年产吨木器漆用高性能聚氨酯的生产工艺设计毕业论文.docx
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年产吨木器漆用高性能聚氨酯的生产工艺设计毕业论文
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摘要
本设计为年产2000吨木器漆用高性能聚氨酯的生产工艺设计。
查阅资料了解聚氨酯在木器漆方面的应用现状后采用溶液聚合法分别生成聚氨酯预聚体和环氧树脂，再通过共聚将有机硅和环氧树脂嵌段进聚氨酯链中。
对工艺流程中的原料选择，聚合方法，分离提纯方法，生产设备等进行最合适的选择。
对生产的物料和热量进行衡算，根据设备选型计算，选择合适的设备并投入生产。
绘制生产工艺流程图，物料流程图，聚合釜剖面图和厂房布置图。
经过对聚合反应的实际情况进行分析，采用溶液聚合的工艺生成路线，分别制备聚氨酯预聚体和环氧树脂；采用嵌段共聚的工艺生产路线混合共聚聚氨酯、有机硅和环氧树脂，再对已嵌入环氧树脂和有机硅链段的聚氨酯进行扩链和封端。
根据工业合成最佳配料比，添加的MDI:
PTMEG:
ATPS:
BDO:
KH-550:
BPA:
ECH:
液碱:
新癸酸铋:
CP:
TL=
35:
11:
4:
2:
2:
3:
2:
3:
1:
34:
5。
通过计算，二苯基甲烷-4,4’-二异氰酸酯投料量为606.28kg•B-1，聚四氢呋喃醚二醇投料量为200.78kg•B-1，氨丙基封端聚二甲基硅氧烷投料量为69.47kg•B-1，1,4-丁二醇投料量为29.77kg•B-1，γ-氨丙基三乙氧基硅烷投料量为29.77kg•B-1，双酚A投料量为47.37kg•B-1，环氧氯丙烷投料量为32.84kg•B-1，液碱投料量为47.08kg•B-1，新癸酸铋投料量为9.89kg•B-1，丙酮投料量为592.16kg•B-1，甲苯投料量为86.47kg•B-1；原料每5小时投入一批，全年工作300天（24h/d）。
绘制生产工艺流程图，通过原料投料量选择最优的设备型号，玻璃钢储罐（DRZ-500、DRZ-1000、DRZ-1600、DRZ-2500、DRZ-3800、DRZ-4500），调配罐（XN-RJG300）、脱水釜（ZK300）不锈钢反应釜（GD1-300L、GD1-3000L），不锈钢框式搅拌桨，泵（3DP32-25-160），沉降罐（S-3000）蒸馏塔（JH200、JH500）。
绘制车间布局平面图，通过计算得出生产车间总占地面积应为：
640m2。
通过对原料的购买，设备的购买、水电、人力和地产资源的使用，进行成本核算。
全年生产总成本为7133.39万元，产品单位成本为3.57元/吨。
关键词：
聚氨酯；有机硅；环氧树脂；涂料；溶液聚合；
ProductionProcessDesignofHigh-PerformancePolyurethaneforWoodCoatingswithanAnnualOutputof2000Tons.
Abstract
Thisdesignistheproductionprocessdesignofhigh-performancepolyurethaneforwoodlacquerwithanannualoutputof2000tons.Refertothematerialstounderstandtheapplicationstatusofpolyurethaneinwoodpaint.Afterreferringtothematerials,thesolutionpolymerizationmethodwasusedtogeneratepolyurethaneprepolymerandepoxyresinrespectively,andthensiliconeandepoxyresinwereembeddedintothepolyurethanechainthroughcopolymerization.Selectthemostsuitablerawmaterial,polymerizationmethod,separationandpurificationmethod,productionequipment,etc.Calculatethematerialandheatofproduction,selecttheappropriateequipmentandputitintoproduction.Drawtheprocessflowchart,materialflowchartandplantplan,anddrawthesectionchartofreactionpolymerizationkettle.
Afteranalyzingtheactualsituationofpolymerizationreaction,theprocessofsolutionpolymerizationwasadoptedtopreparepolyurethaneprepolymerandepoxyresinrespectively.Theprocessofblockcopolymerizationwasadoptedtoproducemixedcopolymerizedpolyurethane,siliconeandepoxyresin,andthenthepolyurethanewithepoxyresinandsiliconechainsegmentwasexpandedandsealed.
MDI:
PTMEG:
ATPS:
BDO:
KH-550:
BPA:
ECH:
30%Sodiumhydroxidesolution:
Bismuthneodecanoate:
CP:
TL=35:
11:
4:
2:
2:
3:
2:
3:
1:
34:
5.Throughcalculation,TheinputofMDIis606.28kg•B-1,TheinputofPTMEGis200.78kg•B-1,TheinputofATPSis69.47kg•B-1TheinputofBDOis29.77kg•B-1,TheinputofKH-550is29.77kg•B-1,TheinputofBPAis47.37kg•B-1,TheinputofECHis32.84kg•B-11,Theinputof30%NaOHis47.08kg•B-1,TheinputofBismuthneodecanoateis9.89kg•B-1,TheinputofCPis592.16kg•B-1,TheinputofTLis86.47kg•B-1.Rawmaterialsareputintoonebatchevery5hoursandworkfor300daysayear（24h/d）.Drawtheproductionprocessflowchart,selecttheoptimalequipmentmodelthroughtherawmaterialfeedingquantity,glassfiberreinforcedplasticstoragetank（DRZ-500,DRZ-1000,DRZ-1600,DRZ-2500,DRZ-3800,DRZ-4500）,dissolutionkettle（XN-RJG300）,dehydrationkettle（ZK300）,stainlesssteelreactionkettle（GDl-300,GDl-3000）,stainlesssteelframeagitator,Pump（3DP32-25-160）,settlingtank（S-3000）distillationcolumn（JH200,JH500）.Drawthelayoutplanoftheworkshop,andcalculatethetotalfloorareaoftheworkshop:
1340m2.Costaccountingiscarriedoutthroughthepurchaseofrawmaterials,thepurchaseofequipment,theuseofwater,electricity,manpowerandrealestateresources.Theannualtotalproductioncostwas71.33millionyuan,andtheunitcostwas35700￥/t.
Keywords:
Polyurethane;Organicsilicon;Epoxyresin;Coating;Solutionpolymerization
1绪论
1.1木器漆概述
1.1.1涂料简介
从石器时代，人类就学会了生产和使用涂料。
随着社会的发展和科技的进步，春秋时期的人们就已掌握了通过熬炼桐油制备成涂料使用的方法。
战国时期的人们就已经使用生漆和桐油混合做复配涂料使用，从此开创了多种涂料复配和使用助剂在涂料上的技术，推动了涂料运用的进一步发展。
中国人对生漆的使用技术早在公元前2世纪就已经成熟。
并因桐油和大漆的使用而形成了“油漆”的习惯称呼，一直流传下来。
直到上个世纪初，因为高分子科学技术的发展和各种高分子化合物的成功研制，并投入生产，使油漆的种类的发展和应用性能又更上了一个层次。
在一个世纪前就成功研制了涂料用的醇酸树脂。
从此各种新开发研制的树脂在涂料中也很快就得到应用，使涂料发展进入了一个以合成成膜物质为主的新时代。
中国是涂料生产和消费的大国之一，截至至2019年底统计，我国涂料行业总产量为2500万吨以上，涂料的交易收入总额高达4085亿元。
2019年，中国涂料的产料占全球涂料总产量的38%以上份额，涂料的交易额占据全球33%以上，产销量连续十年领先，位居世界第一。
涂料按用途分为建筑用漆和工业用漆。
而我国的工业用漆产量占涂料总产量大头，工业用漆总产量高达1625万吨每年，占全国涂料总产量的64.7%。
其中属于工业用漆的木器漆占全国涂料总产量6%以上。
1.1.2木器漆简介
用于木材制品表面的涂料统称为木器涂料，包括家具、门窗、地板、护墙板和各种木制日常生活用品等所用涂料。
木器涂料按木器制造的工艺流程可分为两类，板材预涂料和木器成品涂装涂料，按涂料得溶剂不同分类，分为溶剂型涂料、水性涂料和无溶剂涂料。
木器漆品种[1]中具有代表性的有聚氨酯、硝基、聚酯、天然木器漆等属溶剂型涂料；醇酸乳液、丙烯酸乳液、聚氨酯乳液及它们的复配涂料等属于水性涂料；丙烯酸涂料及丙烯酸改性的各种聚酯、环氧、聚氨酯等属于紫外光固化涂料。
目前，我国木器家具用木器漆仍然以上世纪流行的硝基涂料和新世纪流行的溶剂型聚氨酯涂料为主，其中聚氨酯木器漆占有率在不断增长，占我国木器漆销售量的75%。
，而硝基木器漆的比例在逐年下降。
1.2聚氨酯木器漆概述
1.2.1聚氨酯简介
聚氨酯树脂主要是由异氰酸酯与多元聚酯多元醇、多元聚醚多元醇或小分子多元醇等通过加成聚合而成的高分子化合物。
分子链上含有许多重复的氨基甲酸酯-NH-COO-的酯类或碳酸酯酰胺的衍生物。
聚氨酯是一种嵌段聚合物，其结构通式可表示为重复的-（X-Y）n-结构，其中X表示由异氰酸酯与扩链剂部分而构成的硬段，Y表示一般由分子量在千以上的多元醇或多元胺的柔性长链构成的软段。
聚氨酯的合成过程一般包括预聚和扩链两大部分，异氰酸酯先与聚醚型或聚酯型多元醇或多元胺发生反应，生成预聚体，然后预聚体通过加入的扩链剂，进行扩链，形成大分子共聚物。
合成聚氨酯的反应原理如下：
（1）预聚
（n+1）OCN-R-NCO+nH0-R'-OHOCN-R[NH-COO-R'-OOC-NH-R]nNCO
（2）扩链
2-OOC-NH-R-NCO+HO-R"-OH-OOC-NH-R-NH-COO-R"-OOC-NH-R-NH-COO-
聚氨酯可以是线形或体形；制品隔热、耐油；自德国科学家Bayer在1937年合成聚氨酯以来，经过了多年的发展，聚氨酯的品种和用途越来越广泛，包括胶粘剂、涂料、（弹性）纤维、弹性体、软硬泡沫塑料、人造革等，广泛应用于人类生活的各个方面，如建筑行业、服装行业、家具行业和交通运输行业等。
聚氨酯在材料工业中己经占有十分重要的地位。
目前，我国聚氨酯制品中消费最多的是聚氨酯泡沫，聚氨酯泡沫占39.13%、涂料占18.09%、合成革浆料占16.09%，其他制品所占比重均在10%以下。
1.2.2聚氨酯涂料
聚氨酯涂料的主要组成包括四个部分：
树脂基料、颜填料、溶剂及助剂。
其中，树脂基料涂料的基础，它的的性质与结构，决定了涂膜的性能，对涂料的性质起着决定性作用。
因为聚氨酯分子链中的硬段与软段是通过氨基甲酸酯键连接的，聚氨酯结构中含有许多重复的氨基甲酸酯键，因此也常将以聚氨酯为成膜基料的涂料称为聚氨基甲酸酯涂料。
因为聚氨酯中含有的大量氨酯键（-NH-COO-），可形成环形或非环形氢键，使得涂膜具有优异的耐磨性以及优异的耐化学腐蚀性、良好的低温性和柔韧性。
脂肪族聚氨酯涂膜甚至还具有耐紫外线的优点。
目前我国溶剂型的聚氨酯涂料工艺已经十分成熟，涂料性能已达到这些优良性能综合的高水平[2]。
而且由于聚氨酯涂料的漆膜具有良好的物理机械性能、装饰性能以及耐化学腐蚀性能等特点，聚氨酯涂料在各个行业都有着广泛的应用。
1.2.3聚氨酯木器漆
木器漆的年消耗量在中国具有很大的市场份额。
在国内，溶剂型涂料在木器涂料市场占绝对地位，品种以聚氨酯、醇酸及硝基漆等为主，其中，聚氨酯涂料由于粘度大，耐磨性好，装饰性能佳，光泽度好，能与多种颜料复配，漆膜具有物理机械性能优异等特点，使其成为木器涂料的主导产品[3]，聚氨酯木器涂料分为溶剂型木器涂料和水性木器涂料两大类。
溶剂型聚氨酯木器涂料：
溶剂型聚氨酯木器涂料是由石油、苯类、醋酸丁脂或丙酮等有机溶剂作为分散介质，以聚氨酯作为基料，配合助剂、颜填料等而成的涂料。
漆膜具有硬度高、耐磨性好、耐低温不开裂、耐水性好、耐腐蚀性强和装饰性能好的特性。
溶剂型聚氨酯木器涂料既可以用作木器表面漆，抛光成光泽度高的抛光表面或打磨成哑光表面，也可以用作木器底漆，防止木器刮花和腐蚀。
在装饰和保护功能上都有重要作用。
但有溶剂型聚氨酯木器涂料也有一定的缺点，就是涂料体系中含有大量的有机溶剂，而且有机溶剂多是苯类、酯类或酮类等对人体有一定的毒性，对环境也会造成污染的溶剂。
尤其是苯类溶剂，对人体更是具有致癌作用。
而且通常在装修用漆中时，为了便于施工操作，有机溶剂要占到用漆总量的30%以上，施工时和成膜固化时，有机溶剂全部都会挥发在空气中，对人体和环境都有较大的危害。
而且双组分的溶剂型聚氨酯木器涂料还含有未反应完的，游离的异氰酸酯。
游离异氰酸酯在干固化时也会随着溶剂一起挥发，挥发所至的空气若浓度过高，被人体吸入后会刺激呼吸系统，甚至损伤肺部，还会引起头痛，支气管炎和哮喘等不良反应。
水性聚氨酯木器涂料：
水性聚氨酯木器涂料是经过乳化的，可以水为分散介质的乳液，产品中含极少量合成时带有的有机溶剂。
而且由于异氰酸酯基团易与水反应，水性聚氨酯木器涂料体系中无游离的异氰酸酯单体存在，能解决聚氨酯木器涂料中的挥发性有毒气体VOC的问题，而且保持了聚氨酯漆膜的防护性和装饰性等特点。
而且近年来，溶剂型木器漆对人体和环境的危害引起了各级卫生安全部门和环保部门的重视，开始出台各种政策打压溶剂型木器漆。
各级政府部门积极引导家具企业“油改水”涂料改革，推动木器漆行业“油退水进”。
因为各级环保部门大力鼓励安全环保的水性涂料生产，使得近年来水性聚氨酯的开发和应用引人关注[4]。
水性聚氨酯木器涂料的综合性能确实很优越，漆膜的硬度、光泽度和耐磨性也已经接近溶剂型木器涂料。
但事实上，虽然水性木器漆借着生态环保、健康安全的特点，受到了环保部门的追捧，但水性木器漆在市场上还不能完全取代溶剂型木器漆的使用。
油性木器漆能够在过去几十年的风雨中屹立不倒，有它不可替代的价值[5]。
水性木器漆虽然在发达国家已经得到了市场占有率80%的广泛的运用，但目前水性木器漆在中国市场份额还不足20%。
油性木器漆经过了几十年的发展，已经有大规模化的生产设备，生产制造工艺也十分成熟。
而且油性木器漆的耐水性，耐磨性和装饰性等性能都比水性木器漆优异，生产成本低廉，施工过程简单，已经成为了我国涂料行业经济发展中不可替代的部分。
所以大部分涂料企业都还是以油性涂料作为主打产品。
在当今涂料家具装修市场中，油性聚氨酯木器漆依然还是首选，水性木器漆涂料目前还不能撼动油性木器漆涂料在中国市场的地位。
油性聚氨酯漆以其优越的丰满度、硬度、耐磨损性和耐水性在使用方面，是目前水性木器漆短时间内无法替代的。
1.2.4聚氨酯木器漆的合成原料
聚氨酯木器漆的主要树脂为聚氨酯，与其他合成树脂相比，聚氨酯的主要特点在于原料种类丰富、配方多样，使得产品的性质具有很宽的可调范围，聚氨酯的产品形态十分丰富，可根据产品的性能要求，采用不同性质的原料和制备工艺，或对产品的软硬度进行调整，使得制备的产品具有良好的物理机械性能化学性能。
聚氨酯的合成原料主要由两种原料组成，一种是多异氰酸酯（通常为二异氰酸酯），起着硬段的作用，一种是多元醇（主要为二元醇），起着软段作用[6]。
常用的异氰酸酯分为芳香族异氰酸酯和脂肪族异氰酸酯。
芳香族类异氰酸酯：
芳香族异氰酸酯主要有甲苯二异氰酸酯（TDI）、二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）和苯二亚甲基二异氰酸酯（XDI）；芳香族异氰酸酯含有苯环结构，形成的聚氨酯涂膜硬度高，耐磨性好、耐化学腐蚀性优异，但是芳香族的异氰酸酯的弹性、延展性、抗冲击性和耐光性较差。
但目前聚氨酯市场还是以芳香族异氰酸酯为主。
芳香族异氰酸酯中应用最广，产量最大的是的是甲苯二异氰酸酯和二苯基甲烷二异氰酸酯。
甲苯二异氰酸酯如图1.1，是无色有强烈刺鼻味的液体，遇光变黄，对皮肤、眼睛有强烈刺激作用，并可引起过敏或哮喘，主要用于聚氨酯泡沫塑料、涂料、合成橡胶、绝缘漆、粘合剂等。
二苯基甲烷二异氰酸酯如图1.2，二苯基甲烷二异氰酸酯分为纯MDI和粗MDI。
纯MDI常温下为白色固体，遇光也会变黄，加热时有刺激气味，适用领域与甲苯二异氰酸酯相同，可相互作为替代基料使用。
图1.1甲苯二异氰酸酯结构图1.2二苯基甲烷二异氰酸酯结构
脂肪族类异氰酸酯
脂肪族异氰酸酯简称ADI，包括脂环族异氰酸酯。
脂肪族二异氰酸酯主要有六亚甲基二异氰酸酯（HDI）、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）、二环己基己烷二异氰酸酯（HMDI）、苯二亚甲基二异氰酸酯（XDI）和四甲基间苯二亚甲基二异氰酸酯（TMXDI）。
脂肪族类异氰酸酯[7-8]由于没有苯环，形成的聚氨酯涂膜具有良好的柔韧性和耐紫外光能力，而且脂环结构赋予聚氨酯涂膜良好的硬度和柔韧性，适合用于制备光固化树脂漆。
常用的脂肪族异氰酸酯有HDI、IPDI和HMDI。
六亚甲基二异氰酸酯如图1.3，六亚甲基二异氰酸酯的毒性和挥发性较大，一般将HDI与水反应制成缩二脲二异氰酸酯，或者催化形成三聚体。
不仅降低了挥发性，而且较高的分子量和官能度也使得涂料易干，力学性能好，耐化学性和耐候性好，粘附力好。
异佛尔酮二异氰酸酯如图1.4，反应活性比芳香族异氰酸酯低，蒸气压也低。
制成的聚氨酯树脂具有优异的光稳定性和耐化学性。
一般用于制造高档的聚氨酯树脂如耐光聚氨酯涂料、耐磨耐水解聚氨酯弹性体和高要求的不黄变微孔聚氨酯泡沫塑料。
二环己基甲烷-4,4'-二异氰酸酯如图1.5，可制得不黄变聚氨酯产品，适合于生产具有优异光稳定性、耐候性和机械性能的聚氨酯材料，特别适用于生产聚氨酯弹性体、水性聚氨酯、织物涂层和光固化聚氨酯丙烯酸涂料。
不仅具有优异的力学性能，还有优异的耐水解性和耐腐蚀性。
图1.3六亚甲基二异氰酸酯结构图1.4异佛尔酮二异氰酸酯结构
图1.5二环己基甲烷-4,4'-二异氰酸酯结构
在选择性上，由于我国脂肪族二异氰酸酯的生产工艺不够成熟，生产规模不够大，年产量远不及芳香族二异氰酸酯大，高脂肪族二异氰酸酯的价格比芳香族的高得多，脂肪族二异氰酸酯一般只用于生产高端的UV固化涂料。
考虑到生产成本与利润，国内市场大部分聚氨酯木器漆原料还是芳香族二异氰酸酯。
TDI和MDI作为聚氨酯的生产原料，可互为替代品，虽然目前在涂料体系中，但TDI还是占二异氰酸酯类原料的使用的大部分，因为MDI合成的涂料被认为会形成双醌式结构，黄变较TDI产品的更为严重，且本身活性过高，活化期较短[9]，其固化剂施工时间很短不适合喷涂的施工方式，受到很大限制，且价格也不占优势，所以涂料行业中应用最多的是还是TDI[10]。
但是MDI的毒性及其较低的蒸气压，挥发性比TDI小得多对人类及对环境的危害性小于TDI涂料，而且有证明表示MDI在光照时并不会生成双醌式结构，而且目前国内大型生产制作企业正对MDI的生产投入大量资金和技术，扩建了多个生产厂房，MDI的价格将会得到缓解，MDI作为聚氨酯的生产原料的市场一定会逐步替代TDI。
合成聚氨酯所用的多元醇为分子结构中含有两个或两个以上羟基（-OH），分子量为几千范围的大分子化合物。
常用的多元醇分类有聚醚多元醇、聚酯多元醇和聚硅氧烷多元醇。
以聚醚多元醇作为主链的聚氨酯，因其含有大量醚基，内聚能较低、柔性较好、耐酸碱性能也好，但硬度、耐热性和耐磨性较聚酯型聚氨酯的差，而且随聚醚多元醇分子量的增加，这种现象越明显表现在产品上。
以聚酯多元醇作为主链的聚氨酯丙烯酸酯的机械强度较高，固化膜的模量、抗张强度及耐热性也较聚醚型聚氨酯的优异。
但在固化膜的耐化学腐蚀性上，并不如以聚醚型聚氨酯。
而且聚醚型聚氨酯本质上具有更好的耐水解性，因为醚基的水解稳定性本身就优于酯基。
聚醚型聚氨酯要比聚酯型聚氨酯表现出更好的低温性能，这主要因为聚醚型聚氨酯软段比具有相应甲基单元数和分子量的聚酯型聚氨酯有较低的玻璃化转变温度[11]，而且聚酯多元醇产品的透明度并不及聚醚多元醇产物的透明度高。
硅氧烷多元醇的Si-O键长较长、键能比C-C键能大，同时Si上的烷基具有降低表面张力性，能使水分子难以与带有硅的分子链段接触，因此含有聚硅氧烷嵌段的聚氨酯的固化膜耐热性、耐寒性、耐水性和耐污性都很优异。
而且聚酯的黏度也能得到降低。
不足之处是，因为聚硅氧烷的加入，使得固化膜表面的机械性能较差，与基材粘接性不强。
多元醇的选择可以同时采用两种及以上的多元醇作为混合主链结构，采用多种混合软段结构为主链的聚氨酯，在性能上能表现出不同结构段的特点。
例如同时包含聚醚链段和硅氧烷链段的主链，可以使得聚氨酯产品在机械性能和耐热性上都表现优异。
1.2.5聚氨酯木器漆的发展
由于木器制品行业发展迅速，市场对于木器漆的性能要求也在不断的提高。
单一的聚氨酯涂料，在实际应用过程当中，其光泽度、耐水性以及硬度等性能存在一定的局限性，因此可以尝试通过各种改性涂料的方式，提高聚氨酯漆的性能水平。
在目前的改性技术水平下，聚氨酯涂料适用的改性方式主要有两种类型。
第一种是通过化学方法干预的方式，通过改变聚氨酯基料的组成，改善聚氨酯漆的特性；第二种则是通过物理共混方法，将特性互补的材料与聚氨酯进行物料混合复配，使聚氨酯涂料能够具备多样
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