆疊方式，通過調(diào)整柔性和剛性鏈段的比例確實對氣體阻隔性有顯著影響[16]。一般來說，增加剛性鏈段的比例可以提高PU 的氣阻性，研究者認為其原因在于分子中自由空間的體積和比例的降低，致使氣體通過聚合物的“空穴”數(shù)量減少[17]，同時，由于剛性鏈段的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）高于柔性鏈段，聚合后PU 的Tg也隨之提高，當提高剛性部分占比時，氫鍵和分子間作用力隨之引入，此時剛性鏈段不僅參與聚合，同時也體現(xiàn)出類似填料的功能，使得PU 的致密性提升，氣體分子在其中的擴散率則因此下降[18]。Ulubayram 等[19]曾針對性地探討了聚丙二醇-TDI 聚合物的O2阻隔性與剛/柔鏈段比例的關(guān)系，研究表明隨著柔性鏈段的增加，O2通量不斷增大，而當增加擴鏈劑的使用時，氣體的通量驟降。Fakhar 等[20]也從擴鏈劑對氣阻性的影響開展了相關(guān)研究，當使用側(cè)鏈更長的擴鏈劑時，由于側(cè)鏈可移動至剛性鏈段表面，進而包裹剛性鏈段，填充了柔-剛之間的界面，將CO2的阻隔率由85.3 單位提高至287 單位。

彈性PU 的剛性主要取決于所用異氰酸酯的種類，一般而言，芳香族相比脂肪族異氰酸酯能提供更高的硬度和致密度。Madhavan 等[21]研究了MDI、TDI 和4,4-二環(huán)己基甲烷二異氰酸酯（HMDI）三種異氰酸酯對聚二甲基硅烷-聚氨酯（PDMS-PU）薄膜氣阻性的影響，交聯(lián)合成過程如圖3 所示，MDI 結(jié)構(gòu)中含有對稱的2 個苯環(huán)，TDI 中含有1 個帶甲基的苯環(huán)，因而由MDI 交聯(lián)的PDMS-PU 呈現(xiàn)更加規(guī)則的結(jié)構(gòu)，具有更高的硬度和致密性，表現(xiàn)出對O2、N2和CO2更強的阻隔能力，但與之相比，脂肪族異氰酸酯HMDI 交聯(lián)的PDMS-PU 卻表現(xiàn)出更好的氣體阻隔性，分析其可能的原因主要有二：一是合成過程中HMDI 形成的聚氨酯鏈更容易在溶劑揮發(fā)時互相接觸，降低了分子中自由空間的形成；二是HMDI 與PMDS 同為非極性分子，具有較好的相容性，交聯(lián)后反而可呈現(xiàn)更致密的氣阻結(jié)構(gòu)。

圖3 PDMS-PU 薄膜交聯(lián)合成過程示意圖[21]Fig. 3 Synthesis of cross-linked PDMS-PU membrane[21]

氣阻性不止取決于剛性鏈段的分子結(jié)構(gòu)和占比，也受分相程度、堆疊取向、擴鏈劑比例等眾多因素的制約。柔性與剛性鏈段的分相程度一般與長鏈多元醇的分子量呈正相關(guān)，如聚醚基PU 的分相程度一般高于聚酯，正是由于聚酯基PU 中硬段與軟段的酯基存在更強的氫鍵作用，因此氣體阻隔能力更優(yōu)。Ho 等[11]研究了用于氣體分離的PU薄膜對O2/N2和CO2/N2的阻隔效果，當向聚醚基PU 原料中加入少量PDMS 時，由于PDMS 與主體鏈段相容性的差異而引起了相分離，導(dǎo)致薄膜氣阻性大大降低，而當加入少量聚醚時，氣阻性能則相應(yīng)提高，表明柔性和剛性鏈段之間形成了更好的互溶狀態(tài)，整體提高了對氣體的阻擋能力。Huang 等[16]的研究將多層PU 薄膜進行拉伸同時測定其氣體通量，在低伸長率拉伸的情況下，由于拉伸引起的鏈段取向增強，氣體阻隔性因“剛性鏈段主導(dǎo)”隨之增強，但伸長至300%左右時，氣阻性反而下降，此時的原因就在于產(chǎn)生了“剛性鏈段破損”。Molavi 等[22]探討了活性稀釋劑在丙烯酸-聚氨酯（APUA）體系聚合中對CO2/N2通過性的影響，其中使用的稀釋劑包括甲基丙烯酸甲酯（MMA）、丙烯酸（AAC）、甲基丙烯酸（MAA），丙烯腈（AN），甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯（GMA）、甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）和二甲基丙烯酸乙酯（EGDMA），由于參與交聯(lián)，活性稀釋劑不僅可降低體系黏度，也是聚合后的PU 成分之一，表1[22]列出了采用不同活性稀釋劑所制備的APUA 的物化性質(zhì)，隨著活性稀釋劑的使用，剛性鏈段被引入，使得體系出現(xiàn)出了2 個玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg,S和Tg,H，分別由柔性（低于室溫）和剛性（高于室溫）兩相所提供，隨著HEMA 含量的提高，Tg,S升高而Tg,H下降，兩相的互混程度逐漸增強，柔性鏈段的自由空間減少，對氣體的阻隔性有積極的影響，這一結(jié)果與相對應(yīng)的CO2/N2氣阻性實驗結(jié)果趨勢相吻合。幾種活性稀釋劑橫向比較，AAC 和AN 對Tg,S和Tg,H的影響較為顯著，也同樣表現(xiàn)出較低的氣體透過率。

表1 使用不同活性稀釋劑制備的丙烯酸聚氨酯薄膜的化學(xué)組成和物理性能[22]Table 1 Chemical composition and physical properties of APUA membranes synthesized through various reactive diluents[22]

3 納米增強聚氨酯氣阻材料

大量研究表明，通過向彈性PU 主相中添加片狀納米增強相，氣體阻隔性將出現(xiàn)不同程度的提升，適合作為增強相的材料包括蒙脫土、石墨烯、氧化石墨烯、六方氮化硼等，這些納米片狀填料作用的基本原理在于所形成的“迷宮效應(yīng)”，從而為氣體在薄膜/涂層中的擴散提供更多的障礙。同時，也有研究發(fā)現(xiàn)其他納米非片狀填料如SiO2、TiO2、Al2O3、碳納米管、納米纖維素以及籠狀聚倍半硅氧烷（POSS）等也能提高PU 的氣阻性，這類填料一般可以參與主體材料的交聯(lián)從而改變聚合物的形貌特性，影響對氣體的阻隔能力。

3.1 蒙脫土增強

蒙脫土是一種硅酸鹽礦物，其結(jié)構(gòu)由納米尺度的片層堆疊而成，利用其高比表面積和吸附特性，在提高聚合物基體的力學(xué)性能、氣阻性能、熱穩(wěn)定性、耐燃燒性和防腐性等方面都有廣泛的應(yīng)用[23]。天然蒙脫土具有親水的表面特性，與大多數(shù)聚合物相容性較差，因此需要對其進行疏水改性，常用的改性劑為含氨基或磷酸基的長鏈離子表面活性劑[24]，經(jīng)過改性后的片狀硅酸鹽能夠較為穩(wěn)定地分散在聚合物中。蒙脫土之所以能夠提高PU 薄膜/涂層的氣體阻隔性，除了在體系中形成阻隔通路、延長氣體分子的擴散路徑之外[25]，還在于蒙脫土銜接了一部分分子鏈，限制了其活動范圍，氣體更不易穿透。

Chatterjee 等[25]研究了球磨Cloisite 30B 蒙脫土對PU 等彈性基體氣阻性的影響，對氦氣的阻隔性最佳效果可提高約58.5%，而在其最近的一個相關(guān)研究中[26]，為了保持涂層在氣候老化條件下的氣阻性，將紫外線吸收劑（Tinuvin B75）、蒙脫土和石墨烯同時加入PU 體系，并涂覆到聚酯織物表面，質(zhì)量分數(shù)僅1.36%的蒙脫土當充分分散為納米片時即可極大影響涂層的氣阻效率，對氦氣的通過率可下降10.97%。

M?ller 等[27]將兩種不同的蒙脫土加入UV 光固化PU 體系，一種是天然蒙脫土（MMT），一種是人工合成的鋰蒙脫土(HEC)，按圖4 所示的合成工藝，包括絮凝、清洗、分散和紫外固化等步驟，制備了O-MMT 和O-HEC 復(fù)合氣阻涂層，涂層透明且柔軟具有韌性，兩種涂層相比，帶電荷更多的HEC 所制備的涂層其氣體通過率為8.5 cm3?μm?m?2?d?1?bar?1，明顯優(yōu)于同等添加量MMT 的168 cm3?μm?m?2?d?1?bar?1，同時HEC 顏色更淺，比天然礦物更加適合作為透明PU 的填料。

圖4 UV 光固化氣阻涂層合成步驟：向蒙脫土的水分散液（i）中加入PU 分散體進行絮凝（ii），提取蒙脫土絮凝物進行清洗（iii）并在四氫呋喃中重新分散（iv），使用刮刀進行涂膜的刮涂（v），光固化后即可得到具有氧氣阻隔特性的PU 涂層（vi）[27]Fig. 4 Stepwise fabrication of UV-curable barrier coatings. Aqueous dispersions of clays （i） were flocculated by the addition of PU-dispersion （ii） Aggregates of obtained clay hybrids were washed （iii） and redispersed in THF （iv） Facile preparation of homogeneous composite films from clay hybrid dispersions by doctor-blading （v） UV-curing to cross-link PU to render the composite coating insoluble while improving its oxygen-barrier property （vi）[27]

Stratigaki 等[28]選用了有機揮發(fā)含量更低的水性PU 作為基體材料，通過多種改性劑和分散介質(zhì)對MMT 進行表面處理，由于MMT 本身的親水性，因此天然和改性的MMT 均可在水性體系中得到較好的分散，而制備的涂層對CO2的阻隔性則與多個因素有關(guān)，不僅包括蒙脫土的分散程度和添加量，也很大程度受蒙脫土納米片層間的本征解理尺寸以及氣體與PU 的相互作用所制約。

3.2 石墨烯增強

石墨烯作為新一代的二維材料，當解理為納米片時，其單層厚度僅為1.153 nm[29]，獨特的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)惰性使得其在聚合物的力學(xué)、電學(xué)、阻燃、耐溫和防腐等方面獲得了廣泛的研究，而其氣體阻隔性也同樣受到了較多關(guān)注。石墨烯本身作為薄膜即可阻隔氦氣原子的擴散[30]，但更多的研究依舊將石墨烯（GNP）、氧化石墨烯（GO）、還原氧化石墨烯（rGO）或表面修飾的石墨烯（mGO）作為填料加入PU 中，利用其片層阻隔效應(yīng)制備氣阻薄膜/涂層。表2[31-49]列出了近年來由石墨烯增強的氣體阻隔PU 薄膜/涂層的文獻情況。

表2 石墨烯增強的氣體阻隔PU 薄膜/涂層的研究統(tǒng)計[31-49]Table 2 Overview of gas barrier property of PU/graphene nanocomposite based films and membranes[31-49]

Kim 等[33]的一項研究詳細對比了三種混合制備方式對rGO 氣阻性能的影響，分別為熔融混合、原位聚合以及溶液混合，結(jié)果在溶液介質(zhì)N，N-二甲基甲酰胺（DMF）中rGO 得以最大程度層間剝離，質(zhì)量分數(shù)3%的rGO 可降低81%的N2通過，熔融混合方式所得薄膜的氣阻性最差，而同樣使用了DMF 溶液為媒介的原位聚合方式則由于阻礙了PU 聚合過程中氫鍵的形成而未見明顯的氣阻性提高，最終石墨烯增強氣阻PU 核心性能主要與石墨烯的層間剝離程度關(guān)系最為密切。Bapan 等[46]也采用對石墨烯層間剝離最有效的DMF 為介質(zhì)，通過溶液混合、烘干以及再熔融混合的工藝進行了復(fù)合薄膜的制備，結(jié)果表明，二次分散不會降低已經(jīng)達到較好分散狀態(tài)的石墨烯的作用，PU 中的硬段與石墨烯之間所形成的氫鍵作用對氣阻性有顯著的提升作用，質(zhì)量分數(shù)為3%的改性石墨烯加入可降低約30%的氦氣通過率。由此可見，石墨烯的分散工藝對其在PU 中氣阻性能的影響較為關(guān)鍵。

大部分相關(guān)研究中，石墨烯的添加量普遍在3%以下，這不僅由于二維材料的高比表面積對PU 基體的黏度和工藝有較大影響，過高的添加量也難以有效地將石墨烯層間剝離，致使其對氣體的阻隔能力不足。然而，Bandyopadhyay 等[47]卻制備了一種質(zhì)量分數(shù)高達22%的石墨烯增強PU，通過乙二胺和三乙烯四胺（TET）修飾GO 后，將與PU基體超聲混合，并噴涂在尼龍底材上，由于TET 將GO 的層距改性至0.99 nm，這種石墨烯夾層結(jié)構(gòu)具備較高的儲氫能力，在最優(yōu)TET 改性GO 填充量下，相比空白尼龍底材，PU 涂層的H2通過率可降低93%，效果非常顯著。

3.3 其他納米材料增強

近年來，除了以上述二維納米材料增強為研究熱點的氣阻聚氨酯，也有研究采用類似片狀結(jié)構(gòu)如二硫化鉬（MoSi2）[50]、六方氮化硼（BN）[51-52]等作為增強相，其機理與蒙脫土、石墨烯相近。Wang 等[50]通過化學(xué)法得到多層解理的納米尺度MoSi2，將其與水性聚氨酯乳液進行簡單的機械混合，相比MoSi2天然塊體，PU 的強度和耐熱性能提升明顯，添加4%的增強PU 可降低37%的水蒸氣透過率，這一結(jié)果不僅來源納米MoSi2和主體PU 的界面親和性，同時也因為這種化學(xué)法合成的納米片具有很高的易分散性。Nacas 等[51]對比研究了微米尺度和納米尺度BN 對PU 水蒸氣阻隔性的提升作用，結(jié)果表明，當添加1%的微米氮化硼（BNm）和2%的納米氮化硼（BNn）時，PU 的水蒸氣透過率都可降低約50%，但進一步增加BN 的添加量卻不會再提高PU 的氣阻能力，即這種通過片狀材料的引入提高有機物的阻隔性有臨界值效應(yīng)，依據(jù)平均場理論[53]，將BN 近似為平面分布的片狀材料，其長徑比L/W? 1，BN 在均勻介質(zhì)中添加量的一階近似臨界值?C可通過式（3）計算得到：

BNm 的長徑比是69.52，BNn 的長徑比是10.95，可計算得到前者?C為1.69%，而后者則高達10.77%，顯然可填充更多的BNn 方可達到臨界狀態(tài)的阻隔效應(yīng)，但實際數(shù)據(jù)與理論測算的出入恰恰表明PU 中的BNn 遠沒有達到理想的納米級二維片分散狀態(tài)，致使PU 的氣阻性很難進一步提升。

碳納米管（CNT）[39,41-42]和納米纖維素[54-56]是研究較多的氣體阻隔用增強一維納米材料。其中納米纖維素又可分為纖維素納米纖維（CNF）和纖維素納米晶體（CNC）兩種結(jié)構(gòu)，CNF 具有較高長徑比，一般長度500～2000 nm、寬度4～20 nm，由非晶和晶體部分組合而成，CNC 則呈現(xiàn)棒狀結(jié)構(gòu)，長度為100～200 nm、寬度5～10 nm，結(jié)晶度高于CNF。將CNF/CNC 加入聚合物中可以顯著提高彈性體的結(jié)晶部分占比，降低分子鏈結(jié)構(gòu)中的自由空間，從而提高對涂層/薄膜對氣體的阻隔能力。Yuwawech 等[54]通過溶液混合法將表面醚鍵改性的CNC 加入PU 基體，相比表面惰性的CNC，PU的強度和熱穩(wěn)定性均有明顯提高，將其涂覆在染料敏化太陽能電池（DSSC）表面作為水蒸氣阻隔材料，CNC 添加量為0.5%時的PU 水蒸氣透過率可降低56%，同時可保持80%以上的光學(xué)透過率，可見CNC 在對透明度要求較高的氣阻材料應(yīng)用中具有獨特的優(yōu)勢。

納米粉體材料中，用于提高PU 氣阻性的主要有Al2O3[57-58]、SiO2[59-60]和TiO2[61-62]等，通過表面具有一定活性的納米顆粒的引入，影響PU 基體的分子鏈結(jié)構(gòu)或柔性-剛性比例，對不同的氣體分子產(chǎn)生特異性阻隔的作用。Karimi 等[60]對比研究了不同壓力下CO2、CH4、N2和He 在納米SiO2增強PU 薄膜中的透過性，當SiO2添加至15%時，對CO2的阻隔性有明顯提升，透過率可降低約10 個單位，而對其他氣體的影響則相對較小，同時，隨著壓力增大，CO2的透過率也呈現(xiàn)更顯著的降低現(xiàn)象，這就為該PU 作為氣體選擇性透過涂層的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，其中納米SiO2通過與分子鏈的弱作用影響了分相，進而改變了PU 對特定氣體的透過率。Guo 等[62]通過水熱法制備了一種TiO2空心微球（HNTSs），將其與無溶劑PU（SFPU）前驅(qū)體共混并交聯(lián)固化， PU 對水蒸氣的阻隔性由于納米微球的引入而提高了111.98%，與此同時，涂層還由于較高的疏油特性而具備了自清潔功能，使得其作為合成皮革PU 的應(yīng)用潛力大大提高。

4 結(jié)束語

聚氨酯相比其他高分子聚合物如雙向拉伸聚酯（BoPET）、乙烯-乙烯醇（EVOH）和聚偏二氯乙烯（PVDC）等，具有獨特低溫柔性、超長耐候、強附著力和抗疲勞等優(yōu)勢，但作為氣體阻隔材料的核心功能仍有較大的提升空間。

大量研究從調(diào)節(jié)聚氨酯柔性鏈段與剛性鏈段的成分和比例入手提高PU 的氣體阻隔性，大體上剛性部分的增加可以降低分子鏈的活動范圍和氣體通過的空間，從而起積極作用，但不可忽視的是這種此消彼長的調(diào)節(jié)方法會急劇地降低彈性PU 的伸長率，從而影響薄膜的可用性，從彈性PU 的力學(xué)機理出發(fā)，柔性鏈段本身所需的拉伸空間是應(yīng)該予以保留的，如何更加有效地選定和分配柔-剛鏈段的比例以及更合理的分子鏈堆疊方案需要進一步開展探索研究，令本征型氣阻PU 更好地發(fā)揮其高透明性的優(yōu)勢。

納米材料的引入會進一步提升PU 的氣阻性，雖然溶液輔助法已被較多研究證實可以達到最佳的氣阻效果，但就工業(yè)應(yīng)用而言，熔融加工工藝相比之下顯然更加高效且低毒，探索一種適合工程化應(yīng)用納米材料作為PU 增強相的研究目前還較為欠缺。此外，納米尺度下的蒙脫土、石墨烯或其他二維材料的解理分散程度是其發(fā)揮效能的關(guān)鍵，目前該類研究所得到的氣體阻隔效果與理論測算之間仍有不小的差距，且添加量一般為3%以下，尚有深入研究的空間。對形成PU 后的納米材料分散狀態(tài)目前缺乏詳盡的表征驗證手段，更多的研究僅僅針對納米材料的長徑比的影響效果進行了對比研究，而納米材料在PU 中的堆疊取向也同樣可以影響氣體阻隔性，但幾乎未發(fā)現(xiàn)在該方面的系統(tǒng)研究。目前，研究的目標氣體集中于水蒸氣、O2或CO2等大分子氣體的滲透阻隔，對H2、He 等小分子氣體的研究較少，這是氣阻PU 本身的性能短板，需要納米增強相的引入進行提升，有必要開展針對性研究，擴展PU 的應(yīng)用場合和適用范圍。