一線多功能聚氨酯防水涂料生產線設計與工藝控制

　　隨著科技的進步，防水涂料的品種日漸增多，但迄今為止在WORD范圍內各國仍視聚氨酯防水涂料為功能好的防水涂料之一，被譽為液體橡膠。北京東方雨虹防水技術股份有限公司為適應市場對聚氨酯防水涂料的需求，特別是為國家重大工程提供優質的聚氨酯產品，同時完善公司的防水涂料體系，形成覆蓋中、高性能檔次的涂料產品列，于2004 年 5 月建成投產了一條年產 5 000 t 聚氨酯防水涂料的生產線，并于 2007 年 10 月擴產達到 1 萬 t產能。
 

一線多功能聚氨酯防水涂料生產線設計與工藝控制

 

　　1一線多功能聚氨酯防水涂料生產線工藝設計

 

　　1.1設計指導思想

 

　　建設一條功能多、規模大、工藝裝備先、電氣控制現代化，總體技術具有當代國先水平的生產線，是本公司聚氨酯涂料生產線設計和建設的目標，也是生產線建設的指導思想。

 

　　1.2設計功能和規模

 

　　聚氨酯是聚合物主鏈上含有較多氨基甲酸酯基團（—NHCO—）的系列彈性體材料，按形態和功能不同分為液態涂料、膏狀密封材料、粘結材料和防腐、耐磨材料等多種產品；根據包裝形式的不同，聚氨酯可分為雙組分（多組分）和單組分兩大類。單組分是通過聚氨酯預聚物的—NCO 端基與空氣中的濕氣反應而固化成膜，而雙組分是 A、B 組分按比例混合后，A組分中的—NCO 端基與 B 組分中的催化劑反應而固化成膜。

 

　　1.3  工藝流程設計

 

　　1）主要原材料選用

 

　　聚氨酯類材料的合成過程主要是異氰酸酯與羥基化合物的反應，經過反復試驗與比較，我們選用了上海高橋二元、三元醇醚和拜耳 80/20-甲苯二異氰酸酯（TDI）作為主原材料（后從環保、安全與經濟角度出發改用 MDI）。除主原材料外，溶劑、助劑、填料等也對聚氨酯涂料合成反應的進行與產品質量起著不容忽視的作用，因此我們也對此一一進行了實驗和優選，從原材料和配方上為保證產品質量奠定了基礎。

 

　　2）工藝流程

 

　　從聚氨酯涂料的生產過程看，由原料加入到制備完成是一個復雜的化學反應過程，按其組成和工藝屬于精細化工產品。聚氨酯合成反應需要一定的起始溫度，而反應均為放熱反應，反應過程中又需要不斷地移走反應熱。聚氨酯合成反應的一個突出特點，是要求控制較窄的溫度區間。因為溫度過低，反應無法進行或反應速度太慢影響生產效率；溫度過高，則氨基甲酸酯、脲基甲酸酯等不穩定、易分解；反應溫度不同，其生成物結構不同。

 

　　2   核心設備設計與選型保證聚氨酯涂料生產和質量的核心設備是反應釜和計量、控制系統。我們在消化吸收國外先技術的基礎上，結合本生產線對功能、規模及總體技術水平的要求與目標，在設計思路上大膽創新并獲得了成功。

 

　　2.1 聚氨酯合成的核心設備—反應釜聚氨酯防水涂料生產線的核心設備為 10 個有效容積 3 m3 和 3 個 1 m3 的雙攪拌、雙螺旋換熱反應釜。其結構如圖 2 所示。

 

　　攪拌是制備聚氨酯涂料的關鍵過程，通過攪拌使各組分互相（液液之間、液固之間）混合均勻、反應充分，在粉料加入、TDI（MDI）加入后均需快速充分攪拌。聚氨酯生產是一個較為復雜的物理、化學過程，改善其傳質、傳熱過程非常重要，特別是對反應速度相對較慢和存在一定程度逆反應的有機反應更為關鍵。如何保證參與反應的各組分在反應釜中充分、均勻地混合，盡可能大地增加參與反應組分的傳質界面和保證反應釜內各層面的溫度基本一致，是保證反應速度和反應程度的關鍵?？紤]到聚氨酯各組分具有一定的粘稠度，Φ1 600 的反應釜依靠單一的高速攪拌型式不能很好地解決問題。

 

　　2.2計量與控制

 

　　對加入反應釜的各種原材料準確進行可靠的計量和對生產各過程采用先有效的控制手段無疑是充分發揮設備和系統作用，終保證生產順利進行和產品質量的必要因素。本生產線控制系統 PLC 采用德國 SIEMENS 公司 S7-300 系列產品，保證了該系統技術的先性和穩定性。選用 EASY-VIEW 公司 10 英寸彩色觸摸屏作為人機界面；高速分散采用 LG 公司變頻控制產品，高速攪拌器可以從 0～750 r/min 意調節，以滿足生產各階段對攪拌速度的不同要求，從而保證整個控制系統的可靠性。PLC 從現場儀表采集速度、溫度、壓力、流量、閥門開關及設備運行狀態等信號，通過 RS485 口在人機界面實現實時快捷的信息交換。為保證可靠性，所有溫度、壓力等工藝指標均采取遠程和現場測量顯示兩套系統。通過現場工藝參數測量—號運輸—集中顯示和程序控制—信號反饋—現場執行的過程，實現了生產過程溫度、壓力的自動控制和調節。涂料生產主要原料液料的傳送均由 PLC 控制自動計量，并按粘度的不同選擇流量計，粘度大的用容積式流量計，粘度小的用渦街流量計（計量精度在 0.5級以上）。在輸送液料前，操作人員在觸摸屏上設定需要的量，然后按啟動按鈕，閥門自動打開，液料泵自動啟動，開始輸送液料。當液料達到設定值時，液料泵自動停止、自動控制閥門關閉，個液料輸送過程均自動完成，無需人為干預。為保證計量的準確性，還為每個反應釜配置了進口電子稱重計量系統，對經一次計量后加入反應釜的原材料量進行二次計量校核，其精度可達±0.5kg。

 

　　因反應釜均配有稱重計量系統，所以輸送管道均采用耐高溫金屬軟管連接；對于直徑大于 40 mm 的軟管，在與反應釜連接部位采取水平連接，避免造成稱重誤差。同時為保證終出廠產品的計量準確，本生產線設置了成品自動罐裝機，罐裝和壓蓋的整個過程均自動完成，罐裝物料計量精度為±10 g。

 

　　2.3反應釜控溫、控壓

 

　　鑒于聚氨酯涂料生產過程各階段對溫度、壓力都有不同的準確要求，我們針對遠程控制壓力儀表可靠性不高的問題，設置了現場壓力表，即使對熱電阻這樣可靠性較高的儀表，也設置了現場測溫置，以確保對生產過程工藝指標的控制萬無一失，終確保生產安全和產品質量。

 

　　3生產過程關鍵工序的工藝控制

 

　　在設備、配方和原料質量有保證的前提下，生產過程關鍵工序的正確、有效控制對聚氨酯涂料的產品質量起著決定性的作用。

 

　　3.1原材料的儲存

 

　　原材料是產品質量保證的前提。保證原材料的質量除優選供應商外，值得重視的還有原材料貯存過程中對產品質量的影響，尤其是 TDI 的儲存更需嚴格管理。TDI 具有活潑的化學性質，極易與發生反應，生成不溶性的脲類化合物并釋放出二氧化碳，造成鼓桶并致產品失效。因此在儲存過程中，必須保證盛裝 TDI 容器的干燥密封，需充干燥氮氣保護。特別是開桶后沒有用完的 TDI 需要及時密封處理，并充氮保護。另外，TDI 儲存溫度也需嚴格控制。加儲存溫度為 25 ℃，不低于 21 ℃，且不高于 35 ℃。儲存溫度長期高于 35 ℃時，TDI 發生自聚，導致產品變質；而儲存溫度低于 21 ℃，可導致原料中產生結晶現象。一旦 TDI 產生結晶，應在使用前于 40～45 ℃的專用烘房中加熱溶化，并充分混合均勻。TDI 結晶溶化溫度不過 45 ℃，否則 TDI 易自聚而變質。

 

　　3.2粉料烘干

 

　　聚氨酯生產用粉料中含水率過高將影響產品的儲存穩定性，我們利用鍋爐煙氣余熱建有烘房對粉狀原料進行烘干處理。實踐證明，粉料不經烘干，生產出的聚氨酯涂料產品儲存過程中容易凝膠或皮；而粉料經過烘干后生產的聚氨酯涂料，產品儲存穩定性明顯改善。經過配方試驗驗證，當粉料的含水率高于0.15%時，產品穩定性下降嚴重，儲存半年后粘度急劇上升，嚴重的甚至在表面結一層較厚的皮。因此，為了保證涂料的儲存穩定性，粉料需經烘干后才能投入生產。結合生產實際情況，粉料的烘干條件為：烘干溫度 45～50 ℃，烘干時間 24 h。

 

　　3.3脫水

 

　　聚氨酯涂料生產過程中的脫水是關鍵工序，尤其是單組分涂料的生產，在加入聚醚和粉料后、加入TDI 進行反應前，必須進行真空加熱抽氣脫水。因為原料中水分的存在，不僅影響產品的貯存穩定性，更重要的是將引起聚氨酯預聚體的凝膠而造成生產事故。原料脫水，工藝要求溫度控制在 110～120 ℃，抽真空壓力為 -0.06 MPa 以下，脫水含水率要達到0.5‰以下。圖 3 為在工藝規定的溫度和壓力下聚氨酯原料含水率隨脫水時間的變化情況。由圖 3 可見，脫水 2.5 h 以上，含水率可低于 0.05%。因此生產工藝規定，脫水時間 3 h 后取樣檢3.4聚合反應

 

　　原料脫水完畢后，即可加入 TDI 進行聚合反應。生產過程應嚴格控制反應溫度和時間。溫度高會使反應不均，易出現暴聚；溫度低反應不完全，影響產品性能和儲存。工藝要求反應階段的溫度在 80 ℃左右，不低于 75 ℃，且不能高于 85 ℃一旦超過 85 ℃時，必須采取措施快速降溫，以免暴聚。

 

　　聚合反應時間對于產品性能也有至關重要的影響。通過檢測反應后游離—NCO 含量 w—NCO 可確定反應時間。根據配方設計，單組分聚氨酯防水涂料預聚體反應完成后，游離—NCO 含量（w）應低于 1%。—NCO圖 4 為 w—NCO 隨不同反應時間的變化情況。由圖 4 可見，反應 2 h 后—NCO 含量可達要求。

 

　　3.5氮氣保護

 

　　單組分聚氨酯涂料對防水工程來說還只是一個中間產品，需要施工涂刷后涂料與空氣中的水反應固化成膜而成為防水產品。因此對于單組分涂料的制備，隔離潮氣的充氮保護系統在整個生產工藝十分重要。該系統在聚氨酯產品出料時將氮氣從反應釜上方充入，使聚氨酯產品受到氮氣保護，隔絕空氣中水分。

 

　　3.6涂料包裝

 

　　單組分聚氨酯涂料的濕氣固化特點，要求減少包裝過程中涂料與空氣接觸的時間，為此，本生產線采用專用的全自動灌裝設備，計量、包裝快速完成。生產或包裝聚氨酯涂料的工房應溫度適宜，相對濕度65％以下。

 

　　3.7嚴格工藝管理聚氨酯防水涂料生產有別于傳統的防水材料（如改性瀝青卷材）生產，是完全意義上的化工生產，對人員素質的要求、管理上的規范程度和操作控制方面的準確性要求均非一般防水材料生產可比如對此沒有足夠的認識、達不到應有的水平，非但無法確保產品質量，甚至可能出現操作、安全事故，應引起足夠的重視。為此，我們制訂了嚴格的工藝管理方法和安全制度，并專門從化工行業引了有經驗的操作人員，進行了嚴格的培訓后上崗，保證了生產線投產四年來的安全順利運行。

 

　　4結語

 

　　市場需要高質量的聚氨酯防水涂料，高質量依托于高水平的生產裝置、工藝管理和員工素質。通過近5 年生產實踐證明，我公司投建的聚氨酯生產線工藝流程設計科學合理、系統完善，創新設計的反應釜等設備及計量控制系統先可靠，涂料生產的一線多功能設計頗具創新性，生產線總體技術到國先水平。