目前,食品包装塑料薄膜印刷油墨主要是溶剂型聚氨酯油墨。随着环保要求的不断提高,溶剂型油墨向水性油墨转型是油墨行业发展的必然趋势。制备水性聚氨酯油墨的关键是合成出性能优异的水性聚氨酯乳液。常规的水性聚氨酯在耐水性、耐热性及附着性能等方面存在不足,特别是难以在非极性塑料薄膜上附着。本论文旨在制备性能优异的水性聚氨酯乳液,并将其应用在食品包装塑料薄膜印刷水性油墨中。为此,本文开展了以下几个方面的研究:1)以二羟甲基丙酸(DMPA)作为亲水性单体,制得了水性聚氨酯乳液,并探讨了DMPA的含量对水性聚氨酯乳液性能及附着性能的影响。研究结果表明,随着DMPA含量的增加,水性聚氨酯乳液的粒径逐渐减小,zeta电位逐渐增大,体系的粘度逐渐增大,贮存稳定性逐渐提高。水性聚氨酯的剥离强度随DMPA含量的增加先增大后降低。当DMPA含量为4.0~4.5 wt%时,制得的水性聚氨酯乳液具有较好的稳定性及附着性能。2)为了进一步提高水性聚氨酯的性能及减少稀释溶剂的用量,在聚氨酯预聚体乳化分散后加入多官能度胺类扩链剂进行后扩链反应,制得了溶剂含量低、性能优异的水性聚氨酯,并研究了后扩链过程及不同官能度胺类扩链剂对水性聚氨酯性能的影响。研究结果表明,胺类扩链剂的后扩链反应主要发生在乳胶粒子表面,实际最大的扩链度约为60%。XRD、DSC、TG和T-剥离强度分析结果表明,三官能度的二乙烯三胺(DETA)是提高水性聚氨酯性能的一种有效的扩链剂。当乙二胺(EDA)/DETA摩尔比为2/3时,制得的水性聚氨酯具有较好的综合性能。本文还研究了NCO/OH摩尔比对水性聚氨酯乳液的稳定性和固含量的影响,结果表明当NCO/OH摩尔比为1.6时,可制得固含量为40 wt%、溶剂含量为5 wt%、贮存稳定的水性聚氨酯乳液。该乳液由于其溶剂含量低,可直接用作配制水性聚氨酯油墨的连接料,避免了溶剂回收的成本。以本实验合成的水性聚氨酯为连接料所制得的水性聚氨酯油墨具有良好的耐蒸煮性,可用于耐蒸煮食品包装PET薄膜印刷。3)为了提高水性聚氨酯在非极性塑料薄膜上的附着力,本文采用含长脂肪链的三羟甲基丙烷单油酸酯(TMPM)作为二醇扩链剂,合成了含长脂肪烃侧链的水性聚氨酯,并考查了TMPM含量对水性聚氨酯性能的影响。FT-IR和1H NMR分析表明TMPM成功地引入到了水性聚氨酯分子中。随着TMPM含量的增加,水性聚氨酯的粒径增大,粘度降低,在塑料薄膜上的润湿性增强,附着性能提高。水性聚氨酯的剥离强度和热稳定性随着TMPM含量的增加先升高后降低。当TMPM含量为6.0 wt%时,水性聚氨酯的剥离强度和热稳定性最高。4)为了进一步提高水性聚氨酯在非极性薄膜上的附着性能,在含6.0 wt%TMPM的水性聚氨酯的基础上,本文采用含2个氨基的硅烷偶联剂(3-(2-氨乙基)氨丙基)三甲氧基硅烷(AEAPTMS)对聚氨酯预聚体进行扩链,合成了硅氧烷侧链均匀分布在聚氨酯主链上的水性聚氨酯乳液,并考查了AEAPTMS含量对水性聚氨酯性能的影响。FT-IR和1H NMR分析表明,AEAPTMS成功地引入到了水性聚氨酯分子中。随着AEAPTMS用量的增加,水性聚氨酯乳液在OPP薄膜上的润湿性增大。AEAPTMS中甲氧基水解生成硅羟基,硅羟基与聚氨酯分子链上的羟基进行缩合反应,增强了水性聚氨酯胶膜的内聚强度;硅羟基还与电晕处理后的OPP薄膜表面上的羟基等活性基团反应形成化学键,增强了胶膜与OPP薄膜的界面附着强度,从而提高了水性聚氨酯在OPP薄膜上的剥离强度。然而当AEAPTMS含量过高时,水性聚氨酯的交联密度过大,内聚强度过高,抑制了聚氨酯链段的运动,从而使得剥离强度降低。当AEAPTMS含量为2.0 wt%时,水性聚氨酯具有最大的剥离强度,同时还具有较好的耐水性和耐热性。该水性聚氨酯配制的水性油墨在非极性的OPP薄膜上具有良好的附着牢度和耐蒸煮性等性能,可用作非极性塑料薄膜的印刷油墨。5)为了考查水性聚氨酯附着性能与交联密度间的相互关系,本文在聚氨酯合成过程中引入含3个羟基的三羟甲基丙烷(TMP),制得了内交联型水性聚氨酯。通过改变TMP含量来改变水性聚氨酯的交联密度,采用数学分析方法得到了附着性能与交联密度间相互关系的拟合曲线,建立了经验方程。结果表明,随着TMP含量的增加,水性聚氨酯的交联密度和内聚强度逐渐增大,从而使其剥离强度逐渐增大,然而当TMP含量过多时,较大的交联密度抑制了聚氨酯分子链的运动,使得水性聚氨酯胶膜与PET薄膜间的界面附着强度降低,且剥离破坏类型由内聚破坏逐渐变化到界面破坏。当TMP含量为2.0 wt%时,水性聚氨酯的剥离强度最大,剥离破坏为内聚破坏和界面破坏的混合破坏。通过二项式拟合法得到了剥离强度(T)与TMP含量(x)相互关系的经验方程T=1.94+0.81x-0.22x2,也得到了剥离强度(T)与交联密度(υ相互关系的经验方程T=1.59+750.44υe-128313.62υe2。同时,方程υe=0.00045+0.0013x和υe=0.00050+0.0013x可表示交联密度与TMP含量间的相互关系。通过建立的经验方程可得出,合适的交联密度是合成一种具有优异附着性能的水性聚氨酯的关键因素之一。在本文中,当交联密度为0.00292 mol/cm3时,水性聚氨酯的剥离强度最大,附着性能最好。6)采用石墨烯改性水性聚氨酯来提高其耐热性及力学性能等性能。首先通过改进的Hummers法制备氧化石墨烯(GO),然后采用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)对GO进行改性,得到含氨基的GO,再采用二乙醇胺(DEA)进行还原,成功制得了含氨基的还原氧化石墨烯(A-r GO),最后采用A-r GO作为增强填料,利用氨基与异氰酸酯基的反应,通过原位聚合法将A-r GO共价键合到水性聚氨酯分子链中,制得了A-r GO/WPU复合乳液。本文考查了原始石墨、GO和A-r GO的结构、形貌和性能及A-r GO含量对A-r GO/WPU复合乳液性能的影响。TEM和SEM分析表明,低含量(≤0.5 wt%)的A-r GO能均匀地分散在水性聚氨酯基体中。随着A-r GO含量的增加,A-r GO/WPU胶膜的力学性能、储能模量和热稳定性逐渐提高。然而,当A-r GO含量过多时,A-r GO的分散性降低,导致A-r GO/WPU胶膜的力学性能降低。当A-r GO含量为WPU固体分质量的0.5 wt%时,制得的A-r GO/WPU复合乳液具有较好的力学性能及耐热性。该复合乳液配制的水性油墨在PET薄膜上具有良好的附着牢度和耐蒸煮性,因此可用来印刷耐蒸煮食品包装PET薄膜。