郭積文 樊毅 周承靜

（中國科學院銀川科技創(chuàng)新與產業(yè)育成中心，寧夏 750011）

TPU雙螺桿法生產工藝設計改進

郭積文 樊毅 周承靜

（中國科學院銀川科技創(chuàng)新與產業(yè)育成中心，寧夏 750011）

目前，TPU生產方法主要有間歇法、雙螺桿法和傳送帶法。其中間歇法特點是設備投資小，產品品種容易更換，適用于小規(guī)模生產；雙螺桿法和傳送帶法均可進行連續(xù)反應，實現(xiàn)連續(xù)化生產，適用于大批量生產[1-2]。介紹了雙螺桿法生產TPU的原料、設備和生產工藝，針對目前普遍采用的平面流線化雙螺桿生產工藝存在的問題作了詳細論述，提出一種高效的立體化雙螺桿法生產工藝設計。

TPU；雙螺桿法；工藝設計；生產效率

TPU（Thermoplastic polyurethanes）中文名稱為熱塑性聚氨酯彈性體橡膠，由二異氰酸酯類分子和大分子多元醇及低分子多元醇共同反應聚合而成，具有熱可塑性，它是介于橡膠和塑料之間的一類高分子材料。TPU由德國BAYER公司首次于20世紀50年代開發(fā)成功并開始工業(yè)化生產，隨后德國BASF、美國GOODWICH、DOW等公司也相繼開始研發(fā)生產。日本是亞洲第一個引進德國TPU生產技術的地區(qū)，在20世紀80年代，臺灣又從日本引進了這種技術，并且開始工業(yè)化生產。直到上世紀七八十年代我國大陸地區(qū)才初步掌握了TPU雙螺桿法連續(xù)生產技術，但是由于TPU生產技術門檻高，特別是設備精密度和生產管理水平要求高。所以很長一段時間內我國大陸地區(qū)的生產技術一直在低水平徘徊，研究領域也未能取得突破性進展，研發(fā)和生產水平一直落后于外資企業(yè)和臺資企業(yè)。進入21世紀后，隨著各大外資、臺灣企業(yè)的逐漸登陸，大陸的TPU生產在其影響下得到了顯著發(fā)展。2000年以后的十年間，我國TPU行業(yè)生產應用得到了爆發(fā)式的增長。目前在TPU全球區(qū)域分布方面，已輻射至歐洲、北美、亞太、南美和中東非洲地區(qū)，我國大陸地區(qū)TPU的供應商和下游客戶大部分集中在華南和華東沿海地區(qū)[3-4]。

TPU材料已逐漸發(fā)展為許多行業(yè)的重要組成部分，是替代PVC（聚氯乙烯）以滿足諸多領域環(huán)保要求的理想材料，被國際上稱為新型環(huán)保聚合物材料。其主要終端市場涵蓋了建材裝飾、汽車部件、服裝鞋材、電纜電線、醫(yī)藥衛(wèi)生、管道管材及航天軍工等領域。2015年全球TPU市場規(guī)模大約為19.21億美元，亞太地區(qū)以超過50 %的銷量領先全球市場。根據(jù)IAL的數(shù)據(jù)預測，2017年全球TPU制品的產量將達到5.468×105t，根據(jù)中國聚氨酯工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國TPU制品消費量從2007年的1.15×105t增長到2013年的2.3×105t，年復合增長率為12.25 %， 2017年我國TPU消費量預計將達到3.52×105t，占全球TPU消費量的64 %。

目前，我國雙螺桿法TPU生產線設計普遍采用平面流線化設計方案，該方案優(yōu)點是設計簡單、建設方便、生產設備集中、廠房投資少。但是缺點也相當突出，主要體現(xiàn)在設備放熱造成車間室溫高、生產設備產生極大噪聲，工人生產操作環(huán)境條件差，嚴重影響工人身體健康；同時存在重復搬用浪費，增加設備投資，生產成本高等問題。

本文作者在實踐生產基礎上，總結歸納提出TPU立體空間化設計方案，旨在解決上述存在問題，提高土地利用率。

1 TPU生產工藝

TPU是由氰酸酯和多元醇共同發(fā)生聚合反應而生成的高分子化合物。其分子結構是由二苯基甲烷二異氰酸酯或甲苯二異氰酸酯和擴鏈劑反應得到的剛性嵌段以及二苯基甲烷二異氰酸酯或甲苯二異氰酸酯等二異氰酸酯分子和大分子多元醇反應得到的柔性鏈段交替構成的。

1.1 生產原料

1.1.1 多元醇聚合物

用于TPU生產的多元醇聚合物有兩大類：聚酯多元醇和聚醚多元醇。常見的聚酯多元醇有聚已二酸乙二醇酯、聚已二酸丁二醇酯、聚已二酸乙二丙二醇酯等；聚醚多元醇有聚氧化丙烯二醇和聚四氫呋喃二醇。評價其品質優(yōu)劣的指標主要有：羥值、酸值、黏度、水分、分子量分布范圍、不飽和度等。

1.1.2 異氰酸酯

TPU生產常用的異氰酸酯為二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI），分子式為C15H10N2O2，相對分子量：250，屬于芳香族類化合物，常溫下純MDI呈白色或微黃色固體，加熱時有刺激性臭味，對呼吸器官有較小的刺激性，熔點≥38 ℃，沸點：194 ～ 199 ℃，密度：1.19。

1.1.3 擴鏈劑

擴鏈劑主要是低分子二元醇、小分子二元胺，分子量在80 ～ 350。主要有1，4-丁二醇（BDO）、1，4-環(huán)己烷二甲醇、1，4-雙2-羥乙氧基苯等。其中常用的是1，4-丁二醇，分子式：C4H10O2，相對分子量：90.12，屬于脂肪開鏈二醇，為無色黏稠油狀液體，極易吸水，能與水混溶，密度：1.02，熔點：20.2 ℃，沸點：229.5 ℃。

1.2 原料配比

以聚酯多元醇為1 mol，則異氰酸酯（MDI）大約為2 ～ 8 mol，擴鏈劑（BDO）為1 ～ 7 mol。異氰酸酯指數(shù)R= ( NCO / OH）= 0.97-1.03。R≤1.0時為全熱塑性TPU，聚合物分子為端羥基，完全線性結構，易溶于有機溶劑。而R略大于1，并且小于1.1時為半熱塑型TPU，用于生產各種制品[5]。

1.3 生產工藝簡介

將高分子聚酯多元醇加熱熔化后加入A料罐，加熱至100 ～ 120 ℃后在低速攪拌下真空脫水2 ～ 3 h，使之含水量＜0.05 %，解除真空并通氮氣保護后備用。

將異氰酸酯熔化后加入B料罐，加熱至60～70℃后在低速攪拌下真空脫水0.5 ～ 1 h，解除真空并通氮氣保護后備用。

將擴鏈劑加入C料罐，加熱至80 ～ 90 ℃后在低速攪拌下真空脫水0.5 ～ 1 h，使之含水量達到要求后，解除真空并通氮氣保護后備用。

三種原料經TPU澆注機配比混合后，進入100 ℃左右的雙螺桿反應器中，以不同分段溫度區(qū)（120 ～ 220 ℃）反應一定時間后，由機頭擠出膠條，經水下拉條造粒、冷卻、分級篩選、烘干等操作，檢驗合格后即為成品[6]。產品詳見圖1。

圖1 TPU產品顆粒Fig.1 The particle product of TPU

2 雙螺桿法生產設備簡介

雙螺桿法生產TPU的工藝設備一般包括以下7個部分，各部分名稱和功能如下：

（1）原料儲化系統(tǒng)：保持原料多元醇、異氰酸酯、擴鏈劑一定溫度、脫水、攪拌混勻催化劑。

（2）計量澆注系統(tǒng)（澆注機）：控制原料至最佳反應溫度、根據(jù)生產配方精確調節(jié)原料配比、計量澆注。

（3）雙螺桿反應擠出機：TPU 生產的主要反應場所，原料在一定溫度壓力下進行聚合反應生成 TPU 產品。

（4）水下切粒機：對雙螺桿機反應生成的 TPU 產品進行水冷卻、產品造粒。

（5）篩分機：對 TPU 產品顆粒進行分級篩選。

（6）烘干除濕系統(tǒng)：除去 TPU 產品中的水分，達到不同規(guī)格產品要求的相應干燥度。

（7）自動化包裝系統(tǒng)：產品包裝[7]。

TPU生產工藝流程如圖2所示。

3 TPU雙螺桿生產法立體化生產設計方案

3.1 TPU平面流線化設計存在的問題

圖2 TPU 生產工藝流程Fig.2 The process fl ow diagram of TPU

目前，國內雙螺桿法TPU生產線設計普遍采用平面流線化設計方案，即將原料儲化系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)、雙螺桿反應擠出機、水下切粒機、除濕機、篩分機、烘干系統(tǒng)和包裝機布置在一個平面化流水線上。筆者從生產實踐中發(fā)現(xiàn)，該方案優(yōu)點是設計簡單、建設方便、生產設備集中、廠房投資少，但是其缺點主要有三大方面：

一是工人操作環(huán)境條件差，勞動強度高。采用雙螺桿法生產工藝，單條TPU生產線產量較低（500～800 kg / h左右），因此，TPU生產一般采取多條生產線（十條以上）同時生產，由于TPU生產對潔凈度和水分控制要求較高，因此車間需要防塵防水，一般采用鋪設環(huán)氧地坪防塵，并要求車間全封閉。夏季雙螺桿機和烘干機散熱造成車間室溫升高（30 ～ 40 ℃），車間設置風機制冷不僅增加投資和運行成本，同時制冷影響螺桿機和澆注機中原料保溫。

二是平面流線化設計方案不便于TPU產品自動化放料包裝，該方案存在嚴重的重復搬運，產品必須經過動力提升設備后進入自動化包裝機。因此，需要增加動力提升設備，造成搬運浪費，也增加了投資和生產成本。

三是TPU多條線同時進行生產，車間產生極大噪聲。雙螺桿機、切粒機、篩分機、烘干除濕系統(tǒng)和包裝機產生極強噪聲，長期在車間中從事生產活動，會嚴重影響工人身體健康。雖然采用減震和隔音棉包覆能夠在一定程度上降低車間噪聲，但是效果有限，同時給生產操作帶來不便，也增加了投資。

3.2 立體化TPU生產設計方案

筆者在多年設計實踐和生產的基礎上，總結雙螺桿法TPU生產工藝特點，提出立體化設計思路。將雙螺桿法TPU生產工藝設備按照功能劃分為A、B、C三個部分。

A部分：主要包括原料儲化系統(tǒng)部分（原料多元醇、異氰酸酯、擴鏈劑的化料罐）、制冷及真空泵輔助系統(tǒng)等。

B部分：計量澆注系統(tǒng)（澆注機）、雙螺桿反應擠出機、水下切粒機、篩分機。

C部分：烘干除濕系統(tǒng)、自動化包裝系統(tǒng)。

本方案采用立體分層化設計思路，車間廠房采用混凝土框架結構，原料化料罐和烘干除濕系統(tǒng)設備采用鋼結構搭建。具體分為兩層，生產廠房層高5.5 m，第二層的層高可根據(jù)反應釜最高點適當調節(jié)。將A、B部分置于第二層，C部分中的烘干除濕系統(tǒng)設備采用鋼結構置于第一層與第二層之間，C部分中的自動化包裝系統(tǒng)置于第一層。原料可通過泵注入第二層中的原料化料罐，化料罐中的原料經重力進入澆注機，計量配比后注入雙螺桿機，從雙螺桿擠出機產出的TPU經水下切粒機切粒冷卻后進入篩分機，經過分級篩分后，TPU產品顆粒利用重力進入烘干除濕系統(tǒng)，經過烘干除濕后，再次利用重力進入第一層的自動化包裝機系統(tǒng)，工人在第一層進行包裝搬運。詳細工藝流程設計見圖3、圖4。

該設計方案將噪聲源與放熱源集中布置于第二層，工人所在的放料包裝場所置于第一層。分割后，第二層只需要1 ～ 2名工藝巡檢人員進行按時工藝巡檢和生產控制，而需要大量包裝搬運人員的第一層避免了噪聲污染和設備放熱影響；同時，原料從化料罐進入澆注機，TPU顆粒從篩分機進入烘干除濕系統(tǒng)，烘干后再進入自動化包裝系統(tǒng)，上述工藝過程原料和產品輸送均利用重力依次通過。

4 兩種設計方案比較

圖3 立體化TPU生產設計方案Fig.3 The three-dimensional view of TPU production design

圖4 立體化TPU生產設計方案側視Fig.4 The lateral view of the three-dimensional TPU production design

立體化生產設計方案主要針對目前平面流線化設計方案存在的車間室溫高、噪聲污染嚴重及搬運浪費造成的額外成本進行設計改進。與平面流線化設計方案相比，該立體化設計方案創(chuàng)新之處是利用重力原理，通過空間立體化分層設置，物料和產品按照工藝流程順序，利用重力依次傳輸，無需增加動力提升設備，流程更加合理順暢。在滿足 TPU 生產工藝對潔凈度和水分嚴苛要求的生產條件下，改善了工人操作環(huán)境，節(jié)省了設備投資。

通過投資、土地利用率、運營成本、工人操作條件等方面，對TPU平面流線化設計方案和立體化設計方案進行比較。詳見表1。

5 結論

TPU作為一種新型高分子綠色材料，由于其具有優(yōu)良機械性能和環(huán)保性，進入21世紀以來，逐漸得到越來越多行業(yè)青睞。與世界發(fā)達國家相比，我國TPU行業(yè)尚屬初級階段，工業(yè)生產技術水平存在差距，但發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

本論文通過平面流線化設計方案和立體化設計方案對比，得出：流線化設計方案將設備布置在一個平面化流水線上，該設計優(yōu)點是建設方便、設備集中、廠房投資少，但是車間噪聲大、室內溫度高、操作環(huán)境差、工人勞動強度高，需要真空提料機，存在重復搬用浪費，增加了電耗。立體化設計方案不僅解決了車間設備放熱造成的室溫高、生產車間噪聲大的問題，極大改善了工人勞動環(huán)境，無需真空提料機和車間空調，節(jié)約設備投資和電能消耗，提高了土地利用率，不足之處是廠房投資較流線化設計方案高。從長遠運營角度看，立體化設計方案生產成本更低，布局更加合理，設計更加體現(xiàn)人性化，符合精細化生產管理要求，綜合生產效益比流線化設計方案更佳，是未來TPU高水平工業(yè)化生產的必然選擇。

表1 流線化和立體化TPU 生產工藝設計方案比較Tab.1 Comparison of fl owline and three-dimensional TPU production process design

[1]山西省化工研究所.聚氨酯彈性體手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2001.

[2]陶宇.熱塑性聚氨酯彈性體的應用淺談[J].聚氨酯工業(yè)，2001（1）：1-3.

[3]彭帆.中國TPU市場分析（上）[J].新材料產業(yè)，2008（2）：27-32.

[4]彭帆.中國TPU市場分析（下）[J].新材料產業(yè)，2008（3）：47-50.

[5]陳鑫實，淺談TPU母料的生產工藝和設備[J]. 聚氨酯. 2006（9）：72-74，6.

[6]張春錦，張佑濤.熱塑聚氨酯彈性體（TPU）及生產設備[EBIOL]. http://www.doc88.com/p-6072038676877.html.

[7]白子文，張旭琴.TPU生產工藝路線的比較與選擇[J].聚氨酯工業(yè)，2005，20（5）：37-40.

Improvement for Design of Process in Production of TPU by Using Double Screw

Guo Jiwen, Fan Yi, Zhou Chengjing
（Yinchuan High-tech Innovation＆Business Incubation Center, CAS, Yinchuan750011）

At present, TPU production methods mainly include the intermittent method, the method with double screw and the method with conveyor belt. Intermittent method is characterized by low investment in equipment, convenient replacement of products and small-scale production. However, both the methods with double screw and conveyor belt can realize continuous reaction and production, which are suitable for mass production [1-2]. In this paper, the raw materials, equipments and process used in the method of producing TPU with double screw were brie fl y introduced. With respect to the problems existing in the design that is commonly encountered in plane streamline double screw production process, one ef fi cient method of three-dimensional double screw production process was proposed.

double screw method; TPU; process design; production ef fi ciency

TQ 334.1

A

2095-817X（2017）06-0014-005

2017-05-16

郭積文（1988—），男，助理工程師，主要從事化工設計、工程咨詢及科技成果轉移轉化工作。