单组分; 聚氨酯; 防水涂料; 生产工艺

1. 1 原材料的选用

    无溶剂型聚氨酯防水涂料的主要原料由聚醚多元醇 ( DL －2000D、330N) 、TDI、蓖麻油、液体石蜡、轻钙、催化剂四甲基乙二胺和潜固化剂 CH －3 组成。

    原材料的选择是基于各种考虑和实验，以尽可能地满足市场和应用要求。在选用的原材料中，蓖麻油可以作为多羟基的原料参与聚氨酯防水涂料的制备。虽然蓖麻油在结构上与聚醚 ( 酯) 不同，但是其分子结构上的酯键少，没有醚键，因此其可以与聚醚、多异氰酸酯发生反应生成端基为 －NCO 的蓖麻油基聚氨酯预聚体，提高了产物的交联性，也改善了自身的许多性能。
    与其他聚氨酯防水涂料相比，添加蓖麻油的聚氨酯防水涂料的性能比较好，成膜后有良好的耐水解性和柔韧性，附着力也有所增强。而且由于蓖麻油是可再生资源，不仅保证了原料来源的稳定，而且大大降低了对环境的开采破坏。聚醚 DL －2000D和高活性聚醚多元醇 ( 330N)具有较高的伯羟基活性成分，与低分子量聚酯多元醇相比，具有较高的NCO基团含量，使得聚氨酯的交联密度增加，可提高抗拉强度，在固化反应中提供理想的抗拉强度和断裂强度。因此，聚醚 DL －2000D和聚醚330N是本项目中整体性能优越理想的涂料材料。此外，DL －2000D聚酯的毒性低危害小，聚醚多元醇( 330N) 没有毒性，可以保护人员的健康并大大减少对环境的污染。

    TDI是一种芳香族二异氰酸酯，不仅可以促进聚氨酯的合成，而且比脂肪族异氰酸酯更具有反应活性。TDI中的 NCO基团非常活跃，很容易与水、醇类、胺等发生反应。

    为了增强涂料强度，减少涂料中气泡的生成，改善产品的整体性能，减少生产成本，采用轻钙为填料，石蜡为液体填料。轻钙的粒度比重质碳酸钙小，沉降性能方面优异，具备稳定性和改善热稳定性。石蜡可以使得制品具有粘附性，柔韧性增强和增加弹性模量，而且石蜡本身具有防水性。选用的潜固化剂是环保型潜固化剂 CH－3，可以与水优先反应，形成多功能活性基团。活性基团与异氰酸酯基团迅速交联固化，还可以大幅度解决聚氨酯防水涂料固化过程中的发泡和冬季固化时间慢的问题，能够调节聚氨酯防水涂料的机械性能，提高了耐老化性和附着力。同时使得无溶剂单组分聚氨酯防水涂料的固含量得到提升，没有刺激性气体排出，使得 VOC的排放基本上为零。

1. 2 配比的确定

    根据实验室相关实验对配方中各种原料的含量配比进行调整，并对防水涂料的拉伸强度等指标进行检测，进而得到能够生产出满足实际生产具体需求的配方。综合考虑后将在实验室中得到的配方作为本项目的最终工业生产配方依据，但在实际工业生产中可根据购买者的需要，对上述配比进行相应调整。工业生产的配方如表 1。

2 工艺流程设计

    无溶剂单组分聚氨酯防水涂料如何实现工业规模的生产，是本项目设计的关键问题。通过分析了解现已存在的传统聚氨酯防水涂料生产工艺与设备，在传统聚氨酯防水涂料生产工艺基础上，按照无溶剂单组分聚氨酯防水涂料的生产需求，设计相应工业规模的生产流程。目前市面上的聚氨酯防水涂料大部分为溶剂型，其对施工的技术要求很高，一般用于大规模施工，不利于个人和小规模施工使用。为此在本项目设计中通过特定的工艺设计，生产出对施工技能要求较低、方便个人或小规模使用的无溶剂型聚氨酯防水涂料。

2. 1 工艺流程

    按照上述工艺流程确定原则，根据对相关聚氨酯防水涂料的市场调查研究，包括产品的常用容量、使用人群等，结合社会需求，本项目设计出产品单份容量分别为5kg和20kg的无溶剂型聚氨酯防水涂料。综合所有的因素和原则考虑，设计的工艺流程如图 1。
 

2. 2 反应釜清洗及清洗废液处理

    根据聚氨酯防水涂料的特性，本项目设计选用化学清洗法。反应釜内的残留物主要是无溶剂型聚氨酯防水涂料的残留物，选用的化学清洗溶剂的主要特性为能溶解无溶剂型聚氨酯的防水涂料及其原料、有挥发性等。因此，在本项目设计的工业生产中选用NY－ 200作为稀料。NY －200也称为稀释剂或溶剂油，气化低，能方便除去反应釜中残留稀料。用稀料清洗反应釜后通过加热除去残留稀料。
    稀料多次洗涤残留的聚氨酯防水涂料后，可在沉降罐中通过与空气反应使其沉淀，沉降后的上清液由于也是稀料，可以继续做清洗剂使用。这样不仅减少了生产成本，使得清洗剂能循环使用，还减少了对环境的破坏。
    反应釜清洗和废液回收过程示意图如图 2。
 

3 物料衡算

    物料衡算是确定生产过程中物料量和物料转化比例的过程，是生产过程中最重要的计算之一，其基础是质量守恒定律。根据质量守恒定律，进入工厂某项作业的材料总量必须等于作业结束时收到的产品总量加上其他材料损失。

3. 1 物料衡算的方式

    第一步要确定物料衡算的计算范围，第二步绘出物料衡算示意图，第三步选定该项目设计的计算基准，第四步确定此次物料衡算的相关数据。物料衡算的示意图如图3所示。
 

    再通过物料衡算的方式，由已经知的数据和信息，根据下面的公式进行物料衡算;ΣG= ΣG1+ΣG2 ( 1)式中: ∑G 为生产过程中输入到加工设备中的物料量的总和; ∑G1为生产过程中从加工设备中输出的物料量 ( 包括合格产品和次品的量) 的总和; ∑G2为生产过程中所有设备中的物料损失量的总和。

3. 2 物料衡算的计算基准和相关数据资料

    根据本项目设计的实际生产流程，选择时间基准为此次的计算基准，采用连续生产进行相关物料衡算计算。考虑到实际生产过程中的意外事故、全厂维修、生产线维修或其他事情导致意外停机时间大约为5%～15% 。除此之外，年生产时间还应除去法定假日和员工休息日等小假期。因此，在本课题设计中连续生产的全年生产时间为350d。经过调查和研究得出，聚氨酯防水涂料的合格率为90%～95% ，物料的自然损耗率为 0. 2%～0. 3% ，在设备中残留量和包装过程中损失量为 1%～2% 。设备和包装过程中的损失量主要依赖于设备的选用和工艺设计，可使其损失量降至最低，而且没有多余物料的回收。

3. 3 聚氨酯防水涂料生产物料衡算

3. 3. 1 工作时间

    年工作时间: 365d－15d( 法定节假日) =350d;设备大修时间: 20d/a=160h/a;特殊情况停机时间: 10d/a=240h /a;设备启动、清理设备时间: 1次/天，0. 5h /次;( 350d－20d－10d) × 0.5h=160h≈6. 7天实际生产时间: ( 365d－15d－20d－10d) × 24h－160h = 7520h≈313. 3d≈313d设备利用系数 K:K = ts/tn ( 2)ts 为实际开车时间，tn为年工作时间。通过上述计算公式得出本课题设计中设备的利用系数为 313. 3d /350d = 0.895。

3. 3. 2 单次生产所需时间

    总加料时间: 0.5h; 80℃ 真空脱水时间: 0.5h;80℃加热搅拌时间: 2h; 反应釜清洗时间: 0.5h;包装系统速率: 6罐/min。包装所需时间:5kg规格的产品每2500kg灌装 所需时间:( 2500kg/5kg) /6 ( 罐/min) ≈83.3min≈84min =1.4h; 5kg规格的产品两条包装线同时运转，则所需时间为 1.4h/2=0.7h;20kg规格的产品每2500kg灌装所 需时间:( 2500kg/20kg) /6 ( 罐/min) ≈20.83min≈21min=0.35h;单次生产所需时间:0.5h + 0.5h + 2h + 0.5h +0.7h = 4.2h。

3. 3. 3 单生产线聚氨酯防水涂料的生产量计算

    根据相关反应釜的相关机械参数，常规反应釜的容积为500～ 5000L，本项目设计中选择的反应釜容积为3000L。年生产量:3000t;日平均生产量 = 年生产量 ÷ 实际生产时间日平均生产量 = 3000t ÷ 313d = 9. 58t /d ≈10t /d。单个反应釜生产量 =2500kg

3. 3. 4 生产车间人员工作安排

    根据车间实际生产和工厂工作要求进行工作安排。工作时间: 8:00－12:00，13:30－17:30;人员工作日安排: 采取单休制，各员工轮休，保证车间每日的运转。

    每日生产车间人员岗位分工如表 2。
 

3. 3. 5 实际聚氨酯防水涂料所需原料计算

    根据实验室获得的相关实验数据，单个反应釜每次生产 2500kg 的无溶剂型聚氨酯防水涂料，按照工业生产所需量进行同比例计算得到实际所需的原料数量。在实际的工业生产中，原料的实际使用量要考虑损耗量、产品合格率等问题。根据本课题中所得到的标准，按照最保守的标准估计原材料的数量。设聚氨酯防水涂料的合格率为 90% ，物料的自然损耗率为0.3% ，在设备中残留量和包装过程中损失量为 2% ，据此进行物料衡算。根据表 1 结果对实际单次无溶剂单组分聚氨酯防水涂料所需物料进行衡算，其中催化剂四甲基乙二胺占比很小，在总量计算时可以忽略不计。得出的结果如表 3 所示。