韓 格，粟常紅，楊書剛

(山東理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

聚氨酯防水涂料是使用最多的建筑防水涂料，可以在各種基面上直接使用，能應(yīng)用于各種地下建筑、廚房、廁所等場所。因其具有高強(qiáng)度、良好的粘結(jié)性、耐磨性、耐化學(xué)性等諸多優(yōu)越性能，使得聚氨酯涂料能被廣泛應(yīng)用于木材、建筑、塑料等領(lǐng)域[1-2]。

無溶劑型聚氨酯防水涂料不以溶劑為分散劑，不含胺類、煤焦油等有毒物質(zhì)，也不含揮發(fā)性有機(jī)物，安全環(huán)保，不會對人體產(chǎn)生傷害，也不會對環(huán)境造成污染，形成的防水涂層不會污染水體。其固化速度快，施工方便，可按照需求涂裝任意涂層厚度，在施工過程中不易產(chǎn)生流淌、麻面等施工缺陷[3]。無溶劑型防水涂料的物體附著能力比溶劑型防水涂料強(qiáng)，具有高耐磨性，優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性能。因此，無溶劑型聚氨酯防水涂料具有廣闊的應(yīng)用前景。將無溶劑單組分聚氨酯防水涂料進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)是完全可行的。

1 配方的選用

1.1 原材料的選用

無溶劑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、液體石蠟、輕鈣、催化劑四甲基乙二胺和潛固化劑CH-3組成。原材料的選擇是基于各種考慮和實(shí)驗，以盡可能地滿足市場和應(yīng)用要求。

在選用的原材料中，蓖麻油可以作為多羥基的原料參與聚氨酯防水涂料的制備。雖然蓖麻油在結(jié)構(gòu)上與聚醚(酯)不同，但是其分子結(jié)構(gòu)上的酯鍵少，沒有醚鍵，因此其可以與聚醚、多異氰酸酯發(fā)生反應(yīng)生成端基為-NCO的蓖麻油基聚氨酯預(yù)聚體，提高了產(chǎn)物的交聯(lián)性，也改善了自身的許多性能[4]。與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較好，成膜后有良好的耐水解性和柔韌性，附著力也有所增強(qiáng)。而且由于蓖麻油是可再生資源，不僅保證了原料來源的穩(wěn)定，而且大大降低了對環(huán)境的開采破壞。

聚醚DL-2000D和高活性聚醚多元醇(330N)具有較高的伯羥基活性成分，與低分子量聚酯多元醇相比，具有較高的NCO基團(tuán)含量，使得聚氨酯的交聯(lián)密度增加，可提高抗拉強(qiáng)度，在固化反應(yīng)中提供理想的抗拉強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度。因此，聚醚DL-2000D和聚醚330N是本項目中整體性能優(yōu)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)沒有毒性，可以保護(hù)人員的健康并大大減少對環(huán)境的污染[5]。

TDI是一種芳香族二異氰酸酯，不僅可以促進(jìn)聚氨酯的合成，而且比脂肪族異氰酸酯更具有反應(yīng)活性。TDI中的NCO基團(tuán)非常活躍，很容易與水、醇類、胺等發(fā)生反應(yīng)[6]。

為了增強(qiáng)涂料強(qiáng)度，減少涂料中氣泡的生成，改善產(chǎn)品的整體性能，減少生產(chǎn)成本，采用輕鈣為填料，石蠟為液體填料。輕鈣的粒度比重質(zhì)碳酸鈣小，沉降性能方面優(yōu)異，具備穩(wěn)定性和改善熱穩(wěn)定性。石蠟可以使得制品具有粘附性，柔韌性增強(qiáng)和增加彈性模量，而且石蠟本身具有防水性。選用的潛固化劑是環(huán)保型潛固化劑CH-3，可以與水優(yōu)先反應(yīng)，形成多功能活性基團(tuán)。活性基團(tuán)與異氰酸酯基團(tuán)迅速交聯(lián)固化，還可以大幅度解決聚氨酯防水涂料固化過程中的發(fā)泡和冬季固化時間慢的問題，能夠調(diào)節(jié)聚氨酯防水涂料的機(jī)械性能，提高了耐老化性和附著力。同時使得無溶劑單組分聚氨酯防水涂料的固含量得到提升，沒有刺激性氣體排出，使得VOC的排放基本上為零。

1.2 配比的確定

根據(jù)實(shí)驗室相關(guān)實(shí)驗對配方中各種原料的含量配比進(jìn)行調(diào)整，并對防水涂料的拉伸強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行檢測，進(jìn)而得到能夠生產(chǎn)出滿足實(shí)際生產(chǎn)具體需求的配方。綜合考慮后將在實(shí)驗室中得到的配方作為本項目的最終工業(yè)生產(chǎn)配方依據(jù)，但在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中可根據(jù)購買者的需要，對上述配比進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。工業(yè)生產(chǎn)的配方如表1。

表1 無溶劑單組分聚氨酯防水涂料配比

2 工藝流程設(shè)計

無溶劑單組分聚氨酯防水涂料如何實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)，是本項目設(shè)計的關(guān)鍵問題。通過分析了解現(xiàn)已存在的傳統(tǒng)聚氨酯防水涂料生產(chǎn)工藝與設(shè)備，在傳統(tǒng)聚氨酯防水涂料生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，按照無溶劑單組分聚氨酯防水涂料的生產(chǎn)需求，設(shè)計相應(yīng)工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)流程。目前市面上的聚氨酯防水涂料大部分為溶劑型，其對施工的技術(shù)要求很高，一般用于大規(guī)模施工，不利于個人和小規(guī)模施工使用。為此在本項目設(shè)計中通過特定的工藝設(shè)計，生產(chǎn)出對施工技能要求較低、方便個人或小規(guī)模使用的無溶劑型聚氨酯防水涂料。

2.1 工藝流程

按照上述工藝流程確定原則，根據(jù)對相關(guān)聚氨酯防水涂料的市場調(diào)查研究，包括產(chǎn)品的常用容量、使用人群等，結(jié)合社會需求，本項目設(shè)計出產(chǎn)品單份容量分別為 5 kg 和 20 kg 的無溶劑型聚氨酯防水涂料。綜合所有的因素和原則考慮[7]，設(shè)計的工藝流程如圖1。

圖1 無溶劑型聚氨酯防水涂料生產(chǎn)工藝流程圖

2.2 反應(yīng)釜清洗及清洗廢液處理

根據(jù)聚氨酯防水涂料的特性，本項目設(shè)計選用化學(xué)清洗法。反應(yīng)釜內(nèi)的殘留物主要是無溶劑型聚氨酯防水涂料的殘留物，選用的化學(xué)清洗溶劑的主要特性為能溶解無溶劑型聚氨酯的防水涂料及其原料、有揮發(fā)性等。因此，在本項目設(shè)計的工業(yè)生產(chǎn)中選用NY-200作為稀料。NY-200也稱為稀釋劑或溶劑油，氣化低，能方便除去反應(yīng)釜中殘留稀料。

用稀料清洗反應(yīng)釜后通過加熱除去殘留稀料。稀料多次洗滌殘留的聚氨酯防水涂料后，可在沉降罐中通過與空氣反應(yīng)使其沉淀，沉降后的上清液由于也是稀料，可以繼續(xù)做清洗劑使用。這樣不僅減少了生產(chǎn)成本，使得清洗劑能循環(huán)使用，還減少了對環(huán)境的破壞。反應(yīng)釜清洗和廢液回收過程示意圖如圖2。

圖2 反應(yīng)釜清洗和廢液回收過程示意圖

3 物料衡算

物料衡算是確定生產(chǎn)過程中物料量和物料轉(zhuǎn)化比例的過程，是生產(chǎn)過程中最重要的計算之一，其基礎(chǔ)是質(zhì)量守恒定律。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，進(jìn)入工廠某項作業(yè)的材料總量必須等于作業(yè)結(jié)束時收到的產(chǎn)品總量加上其他材料損失[8]。

3.1 物料衡算的方式

第一步要確定物料衡算的計算范圍，第二步繪出物料衡算示意圖，第三步選定該項目設(shè)計的計算基準(zhǔn)，第四步確定此次物料衡算的相關(guān)數(shù)據(jù)。

物料衡算的示意圖如圖3所示。

圖3 物料衡算示意圖

再通過物料衡算的方式，由已經(jīng)知的數(shù)據(jù)和信息，根據(jù)下面的公式進(jìn)行物料衡算[9]；

ΣG=ΣG1+ΣG2

(1)

式中：∑G為生產(chǎn)過程中輸入到加工設(shè)備中的物料量的總和；∑G1為生產(chǎn)過程中從加工設(shè)備中輸出的物料量(包括合格產(chǎn)品和次品的量)的總和；∑G2為生產(chǎn)過程中所有設(shè)備中的物料損失量的總和。

3.2 物料衡算的計算基準(zhǔn)和相關(guān)數(shù)據(jù)資料

根據(jù)本項目設(shè)計的實(shí)際生產(chǎn)流程，選擇時間基準(zhǔn)為此次的計算基準(zhǔn),采用連續(xù)生產(chǎn)進(jìn)行相關(guān)物料衡算計算?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)過程中的意外事故、全廠維修、生產(chǎn)線維修或其他事情導(dǎo)致意外停機(jī)時間大約為5%～15%。除此之外，年生產(chǎn)時間還應(yīng)除去法定假日和員工休息日等小假期。因此，在本課題設(shè)計中連續(xù)生產(chǎn)的全年生產(chǎn)時間為 350 d。

經(jīng)過調(diào)查和研究得出，聚氨酯防水涂料的合格率為90%～95%，物料的自然損耗率為0.2%～0.3%，在設(shè)備中殘留量和包裝過程中損失量為1%～2%。設(shè)備和包裝過程中的損失量主要依賴于設(shè)備的選用和工藝設(shè)計，可使其損失量降至最低，而且沒有多余物料的回收。

3.3 聚氨酯防水涂料生產(chǎn)物料衡算

3.3.1 工作時間

年工作時間：365 d-15 d(法定節(jié)假日)=350 d；

設(shè)備大修時間：20 d/a=160 h/a；

特殊情況停機(jī)時間：10 d/a=240 h/a；

設(shè)備啟動、清理設(shè)備時間：1次/天，0.5 h/次；

(350 d-20 d-10 d)×0.5 h=160 h≈6.7天

實(shí)際生產(chǎn)時間：(365 d-15 d-20 d-10 d)×24 h-160 h=7520 h≈313.3 d≈313 d

設(shè)備利用系數(shù)K：

K=ts/tn

(2)

ts為實(shí)際開車時間，tn為年工作時間。

通過上述計算公式得出本課題設(shè)計中設(shè)備的利用系數(shù)為313.3 d/350 d=0.895。

3.3.2 單次生產(chǎn)所需時間

總加料時間：0.5 h；80 ℃真空脫水時間：0.5h；80 ℃加熱攪拌時間：2 h；反應(yīng)釜清洗時間：0.5 h；包裝系統(tǒng)速率：6罐/min。

包裝所需時間：

5 kg規(guī)格的產(chǎn)品每2500 kg灌裝所需時間：(2500 kg/5 kg)/6(罐/min)≈83.3 min≈84 min=1.4 h；5 kg規(guī)格的產(chǎn)品兩條包裝線同時運(yùn)轉(zhuǎn)，則所需時間為1.4 h/2=0.7 h;

20 kg規(guī)格的產(chǎn)品每2500 kg灌裝所需時間：(2500 kg/20 kg)/6(罐/min)≈20.83 min≈21 min=0.35 h；

單次生產(chǎn)所需時間：0.5 h+0.5 h+2 h+0.5 h+0.7 h=4.2 h。

3.3.3 單生產(chǎn)線聚氨酯防水涂料的生產(chǎn)量計算

根據(jù)相關(guān)反應(yīng)釜的相關(guān)機(jī)械參數(shù)，常規(guī)反應(yīng)釜的容積為500～5000 L，本項目設(shè)計中選擇的反應(yīng)釜容積為3000 L。

年生產(chǎn)量：3000 t；

日平均生產(chǎn)量=年生產(chǎn)量÷實(shí)際生產(chǎn)時間

日平均生產(chǎn)量=3000 t÷313 d=9.58 t/d≈10 t/d。

單個反應(yīng)釜生產(chǎn)量=2500 kg

3.3.4 生產(chǎn)車間人員工作安排

根據(jù)車間實(shí)際生產(chǎn)和工廠工作要求進(jìn)行工作安排。

工作時間：8:00-12:00,13:30-17:30；

人員工作日安排：采取單休制，各員工輪休，保證車間每日的運(yùn)轉(zhuǎn)。

每日生產(chǎn)車間人員崗位分工如表2。

表2 每日生產(chǎn)車間人員崗位分工

3.3.5 實(shí)際聚氨酯防水涂料所需原料計算

根據(jù)實(shí)驗室獲得的相關(guān)實(shí)驗數(shù)據(jù)，單個反應(yīng)釜每次生產(chǎn)2500 kg的無溶劑型聚氨酯防水涂料，按照工業(yè)生產(chǎn)所需量進(jìn)行同比例計算得到實(shí)際所需的原料數(shù)量。

在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，原料的實(shí)際使用量要考慮損耗量、產(chǎn)品合格率等問題。根據(jù)本課題中所得到的標(biāo)準(zhǔn)，按照最保守的標(biāo)準(zhǔn)估計原材料的數(shù)量。設(shè)聚氨酯防水涂料的合格率為90%，物料的自然損耗率為0.3%，在設(shè)備中殘留量和包裝過程中損失量為2%，據(jù)此進(jìn)行物料衡算。

根據(jù)表1結(jié)果對實(shí)際單次無溶劑單組分聚氨酯防水涂料所需物料進(jìn)行衡算，其中催化劑四甲基乙二胺占比很小，在總量計算時可以忽略不計。得出的結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)際單次生產(chǎn)所需物料

4 生產(chǎn)設(shè)備的選擇

用物料平衡得到的信息和結(jié)論進(jìn)行設(shè)備的選擇和計算，用于確定生產(chǎn)車間的設(shè)備類型和規(guī)格。而設(shè)備的選擇必須考慮技術(shù)、資金，同時要結(jié)合我國的實(shí)際國情。除了設(shè)備的選擇外，還必須為經(jīng)濟(jì)核算和工藝布置創(chuàng)造條件。在選擇設(shè)備時，應(yīng)考慮上述相應(yīng)原則[10]。

4.1 加熱攪拌反應(yīng)釜

根據(jù)該項目的生產(chǎn)要求，該攪拌反應(yīng)釜選擇為立式圓筒形，這種型式的反應(yīng)釜應(yīng)用性最廣泛，而且安裝、操作和檢修十分方便。攪拌器選用沒有中間圓盤的開啟式斜葉渦輪攪拌器，因為其具有良好的流循環(huán)能力和湍流擴(kuò)散能力，不會干擾物料的混合，混合物殘留量少，而且槳葉不易受損。因反應(yīng)溫度要求，為了使反應(yīng)釜內(nèi)溫度受熱均勻，選用導(dǎo)熱油循環(huán)加熱方式。由于反應(yīng)釜具有自我冷卻效果，它可以在高溫情況下每天24 h連續(xù)使用。此外，它不產(chǎn)生熱量，不產(chǎn)生火花，可以在多塵、潮濕的環(huán)境中使用。加熱攪拌反應(yīng)釜各項技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 加熱攪拌反應(yīng)釜技術(shù)參數(shù)

4.2 真空脫水系統(tǒng)

真空脫水系統(tǒng)用于原材料準(zhǔn)備階段的脫水過程，以便后續(xù)過程的進(jìn)行。真空脫水系統(tǒng)選用的是水環(huán)式真空泵脫水系統(tǒng)，此系統(tǒng)是機(jī)電一體化的真空脫水機(jī)，可以連續(xù)進(jìn)行吸收過濾和干燥操作，除去聚醚多元醇中的水分。該真空系統(tǒng)配備了一個作為主體的真空泵、真空表、電氣控制系統(tǒng)等一體化設(shè)備。為響應(yīng)國家環(huán)保的號召，此次選用的是環(huán)保型高性能真空泵，而且手動與自動操作可自行調(diào)控，真空度也可自行設(shè)置調(diào)節(jié)，適用于各種生產(chǎn)要求，也能方便配合市場變化的要求。該真空系統(tǒng)操作簡單，減少了工人的負(fù)擔(dān)；占地面積少，方便移動，不需建設(shè)專用的獨(dú)立泵房，減少了成本。如表5所示。

表5 水環(huán)式真空脫水系統(tǒng)

4.3 真空干燥機(jī)

在生產(chǎn)過程中，需要對填料中的輕鈣進(jìn)行使用前的干燥處理，以除去輕鈣中的水分。真空干燥器是一種通過抽出容器內(nèi)的空氣并形成預(yù)定的真空來去除容器內(nèi)物料水分的裝置。本項目選用的是單錐真空干燥機(jī)，內(nèi)部有攪拌器，使得物料充分脫水。該干燥機(jī)有低壓、復(fù)合間接加熱、機(jī)身固定和螺帶結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，減少了干燥時間和耗能，使受熱更加均勻。而且該真空干燥機(jī)可以與反應(yīng)釜相連接，避免物料運(yùn)輸過程中水分的進(jìn)入。如表6所示。

表6 真空干燥機(jī)

4.4 全自動配料系統(tǒng)

全自動配料系統(tǒng)，是工業(yè)自動化生產(chǎn)線上的一個必要過程。自動上料系統(tǒng)是由一個以自動上料操作程序計算機(jī)為核心的控制單元，并通過智能控制與各種設(shè)備連接的生產(chǎn)系統(tǒng)。它具有高精度測量和自動控制的特點(diǎn)，可以大大減少人力，給企業(yè)帶來巨大的效益。物料通過送料裝置或手動滿袋填充的方式分批送入計量料倉中，再通過配料系統(tǒng)進(jìn)行放料。該配料系統(tǒng)適用于粉狀、液體等多種類型物料，可滿足各種需求，輸送能力強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速加料，解決了因TDI加入慢而產(chǎn)生的聚合不均勻等問題，也省去反應(yīng)釜降溫的時間，提高了生產(chǎn)效率。如表7所示。

表7 全自動配料系統(tǒng)參數(shù)

4.5 液體灌裝機(jī)

灌裝是生產(chǎn)的最后一步，本項目設(shè)計中的灌裝容量主要是5 kg和20 kg的桶裝。此次選用的是液體自動灌裝機(jī)，它具有自動化程度高、省時省力、灌裝速度快等優(yōu)點(diǎn)，灌裝時吸力大，通過袋式過濾器(過濾器可承受8個壓力)，自動計量，自動稱重進(jìn)行灌裝(計量可從1～100 kg以內(nèi))，誤差小，封口機(jī)在封口時可自動回位，是大型、中型、小型企業(yè)的實(shí)用設(shè)備。如表8所示。

表8 液體灌裝機(jī)參考數(shù)據(jù)

4.6 沉降罐

完成一次完整的生產(chǎn)后，使用稀料對反應(yīng)釜進(jìn)行清洗。使用后的稀料排入沉降罐中與空氣接觸。為了使得聚氨酯防水涂料沉降成固體，需要在沉降罐上方設(shè)有機(jī)械呼吸閥和鼓風(fēng)機(jī)使沉降罐中空氣充足。沉降后，上清液可排出繼續(xù)做清洗劑，沉降的固體由工人回收處理。沉降罐結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 沉降罐示意圖

5 生產(chǎn)車間布局設(shè)計

設(shè)計一個工廠的布局是工藝設(shè)計的主要過程之一。車間布局的實(shí)質(zhì)是將生產(chǎn)資源(包括人員、機(jī)器設(shè)備和材料)緊密無縫地整合到一個空間中，在時間上進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼希梢詼p少移動材料的工作量，減少設(shè)備和物料的潛在損害，并降低成本[11]。

根據(jù)生產(chǎn)車間布局和生產(chǎn)設(shè)備布局的各項要求[12-14]，采用的生產(chǎn)車間選用室內(nèi)布置，將各個生產(chǎn)設(shè)備按照最適宜方式進(jìn)行布局。本項目設(shè)計按照實(shí)際生產(chǎn)要求在生產(chǎn)車間內(nèi)布置兩個攪拌反應(yīng)釜，三條自動包裝線，車間外布置稀料沉降罐。車間內(nèi)分為5 kg規(guī)格產(chǎn)品生產(chǎn)線和20 kg規(guī)格產(chǎn)品生產(chǎn)線，其中5 kg規(guī)格的產(chǎn)品生產(chǎn)線有兩臺自動灌裝機(jī)。車間內(nèi)的設(shè)備平面布置圖如圖5所示。

圖5 生產(chǎn)車間布局平面圖