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硫醇后扩链对水性聚氨酯丙烯酸酯性能的影响及制备工艺优化研究

一、引言

1.1研究背景与意义

水性聚氨酯丙烯酸酯（WaterbornePolyurethaneAcrylate，简称WPUA）作为一种重要的高分子材料，近年来在涂料、胶粘剂、油墨等领域展现出广阔的应用前景。它结合了聚氨酯（PU）和聚丙烯酸酯（PA）的优点，具有良好的成膜性、柔韧性、耐磨性以及耐化学品性。随着环保意识的不断增强和对挥发性有机化合物（VOC）排放限制的日益严格，水性聚氨酯丙烯酸酯以水为分散介质，具有低VOC排放、无毒、不易燃等优点，符合绿色环保的发展趋势，逐渐成为传统溶剂型材料的理想替代品。

然而，水性聚氨酯丙烯酸酯在实际应用中仍存在一些性能上的不足，如耐水性、力学性能和储存稳定性等方面有待进一步提高。后扩链是一种有效的改善水性聚氨酯性能的方法，通过在聚氨酯合成过程中引入后扩链剂，可以提高聚氨酯的分子量，增强分子链间的相互作用，从而改善其性能。硫醇作为一种新型的后扩链剂，具有反应活性高、反应条件温和等优点，能够与聚氨酯预聚体中的异氰酸酯基团发生快速的加成反应，形成稳定的化学键，有效提升水性聚氨酯丙烯酸酯的性能。

研究硫醇后扩链对水性聚氨酯丙烯酸酯性能的影响具有重要的理论和实际意义。在理论方面，深入探究硫醇后扩链反应机理以及对水性聚氨酯丙烯酸酯结构与性能关系的影响，有助于丰富高分子材料科学的理论体系，为进一步优化材料性能提供理论基础。在实际应用方面，通过硫醇后扩链改性制备高性能的水性聚氨酯丙烯酸酯，能够满足不同领域对材料性能的更高要求，推动其在涂料、胶粘剂等行业的广泛应用，具有显著的经济效益和社会效益。

1.2国内外研究现状

国内外学者在水性聚氨酯丙烯酸酯的制备和性能研究方面取得了一系列成果。在制备方法上，主要采用预聚体分散法和丙酮法。预聚体分散法是先合成含有异氰酸酯端基的聚氨酯预聚体，然后在高速搅拌下将其分散于水中，再加入扩链剂进行扩链反应；丙酮法是在反应体系中加入丙酮作为溶剂，降低体系黏度，便于反应进行，反应结束后再通过减压蒸馏除去丙酮。

关于后扩链剂对水性聚氨酯性能的影响，国内外已有不少研究。传统的后扩链剂如乙二胺、二乙烯三胺等能够在一定程度上提高水性聚氨酯的力学性能，但也存在一些问题，如反应活性较高，容易导致体系凝胶化，且对耐水性的改善效果有限。近年来，硫醇作为后扩链剂的研究逐渐受到关注。国外研究表明，硫醇与异氰酸酯的反应速率快，能够在较低温度下进行后扩链反应，并且可以通过调整硫醇的结构和用量来精确控制水性聚氨酯的分子量和性能。例如，有研究通过引入含硫醇基团的扩链剂，成功提高了水性聚氨酯的拉伸强度和断裂伸长率，同时改善了其耐水性。

国内在硫醇后扩链水性聚氨酯丙烯酸酯的研究方面也取得了一定进展。一些研究工作致力于探究不同结构硫醇后扩链剂对水性聚氨酯丙烯酸酯乳液稳定性、胶膜力学性能和耐水性的影响规律。结果发现，合适结构和用量的硫醇后扩链剂可以显著提高水性聚氨酯丙烯酸酯的综合性能。然而，目前关于硫醇后扩链水性聚氨酯丙烯酸酯的研究仍存在一些不足。一方面，对硫醇后扩链反应机理的研究还不够深入，缺乏系统的理论分析；另一方面，在实际应用中，如何优化制备工艺以实现高性能硫醇后扩链水性聚氨酯丙烯酸酯的工业化生产，还需要进一步探索和研究。

1.3研究内容与方法

本研究旨在通过硫醇后扩链改性制备高性能的水性聚氨酯丙烯酸酯，并对其性能进行深入研究。具体研究内容包括以下几个方面：

硫醇后扩链水性聚氨酯丙烯酸酯的制备工艺研究：采用预聚体分散法，以异氰酸酯、聚醚多元醇、二羟甲基丙酸（DMPA）等为主要原料合成聚氨酯预聚体，然后加入硫醇后扩链剂进行后扩链反应，探究不同反应条件（如反应温度、反应时间、硫醇用量等）对制备过程和产物性能的影响，优化制备工艺。

硫醇后扩链水性聚氨酯丙烯酸酯的性能分析：对制备得到的水性聚氨酯丙烯酸酯乳液及胶膜进行性能测试，包括乳液的稳定性（如粒径分布、储存稳定性等）、胶膜的力学性能（如拉伸强度、断裂伸长率、硬度等）、耐水性（如吸水率、耐水浸泡性能等）、耐化学品性（如耐酸、碱、盐溶液性能等）以及热稳定性等，研究硫醇后扩链对水性聚氨酯丙烯酸酯各项性能的影响规律。

硫醇后扩链水性聚氨酯丙烯酸酯的结构表征：运用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、核磁共振氢谱（1H-NMR）、差示扫描量热仪（DSC）、热重分析仪（TGA）和扫描电子显微镜（SEM）等分析测试手段，对硫醇后扩链前后水性聚氨酯丙烯酸酯的化学结构、微观形态和热性能进行表征，深入分析硫醇后扩链对其结构的影响，建立结构与性能之间的关系。

在研究方法上，本研究采用实验研究与理论分析相结合的方式。实验方面，严格按照实验设计进行原料的称量、反应操作和性能测试，确保实验数据的准确性和可靠