本科生毕业设计（论文）

学生姓名： 罗升

导师姓名、职称： 魏铭 副教授

所属学院： 化学化工与生命科学学院

专业班级： 化工1601班

设计题目： 年产1万吨硅改性PVB树脂的工艺探究及生产线设计

2020年5月27日

目录

一、绪论 2

1.PVB树脂概述 2

2. PVB树脂国内外研究现状 3

2.1. 国外研究现状 3

2.2. 国内研究现状 4

3. PVB反应原理 6

4. 硅改性现状 6

4.1 VTMS改性 6

4.2 SiO₂改性 7

5. 设计目的与意义 7

6. 生产线研究现状 7

二、生产配方及工艺的选择 8

三、物料衡算 11

1. 物料衡算的任务 12

2. 衡算过程及结果 12

3. 热量衡算 13

四、 主要设备的设计选型 13

1. 釜类反应器的选型 13

反应釜 13

溶解釜 14

洗涤釜 14

2. 过滤机的选择 14

PVA溶液的过滤 14

PVB的分离 14

3. 标准设备的选型 15

五、 附属设备选型 15

1. 压力及温度检测 15

压力检测 15

温度检测 15

2. 重量及液位检测 16

重量检测 16

液位检测 16

3. 粘度的测量 16

4. 搅拌器的设计 16

溶解釜 16

反应釜 16

洗涤釜 16

5. 搅拌器功率 16

溶解釜 16

反应釜 17

洗涤釜 17

6. 常见电机及其连接尺寸 17

7. 进料管及出料管的选型 18

六、 车间平面布置设计 18

1. 储存区 18

原材料储存区 18

成品存放区 19

2. 辅助车间区 19

3. 生产区 19

4. 中央控制区 19

七、 三废治理与安全生产 19

一、绪论

1.PVB树脂概述

1935年，美国科学家合成出了一种可以用做玻璃夹层的聚合物，并命名为聚乙烯醇丁醛，英文全称POLYVINL BUTARAL，缩写为PVB。它是聚乙烯醇和丁醛缩合生成的聚合物，其中缩丁醛基是影响PVB品质的主要官能团，它的相对含量用缩醛度表示，这是一个考察PVB性能的重要参数。在通常室温下，PVB为白色粉末状的固体，根据聚合度的不同，相对密度从1.08到1.10之间不等。与大多数有机物一样，PVB可溶于醇类、酮类、芳烃类等多种有机溶剂，并且与大部分树脂都有良好的相溶性。

PVB树脂具有优异的透明性以及耐候性，能够在很大的温差范围内保持形状不变；与柔顺性相结合的坚挺性使其具备了优异的抗冲击性能，并且与各种玻璃的表面都有很好的粘结力，因而在PVB树脂中加入30%～40%增塑剂[1] ，通过挤压法或流延法生产的PVB膜夹在普通玻璃中间，经高温处理，可将PVB膜与玻璃结合在一起，从而增大玻璃的冲击强度[2]。

这种方法制作的安全玻璃，广泛用于汽车挡风玻璃、建筑物门窗玻璃以及特殊防护玻璃。随着汽车行业的发展，PVB树脂的消耗越来越多，目前世界上80%以上的PVB树脂用于安全玻璃的夹层材料[3]。

PVB树脂在许多领域都有着广泛的应用。在涂料工业上，PVB树脂可用来制作各种性能优良的涂料，如防腐涂料、防寒涂料和金属涂料等。在陶瓷工业可制造薄膜花纸，。在树脂工业可配成用于粘接多种材料的粘合剂，如木材、陶瓷、金属等。在印刷工业中，可应用于丝网印、凹印和凸印。因其溶于醇类且无毒性，可用于制造食品工业的无毒包装材料，并且印件不残留异味，甚至可用于茶叶、香烟等产品的包装。对于阴离子型的玻璃材料，阳离子型的PVB树脂具有极好的附着力，特别适用于玻璃板装饰丝印。此外，还可用于制造防缩剂、硬挺剂以及其他防水材料。

1. PVB树脂国内外研究现状
   1. 国外研究现状

Akinay等人[4]研究了不同厚度（tm）的聚乙烯醇缩丁醛（PVB）/聚苯胺（PANI）涂层Fe3O4（COM1）和PVB/Fe3O4（COM2）纳米复合材料在114GHz下的微波吸收性能。他们采用XRD、FTIR、TEM、SEM等多种现代测试手段对复合材料的结构性能进行了深入的研究，通过采用同轴传输线的方法获得了复合材料的介电常数和磁导率参数，并计算了不同厚度的单层和多层膜的反射损耗。其结果表明，COM2复合材料的反射损耗（RL）较高（11.9ghz时为51.5db）。显然，聚苯胺的使用在COM1复合材料中提供了更宽的吸收范围。然后进一步发现，多层复合材料（COM4）比COM2和双层设计（COM3）都具有更宽的吸收范围。

Medesi等人[5]以聚乙烯醇缩丁醛（PVB）和聚乙二醇（PEG）为粘结剂的环保CIM原料配方进行的流变学分析。研究了制备的PVB/PEG基氧化铝模塑料的PVB:PEG比和粉末填充度在50～64vol%范围内的性能变化。测定了相应的粘度和剪切应力，以提高剪切速率，并以显示增加的PEG含量和固体载荷对这些性能的影响。当两个单反应器组件被注射成型之后，再以生坯状态进行连接，用于制造氧化铝微反应器。氧化铝微反应器的主要用途是作为在超临界水（sc-H2O）中连续水热合成金属氧化物纳米粒子（CHTS）的多功能耐磨水热稳定装置。

Bora等人[6]报道了聚乙烯醇缩丁醛（PVB）-MnO2纳米复合材料的合成及其微波吸收性能。各向异性纳米粒子负载聚合物纳米复合材料具有较好的介电性能。为此，他们采用低温化学沉淀法制备了MnO2纳米棒和MnO2纳米球两种纳米材料，并对PVB-MnO2纳米复合材料进行了溶液处理，并且研究了其形貌控制的微波吸收性能。在X波段（8.212.4GHz）和Ku波段（12.418GHz），MnO2纳米棒增强了PVB的微波吸收性能。PVB-MnO2纳米棒复合材料的最小反射损耗（RL）为-37dB，在厚度为2 mm时PVB-MnO2纳米棒复合材料具有比较大的带宽，而PVB-MnO2纳米球复合材料的最小反射损耗却几乎呈线性下降，最小值为10dB。这个结果表明，电磁衰减常数和介电损耗的提高是使PVB-MnO2纳米棒复合材料微波吸收性能增强的主要原因。此外，形貌通过有效介电常数、电磁阻抗匹配度和提高高损耗因子（LF%）的介电损耗来控制PVB-MnO2纳米复合材料的微波吸收性能。所得PVB-MnO2纳米棒复合材料的高损耗因子（84%）表明其具有优异的微波吸收性能，可以作为一种新型的聚合物纳米复合材料涂层应用于微波吸收领域。

Ahmad等人[7]利用额外的聚乙烯醇缩丁醛（PVB）层来优化反向模式聚合物分散液晶（R-PDLC）显示器的光学对比度。经研究发现，在PVB（0.1wt%）涂层上，通过增加开态散射，可以显著提高R-PDLC显示器的光学对比度。通过紫外光谱、向列相到各向同性转变温度（TNI）变化的热光学评估和接触角测量等特殊技术，研究了以下行为的基础。以下发现揭示了可以通过增加开态散射关态透射率的轻微变化来提高对比度比率。这种行为被认为是由于对液晶分子粗糙度和疏水性的增加而改变了对态散射。

• 1. 国内研究现状

李维[8]在聚偏氟乙烯(PVDF)中共混了亲水性好、不易受细菌侵蚀的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，并用热致相分离法制备了PVDF/PVB共混中空纤维微滤膜。PDVF的疏水性强，导致处理水溶液时渗透阻力大，需要较高的压力，处理过程中容易受到蛋白质吸附污染，使渗透通量下降。而PVB的引入明显的改善了PDVF膜的亲水性，很好的解决了上述问题。随后他运用SEM、FTIR、DMA和截留率、接触角测定等方法表征了共混膜的结构和性能。结果表明不同PVDF/PVB质量比的膜表现出不同的贯通性，并且相较于纯PVDF膜的贯通性都有明显的提升。

琚艳云等[9]用静电纺丝技术制备纳米Ag-聚乙烯醇缩丁醛(PVB)复合纳米纤维，获得过滤性能和抗菌性能优异的空气过滤材料。通过采用SEM、XRD和FTIR等手段对纳米Ag-PVB复合纳米纤维的化学结构、微观形貌以及结晶行为进行研究，并考察其空气过滤性能、透气性能以及抗菌性能。结果表明：乙醇为溶剂，PVB含量10wt%、纳米Ag含量0.25wt%时，纤维尺寸均匀。性能测试结果表明，最佳纺丝时长为10 min，在此条件下制得的纳米Ag-PVB复合纳米纤维过滤效率极高，达到了惊人的99.99%，能将空气中绝大部分的PM2.5过滤掉，PM2.5含量的多少是影响空气质量的重要指标，吸入人体后会对人体的呼吸系统造成伤害，严重时还会导致人体患上各种呼吸道疾病。而且过滤阻力小，透气性良好，并且对以大肠杆菌为代表的多种常见细菌表现出优越的抗菌性能，能极大地改善空气质量，其抑菌率最高能达到95.52%。

汪文静[10]以粘性聚乙烯醇缩丁醛(Polyvinyl butyral,PVB)和改性聚乙二醇(Modified polyethylene glycol,mPEG)为原料制备了一种新型复合准固态聚合物电解质。目前在建筑外墙,智能窗和防眩目后视镜等领域，电致变色器件都实现了商业化应用。但目前大多数电致变色器件的电解质往往都是呈流动态的液态电解质,而这些液态电解质都普遍存在易挥发和易泄露的风险，这就使得当前的电致变色器件在应用中受到限制，从而制约着电致变色器件的发展。而比起以往的电解质，这种新型复合准固态聚合物电解质表现出更高的粘接强度，能够很好的解决了电致变色器件的电解质泄露和挥发问题，以此制备的电致变色器件表现出了优异的稳定性和耐久性。

随着文明的发展，各种电器相继问世，人类社会对电能的需求量也越来越大，太阳能电池作为光电转换器能将清洁的太阳能转换成电能，因而成为了人们研究的热点。钙钛矿太阳能电池(PSCs)由于其优异的光电转换效率越来越受到广泛的关注。然而钙钛矿晶体在大气环境中是极其不稳定的,因此钙钛矿太阳能电池的制备大部分的情况下都需要在无水和无氧的环境下进行,条件比较苛刻，因而钙钛矿太阳能电池的发展收到了制约。虞阳[11]在目前已有的钙钛太阳能电池制备方法的基础进行了深入的探讨和优化，提出了一种在空气中制备高效稳定钙钛矿太阳能电池的方法，并且在制备过程中通过引入聚乙烯醇缩丁醛(PVB)来改善钙钛矿薄膜的性能。采用这种方法最终得到的最佳电池的光电转换效率约为18.19%。

1. PVB反应原理

聚乙烯醇缩丁醛（Polyvinyl butyral，简称PVB），是在酸作为催化剂的条件下，丁醛中的羰基与聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，简称PVA）中两个相邻的羟基发生反应，生成的一种六元环状缩醛结构的聚合物，其中PVA由水解聚醋酸乙烯酯制得。但是PVAc的水解和PVB的合成都无法完全进行，树脂中必然存在缩丁醛基、醇羟基和醋酸乙烯酯基三种官能团，通过改变反应条件能实现控制树脂中各种官能团的相对比例，并最终影响PVB树脂的综合性能[12]。

1. 硅改性现状

4.1 VTMS改性

Marília等人[13]通过聚乙烯醇缩丁醛（PVB）与乙烯基三甲氧基硅烷（VTMS）硅烷化试剂熔融混合进行化学改性，其倾向于与PVB结构中存在的羟基反应，在链之间生成交联键。这种化学改性可以显著地提高聚合物对有机溶剂的耐溶剂性，但对聚合物的力学性能并没有产生太大的影响，即在保持聚合物原有力学性能不变的条件下，单纯提高聚合物的耐溶剂型。PVB与VTMS的混合是在一个配备有滚筒式转子的密炼机中进行的，在滚筒式转子的高速旋转下，PVB与VTMS充分有效的混合，然后该混合物被压缩成型。用索氏提取法检测，结果证实改性聚合物凝胶含量增加了70%。根据混合时间的不同，在此期间发生的动态交联反应不会阻止聚合物的压缩成型。此外，在模压成型过程中还观察到有静态交联的发生，这有利于增大聚合物的交联度和耐溶剂性。

4.2 SiO₂改性

纳米SiO₂特有的表面效应、量子尺寸效应和体积效应等，使得聚合物/纳米SiO₂复合材料能够表现出以往的聚合物不具备的化学性能、机械性能和光学性能等，极大地拓宽了聚合物复合材料的应用领域，使聚合物复合材料在众多新领域拥有出色表现。故用共混法将纳米SiO₂粒子引入到PVB材料中，很可能会使PVB在紫外光区的光学和力学性能得到提升。但纳米SiO₂的粒径小，表面有不饱和键以及不同键合状态的羟基，这些特性都会使纳米SiO₂的表面呈现出高能量和强极性，因而很容易聚结成团块状，并且高分子基材表面具能量低、呈弱极性，与高能量、强极性的纳米SiO₂粒子相容性差，因而纳米SiO₂粒子在高分子基材中难以实现均匀地分散。为克服这一问题，古凤才等人[14]加入了自制的分散剂，并且借超声波的空化作用使得SiO₂团聚体松弛分散。而曹艳霞等人[15]则用硅烷偶联剂(γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷)(KH-560)先对纳米SiO₂进行表面改性以改善其与高分子聚合物的相容性。制得的PVB/纳米SiO₂复合材料以UV-VIS，FTIR，XRD，SEM等手段表征复合材料的结构和光学性能。结果显示: 由于纳米SiO₂粒子的引入，新型PVB/SiO₂复合材料具备了传统PVB材料所不具备的良好的紫外线屏蔽性能，目前因大气污染所致，穿过大气层到达地面的紫外线越来越多，过多的紫外线会危害到人们的健康。同时，纳米SiO₂粒子增加了复合材料的机械强度，使复合材料的韧性得到提高，当纳米SiO₂粒子的质量分数为4%时，复合材料的拉伸强度和断裂伸长率达到了纯PVB材料的8倍。

1. 设计目的与意义

本设计的目的旨在探究年产1万吨硅改性PVB树脂的工艺及设计生产线。

1. 生产线研究现状

目前合成PVB树脂的方法大体上可分为溶解法和沉淀法两种。溶解法要用到大量的甲醇做溶剂，不仅成本偏高，而且后续的产物分离难度大；沉淀法的溶剂是水，成本低且产物以沉淀的形式生成，后续的分离和水洗方便，故当前国内企业主要用沉淀法生产PVB树脂。但沉淀法生成的PVB树脂易发生分子交联、缩醛化不均一等现象,使产物颗粒较大(甚至粘接成团)，并且由于是非均相反应要加入乳化剂导致产物中有乳化剂残留，从而影响产物的最终性能。王俊武等人[16]在当前的沉淀法的基础上进行了优化，提出了一种不用乳化剂的合成方法，该法在不加入任何乳化剂和有机溶剂的条件下，通过同时滴加PVA-BA混合胶液和盐酸(HCl)并强效混合制备PVB树脂，制得的PVB树脂颗粒细小均匀，各项性能均符合生产安全玻璃的要求。

二、生产配方及工艺的选择

1. 生产配方的选择

PVB树脂合成的主反应是聚乙烯醇和正丁醛在酸的催化作用下发生的缩醛反应，主要原料为聚乙烯醇(PVA)、正丁醛(BA)和盐酸(HCl)，具体配方[17]如下：