韩 格，粟常红，杨书刚
( 山东理工大学材料科学与工程学院，山东淄博 255049)
摘要：以无溶剂单组分聚氨酯防水涂料为对象，以实验室相关数据为基础，根据国内外无溶剂单组分聚氨酯防水涂料生产现状，结合生产需求、原料配比、市场情况、国内外等因素，采取合理的工业设计方案设计了年产量为3000吨的无溶剂单组分聚氨酯防水涂料工业生产线，可满足个人、家庭、企业等市场需求。
引言
聚氨酯防水涂料是使用最多的建筑防水涂料，可以在各种基面上直接使用，能应用于各种地下建筑、厨房、厕所等场所。因其具有高强度、良好的粘结性、耐磨性、耐化学性等诸多优越性能，使得聚氨酯涂料能被广泛应用于木材、建筑、塑料等领域。
1 实验
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。
4 生产设备的选择
用物料平衡得到的信息和结论进行设备的选择和计算，用于确定生产车间的设备类型和规格。而设备的选择必须考虑技术、资金，同时要结合我国的实际国情。除了设备的选择外，还必须为经济核算和工艺布置创造条件。在选择设备时，应考虑上述相应原则。
4. 1 加热搅拌反应釜
根据该项目的生产要求，该搅拌反应釜选择为立式圆筒形，这种型式的反应釜应用性最广泛，而且安装、操作和检修十分方便。搅拌器选用没有中间圆盘的开启式斜叶涡轮搅拌器，因为其具有良好的流循环能力和湍流扩散能力，不会干扰物料的混合，混合物残留量少，而且桨叶不易受损。因反应温度要求，为了使反应釜内温度受热均匀，选用导热油循环加热方式。由于反应釜具有自我冷却效果，它可以在高温情况下每天24h连续使用。此外，它不产生热量，不产生火花，可以在多尘、潮湿的环境中使用。加热搅拌反应釜各项技术参数如表 4 所示。
4. 2 真空脱水系统
真空脱水系统用于原材料准备阶段的脱水过程，以便后续过程的进行。真空脱水系统选用的是水环式真空泵脱水系统，此系统是机电一体化的真空脱水机，可以连续进行吸收过滤和干燥操作，除去聚醚多元醇中的水分。该真空系统配备了一个作为主体的真空泵、真空表、电气控制系统等一体化设备。为响应国家环保的号召，此次选用的是环保型高性能真空泵，而且手动与自动操作可自行调控，真空度也可自行设置调节，适用于各种生产要求，也能方便配合市场变化的要求。该真空系统操作简单，减少了工人的负担; 占地面积少，方便移动，不需建设专用的独立泵房，减少了成本。如表5所示。
4. 3 真空干燥机
在生产过程中，需要对填料中的轻钙进行使用前的干燥处理，以除去轻钙中的水分。真空干燥器是一种通过抽出容器内的空气并形成预定的真空来去除容器内物料水分的装置。本项目选用的是单锥真空干燥机，内部有搅拌器，使得物料充分脱水。该干燥机有低压、复合间接加热、机身固定和螺带结构的特点，减少了干燥时间和耗能，使受热更加均匀。而且该真空干燥机可以与反应釜相连接，避免物料运输过程中水分的进入。如表6所示。
4. 4 全自动配料系统
全自动配料系统，是工业自动化生产线上的一个必要过程。自动上料系统是由一个以自动上料操作程序计算机为核心的控制单元，并通过智能控制与各种设备连接的生产系统。它具有高精度测量和自动控制的特点，可以大大减少人力，给企业带来巨大的效益。物料通过送料装置或手动满袋填充的方式分批送入计量料仓中，再通过配料系统进行放料。该配料系统适用于粉状、液体等多种类型物料，可满足各种需求，输送能力强，能够实现快速加料，解决了因TDI加入慢而产生的聚合不均匀等问题，也省去反应釜降温的时间，提高了生产效率。如表7所示。
4. 5 液体灌装机
灌装是生产的最后一步，本项目设计中的灌装容量主要是5kg和20kg 的桶装。此次选用的是液体自动灌装机，它具有自动化程度高、省时省力、灌装速度快等优点，灌装时吸力大，通过袋式过滤器 ( 过滤器可承受8个压力) ，自动计量，自动称重进行灌装( 计量可从1～100kg以内) ，误差小，封口机在封口时可自动回位，是大型、中型、小型企业的实用设备。如表8所示。
4. 6 沉降罐
完成一次完整的生产后，使用稀料对反应釜进行清洗。使用后的稀料排入沉降罐中与空气接触。为了使得聚氨酯防水涂料沉降成固体，需要在沉降罐上方设有机械呼吸阀和鼓风机使沉降罐中空气充足。沉降后，上清液可排出继续做清洗剂，沉降的固体由工人回收处理。沉降罐结构图如图4所示。
5 生产车间布局设计
设计一个工厂的布局是工艺设计的主要过程之一。车间布局的实质是将生产资源 ( 包括人员、机器设备和材料) 紧密无缝地整合到一个空间中，在时间上进行适当的整合，可以减少移动材料的工作量，减少设备和物料的潜在损害，并降低成本。
根据生产车间布局和生产设备布局的各项 要求，采用的生产车间选用室内布置，将各个生产设备按照最适宜方式进行布局。本项目设计按照实际生产要求在生产车间内布置两个搅拌反应釜，三条自动包装线，车间外布置稀料沉降罐。车间内分为5kg规格产品生产线和 20kg规格产品生产线，其中5kg规格的产品生产线有两台自动灌装机。车间内的设备平面布置图如 5所示。
来源：云南化工 2022年1月 第49卷 第1期
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