摘 要

水性聚氨酯可分为阳离子型、阴离子型、非离子型和双离子型。阳离子型水性聚氨酯具有较好的柔韧性、粘结性，且其粒子带正电荷，与空气中粉尘所带的电荷相同，有一定的防尘作用，但耐热、耐水以及力学等方面性能较差。为了改善其性能，需要对其改性。蓖麻油是一种常用作聚合物改性的生物质原料，具有价格低廉,生物降解, 毒性低, 等等其它优点。同时也可以引入到阳离子型水性聚氨酯中，改善阳离子型水性聚氨酯涂膜的部分性能。因此选择生物基材改性水性聚氨酯是具有发展前途以及工业经济可行性的。

本研究采用预聚体法制备蓖麻油基阳离子水性聚氨酯，该工艺在水分散之前采用丙酮降低预聚体与树脂粘度使得水性化变得简单。本设计的主要目标是设计年产10000吨的水性聚氨酯乳液的车间工艺。据其单体配比及含量，进行了物料衡算和能量衡算，得到了聚合釜、搅拌器以及换热器、泵、风机等辅助设备的操作参数及设备结构尺寸。

关键词：生物质基改性；阳离子水性聚氨酯；物料衡算；能量衡算；设备选型

Abstract

Polyurethanes can be classified into cationic, anionic, nonionic and ionic types. Cationic waterborne polyurethane has good flexibility, adhesion, and its particles have a positive charge, the same charge with the dust in the air, there is a certain degree of dust, but the performance of heat, water and mechanical properties difference.In order to improve its performance, it needs to be modified. Castor oil is a commonly used raw material for polymer modified biomass, which has low cost, biodegradation, low toxicity, etc. It can also be introduced into cationic waterborne polyurethanes to improve the performance of cationic waterborne polyurethane coatings. Therefore, the choice of bio-substrate modified waterborne polyurethane is promising and industrial economic feasibility.

In this study, castor oil-based cationic waterborne polyurethane was prepared by a prepolymer method. This process uses acetone to reduce the viscosity of the prepolymer and the resin before aqueous dispersion to make the water-based process simple.. The main objective of this design is to design a workshop process with an annual output of 5,000 tons of aqueous polyurethane emulsion. According to the monomer ratio and content, the material balance and energy balance were calculated, and the operating parameters and equipment structure dimensions of the polymerization tank, stirrer, and auxiliary equipment such as heat exchanger, pump and fan were obtained.

Key words: biomass-based modification; cationic waterborne polyurethane; material balance; energy balance; equipment selection

目录

摘 要 I

Abstract I

第一章 绪论 6

1.1 水性聚氨酯 6

1.2 水性聚氨酯的缺点及其生物质基改性 6

1.2.1 水性聚氨酯的缺点 6

1.2.2 水性聚氨酯的生物质基改性 7

1.3 生物质基改性水性聚氨酯的国内外研究现状 7

1.3.1 国外研究现状 7

1.3.2 国内研究现状 8

1.4 课题的提出与研究内容 8

1.4.1 水性化方法分类 8

1.4.2 采用的改性方法 9

第二章 实验室制备 10

2.1 引言 10

2.2 实验原理 10

2.3 实验原料的选择 11

2.4 实验室制备流程 11

第三章 生产工艺流程及车间定员 12

3.1 工艺路线的选择 12

3.2 工艺流程叙述 12

3.3 工艺流程图 13

3.4 生产三废的处理 13

3.5车间各部分组成 14

3.5.1 生产工艺部门 14

3.5.2 车间厂房设计 14

3.5.3 车间设备的布置 15

3.6 车间定员 15

3.7 安全措施 16

第4章 物料衡算及热量衡算 17

4.1 物料衡算的任务 17

4.2 衡算的依据 17

4.3 收集的数据 17

4.4 总收率及损失分配 17

4.5 计算主要原料投料量 18

4.5.1 聚合部分物料衡算 18

4.5.2 乳化部分物料衡算 19

4.5.3 真空分离部分物料衡算 19

4.5.4 包装部分物料衡算 19

4.6 热量衡算 20

4.6.1 衡算任务 20

4.6.2 收集的数据 20

4.6.3 操作时间平衡表 20

4.6.4升温阶段的热量衡算 21

4.6.5 聚合阶段的热量衡算 21

4.6.6 冷却阶段的热量衡算 21

4.6.7 蒸汽和冷却水用量的计算 22

第五章 设备选型 23

5.1 主要设备的选型原则 23

5.1.1 聚合釜的选型原则 23

5.1.2 搅拌器的选型原则 23

5.2 泵的选型原则 23

5.3 设计任务 24

5.4 釜体筒体壁厚的设计 24

5.4.1 设计参数的确定 24

5.4.2 筒体壁厚的设计 25

5.5 设计参数的确定 25

5.6 聚合釜几何尺寸的确定 26

5.6.1 设计外压的确定 26

5.6.2 图算法设计筒体的壁厚 26

5.7 夹套几何尺寸的确定 27

5.8 夹套筒体的设计 27

5.8.1 夹套筒体壁厚的设计 27

5.8.2 夹套筒体高度的确定 28

5.9 夹套封头的设计 28

5.9.1 封头的选型 28

5.9.2 椭球形封头壁厚的设计 28

5.10 釜体的水压试验 28

5.10.1 水压试验压力的确定 28

5.10.2 液压试验的强度校核 29

5.10.3 液压试验的操作过程 29

5.11 选择釜体法兰与支座选型 29

5.11.1 法兰选择 29

5.11.2 支座的选型 30

5.12 聚合釜搅拌器的设计 30

5.12.1 设计任务 30

5.12.2 设计依据 30

5.12.3 搅拌器型式 30

5.12.4 搅拌器转速 31

5.12.5 搅拌器轴功率 31

5.13 釜的传动装置 32

5.13.1 电动机选型 32

5.13.2 减速机的选型 33

5.13.3 凸缘法兰 33

5.13.4 安装底盖 34

5.13.5 机架 34

5.13.6 轴封装置 35

5.14 传热面积校核 35

参考文献 39

附录A 重要符号表 41

附录B 设备一览表 42

致谢 43

第一章 绪论

1.1 水性聚氨酯

大分子主链中含有氨基甲酸酯基团（-NHCOO-）的高分子聚合物被称为聚氨酯（PU）,一般分子链中以多元醇为软链段，氨基甲酸酯基、脲基作为硬链段，软硬段各自聚集，形成独特的“微相分离”结构^[1]，使聚氨酯材料具有优异的柔韧性、耐磨性、粘结性能^[2]，同时聚氨酯涂料涂膜具有耐磨性良好，耐冲击性强及其他优异的物理机械性能^[3]。然而，随着人们对环保的日益重视，以及政府的强制措施，而水性涂料以其环保节能、不燃烧等优点，越来越受到人们的关注和重视，无毒、零VOC排放，聚氨酯的水性化迫在眉睫^[4]。水性聚氨酯(WPU)是将聚氨酯体系以水作为分散介质的一类高分子材料，是二元胶态体系，也称水分散聚氨酯、水系聚氨酯或水基聚氨酯。通常水性聚氨酯具有以下优点^[5]。

(1)水性聚氨酯涂料中的异氰酸酯基，在低温下也能与羟基或活泼氢反应，交联固化，降低了涂料的施工应用范围的限制性。