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聚氨酯的水性化研究适应当前绿色、环保和安全的时代发展主旋律,在涂料等领域应用广泛。以各种硅烷、硅氧烷结构改性水性聚氨酯,改善水性化产品漆膜的耐水性、耐热性,提高涂层机械性能和表面疏水性及其它应用性能,是一种很有前途的研究和发展方向。本论文首先优化了水性聚氨酯的基础合成配方和工艺,在此基础上,分别使用端氨基硅烷偶联剂封端、硅烷偶联剂与硅烷封端聚氨酯预聚体共水解以及硅烷偶联剂与POSS共封端的方法,制备自交联型聚氨酯／有机硅杂化乳液,并就水性体系组成和结构设计对乳胶膜性能的影响进行了系统性研究。本论文主要工作如下：(1)水性聚氨酯基础合成配方和工艺的确定：以配方和工艺优化为目的,以热塑性水性聚氨酯合成为起点,设计工艺路线和配方,以乳液稳定性和乳胶膜性能作为评价标准,分别对水性聚氨酯合成过程中四种制备工艺以及涉及乳液和胶膜性能的关键因素,即r/R值、交联度和亲水单体含量的影响进行了系统研究,获得最优工艺参数。所制备的乳液室温下贮存稳定期在6个月以上,胶膜拉伸强度超过40MPa,断裂伸长率1000%,弹性模量33.5 MPa,吸水率9.3%。(2)端氨基硅烷偶联剂封端水性聚氨酯乳液制备：以优化后的水性聚氨酯合成为基础,制备端异氰酸酯基聚氨酯预聚体,引入3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)封端,并在水中分散,得到一系列稳定的水性聚氨酯乳液。端基所带的烷氧基在水中会部分水解成硅醇,有益于水性分散体的稳定性；烷氧基硅烷和硅醇结构在成膜时进一步的水解缩合即形成自交联结构。系统研究了交联单体含量、硬段含量、固含量、亲水单体含量、体系pH值和热处理条件等对胶膜主要性能,包括机械强度、动态机械性能、吸水率、表面接触角及热稳定性等的影响,并对胶膜表面形貌进行了考察。结果表明,APTES含量控制在10-15wt%,硬段含量在40%以下,固含量40%以下时可以得到稳定的乳液和良好的胶膜性能；热处理温度的升高和时间的延长有利于胶膜的力学性能和耐水性的进一步提升；APTES的自交联结构的引入与树脂结构优化协同,是提高胶膜低温成膜性能的有效途径。(3)硅烷偶联剂与硅烷封端聚氨酯预聚体共水解制备杂化乳液：通过硅烷偶联剂与含硅氧烷聚氨酯预聚体共水解的方式,将含甲基、苯基和全氟烷基的硅烷偶联剂引入水性聚氨酯体系,制备了杂化乳液。在乳液成膜过程中,通过偶联剂和聚氨酯封端基团的共缩合过程,同时实现了硅氧烷树脂的缩合制备与聚氨酯的自交联,并且缩合／交联反应的原位化成功抑制了体系中的相分离。所制备的乳液室温下贮存稳定性在半年以上。胶膜耐热性有所提高,同时含氟偶联剂的引入可以显著提高胶膜表面疏水性能,在含氟偶联剂添加量为8wt%时,胶膜接触角可以达到120°。(4)硅烷偶联剂与POSS共封端制备水性聚氨酯杂化乳液：以APTES和端氨基单官能度POSS共同对端异氰酸酯基聚氨酯预聚体进行封端,合成了一种POSS改性的自交联型水性聚氨酯乳液。所合成的乳液具有良好的稳定性,POSS引入使乳液粘度显著增加,并表现出触变性。X-射线衍射(XRD)表明了POSS的微晶结构,X-射线光电子能谱(XPS)揭示了POSS的自分层现象。本文对POSS引入量对其机械性能、动态机械性能、表面接触角、吸水率以及介电常数等的影响进行了研究。结果表明,POSS在成膜中可以形成微小晶区,起到物理交联作用,该物理交联与化学交联协同,提高乳胶膜的机械性能：POSS组分在表面的富集使乳胶膜接触角显著升高；同时介电常数显著下降。对乳胶膜使用含氟硅烷偶联剂进行氟化处理,通过氟硅协同效应,将其表面接触角提高到1270,进一步降低了POSS/PU杂化树脂的介电常数和介电损耗。