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1、 XXXX 化工职业技术学院化工职业技术学院 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 题目题目 水性聚氨酯涂料的生产方法水性聚氨酯涂料的生产方法 姓姓 名名 X X X X X X 学学 号号 XXXXXXXXXXXXXXXX 所在系部所在系部 化学工程系化学工程系 专业班级专业班级 应应 化化 XXXXXXXX 指导教师指导教师 X X X X X X 20142014 年年 4 4 月月 摘 要 水性聚氨酯涂料是以水代替有机溶剂作为分散介质的新型聚氨酯体系，将乳液稀释， 原料水除了用作聚氨酯的溶剂或分散介质，水还是重要的反应性原料，在聚氨酯预聚体 分散于水的同时，水也参与扩链。水性聚氨酯是
2、具有高强度、撕裂、耐磨等特性的高分 子材料。 由于聚氨酯合成反应放热量比较大，控制不当易凝胶，对于反应设备的要求是传热 快，易清洗，此外聚氨酯反应为逐步聚合反应的特点，造成反应过程中加料是分批加入 的，第一步的加料量一般为总量的30，所以对反应设备的要求是长径比大于1:1，大的 可以到2:1，长径比大时，物料与釜体接触面积大，有利于设备传热。对于分散设备的要 求是快速，剪切力大，可以调速。 本文着重分析了丙酮法合成水性聚氨酯涂料工艺过程，结合自身工作岗位分析了水 性聚氨酯的原料、设备及丙酮法操作，对水性聚氨酯涂料所存在的问题进行了总结并提 出了工艺改进措施。 关键词：水性聚氨酯，高分子材料，丙
3、酮法，设备，原料 XX 化工职业技术学院 II 目录 1 前言1 1.1 水性聚氨酯涂料的发展现状.1 1.2 水性聚氨酯涂料用途及优缺点1 1.3 水性聚氨酯的合成方法 .2 1.3.1 丙酮法 .3 1.3.2 预聚体法 .3 1.3.3 融熔分散法 .3 1.3.4 酮亚胺-酮连氮3 1.3.5 保护端基乳化法4 2 水性聚氨酯涂料生产5 2.1 原料介绍.5 2.1.1 聚酯多元醇 .5 2.1.2 异氰酸酯 5 2.1.3 扩链剂 DMPA 6 2.1.4 三乙胺（中和剂/成盐剂）6 2.1.5 溶剂（丙酮或甲乙酮） .6 2.1.6 水 .7 2.2 工艺原理流程简图及方框图 .8
4、 2.3 工艺流程讲解.8 2.3.1 投料 .8 2.3.2 预聚反应 9 2.3.3 中和扩链 9 2.4.4 分散 9 2.4.5 脱丙酮 9 3 生产所需设备10 3.1 预聚釜.10 3.2 中和扩链釜.10 3.3 分散釜.10 3.4 脱溶剂釜.11 3.5 精馏塔 11 3.6 塔顶冷凝器.11 3.7 真空泵 11 4 总结12 4.1 水性涂料的发展趋势 .12 4.2 水性聚氨酯涂料的发展前景 .12 参考文献13 致谢14 XX 化工职业技术学院 1 1 前言 1.1 水性聚氨酯涂料的发展现状 水性涂料是以水作溶剂或分散介质的涂料。最早的商品化水性涂料是在 20 世纪
5、30 年代出现的。基于其对环境的相容性和保护性，并具有节省资源、节约能源的优点，水 性涂料产品很快就被市场接受，并逐渐发展扩大。日本、美国 1986 年水性涂料分别占涂 料总销售量的 18%和 22%，英国 1995 年水性涂料产量占全国涂料总产量的 64.5%。我国从 60 年代开始研究水性涂料，进入 90 年代后，国家大力扶持水性涂料的发展。目前的市场 占有率不高，但是发展前景很好。 聚氨酯是氨基甲酸酯树脂的简称，其分子中含有特征单元结构氨基甲酸酯（-NH-CO- ） 。聚氨酯应用十分广泛，作为涂料具有良好的耐磨性、耐腐蚀性、耐化学品性、硬度大、 高弹性等优点。水性聚氨酯（PU）是水性涂料
6、中很有发展潜力的一种，在很多领域都得 到了广泛的应用，它包括单组分聚氨酯涂料和双组分聚氨酯涂料两种，是以水为介质的 二元胶态体系，不仅具有无毒、不易燃烧、不污染环境、节能、安全可靠、不易损伤被 涂饰表面、易操作和改性等优点；同时还具有溶剂型聚氨酯的一些重要的性能特征，使 得它在织物、皮革涂饰及粘合剂等许多领域得到了广泛的应用。 单组分水乳型聚氨酯的特征在于很高的断裂伸长率（达到 800%以上）和较高的抗拉 伸强度（达 20MPa 左右） ，但因其具有线型结构，分子中含有亲水基团，其耐水性、耐溶 剂性较差，应用受到了限制。 水性双组分聚氨酯涂料的应用领域基本上与溶剂型涂料相当，既可用于热敏材料
7、（如木材、塑料）和不能烘烤的大型物件，也可用于诸如汽车类的烘烤物件.通过对报道 的实验数据进行对比，表明，水性双组分聚氨酯涂料除了干燥时间稍长和适用期稍短外， 涂膜的装饰性、机械性能、耐化学性和耐候性均可与溶剂型双组分 PUD 涂料相媲美。 1.2 水性聚氨酯涂料用途及优缺点 1.2.1 水性聚氨酯涂料用途 随着经济发展和人们生活水平提高，各国对挥发性有机物及有毒物的限制越来越严 格，20 世纪 90 年代，国际上兴起“绿色革命” ，促进全球工业向“绿色”方向迈进。PUD 的低 VOC 含量，符合发展绿色工业的“三前提”(资源、能源、无污染)及“四 E 原则” (经济 ECONOMY、效率 E
8、FFICIENCY、生态 ECOLOGY、活力 ENERGY)。虽然聚氨酯具有天然 的优良机械性能。然而水性聚氨酯在环保方面比它更有优势，而且随着人们对水性聚氨 酯的研究，目前水性聚氨酯分散体已在通用溶剂型聚氨酯所覆盖的领域大量使用，成功 地应用于轻纺、皮革加工、涂料、木材加工、建材、造纸和胶粘剂等行业。聚氨酯乳液 涂饰后的皮革，具有光泽度高、手感好、耐磨耗、小易断裂、弹性好、耐低温性能和耐 挠屈性能优良等特点。此外，在纺织品涂层整理中有广泛的应用。水性聚氨酯对纺织品 的成膜性好、粘接强度高、能赋予织物柔软、丰满的手感，改善织物耐磨性、抗皱性、 回弹性、通透性和耐热性等。 水性 PU 比有机溶
9、剂型 PU 应用成本低、无公害、易处理、粘合效果好，在胶粘剂及 涂料行业有很好的发展前景。聚氨酯离子聚合物对天然和合成橡胶表面均具有很好粘接 性，应用于鞋类的制造。目前，水性聚氨酯主要用作家具漆、电泳漆、电沉积涂料、建 筑涂料、纸张处理涂料、玻璃纤维涂料等。除此之外水性涂料还有一些特殊用途，如用 作安全玻璃的中间涂膜，以制成不碎裂的安全玻璃，广泛用于汽车、飞机、轮船或航天 仪器。水性分散体主要用作金属涂料，如阳离子型电沉积涂料被广泛用于汽车底漆，以 提高车体的抗腐蚀性能。水性 PU 在纺织和印染助剂方面的应用越来越广泛。如用作染色 助剂、涂料印花粘接剂、柔软与防皱整理剂、抗静电和亲水整理剂等，
10、可提高其染色深 度、牢度以及纺织物的其他性能。近年来，水性 PU 也广泛用于石油破乳剂，造价低、破 乳效果好、速度快、无毒、使用方便。此外，在聚氨酯主链上接枝多氟烷基，即可制作 优良的防水、防油、防污剂；在其主链上接枝卤素、磷等元素，也可制成优良的阻燃整 理剂等。水性聚氨酯开始被越来越广泛的使用。 1.2.2 水性与溶剂型聚氨酯涂料比具有的优缺点 水性聚氨酯是以水为介质的二元胶态体系，聚氨酯粒子分散于连续的水相中，有人 也称水系聚氨酯或水基聚氨酯。与溶剂型聚氨酯比，水性聚氨酯除了无溶剂臭味、无污 染等优点，具体如下表： 表表 1.11.1 水性与溶剂型聚氨酯涂料的性能比较水性与溶剂型聚氨酯涂料
11、的性能比较 性能水性聚氨酯涂料溶剂型（油性）聚氨酯涂料 毒性环保型，无气味或低气味，非易燃品危害健康，污染环境，气味重，易燃物品 强度不良施工条件有可能影响成膜强度，弹性 优于油性涂料 成膜容易，强度稳定 耐用性对于个别溶剂的抵抗性，不如油性涂料某些油性涂料易发霉，需要添加防霉剂 粘结性粘结性广泛，对某些基质的粘结性不如油 性涂料 粘结性通常优于水性涂料，特别是对已粉化 表面 保色性淡保色性优异保色性欠佳，日晒下颜色逐渐变 1.3 水性聚氨酯的合成方法 水性聚氨酯的制备通常采用两类方法：外乳化法和自乳化法。外乳化法将聚氨酯预 聚物缓慢加入到含乳化剂的水中，形成粗粒乳液，再送入乳化器形成粒径适当
12、的乳液。 该法制备的聚氨酯乳液胶体稳定性较差，适于材料的表面处理，如羊毛的不粘处理等。 水性聚氨酯乳液的制备多采用聚合物自乳化法，即在聚合物分子链上引入适量的亲水性 基团，在一定条件下分散形成稳定乳液。自乳化法操作简单，制得的乳液性能比外乳化 法要好，目前合成水性聚氨酯都采用这种方法。 XX 化工职业技术学院 3 自乳化法分为:丙酮法、预聚体法、熔融分散法、酮亚胺-酮连氮法、保护端基乳化 法。 1.3.1 丙酮法 首先合成含-NCO 端基的高粘度聚氨酯预聚体，再以有机溶剂稀释预聚体，然后再进 行乳化的方法。在溶剂存在下，预聚体与亲水性扩链剂进行扩链反应，生成较高分子量 的聚氨酯，反应过程可根据
13、所需要加入溶剂以降低聚氨酯溶液黏度，使之易于搅拌，然 后加水进行分散，形成乳液，最后蒸去溶剂。溶剂以丙酮，故称为丙酮法。 特点：易于操作，重复性好，制得的水性聚氨酯分子量可变范围宽粒粒径的大小可 控，产品质量好，是目前生产水性聚氨酯的主要方法。但该法需要耗费大量低沸点丙酮， 易造成环境污染，工艺复杂，成本高。 1.3.2 预聚体法 预聚体法是近年来发展起来的,它是将水性单体引入到预聚物链中,制成亲水性的聚 合物链,得到亲水改性的端NCO 基聚氨酯预聚体,由于预聚体的分子量不是太高,粘度不 大,可不加溶剂稀释,或仅需在水中以少量溶剂稀释就能在剪切力作用下分散于水中，再 用亲水性单体（二胺或三胺）
14、将其部分扩链，生成相对分子量高的水性聚氨酯，最终得 到水性聚氨酯分散液。为合成低粘度预聚体，通常选择脂肪族或脂环族多异氰酸酯，因 为这两种多异氰酸酯反应活性低，预聚体分散于水中后用二胺扩链时受水的影响小。但 分散过程必须在低温下进行,以降低NCO 与水反应活性；须严格控制预聚体粘度，否则 预聚体在水中分散将非常困难。 特点：此法避免了有机溶剂的大量使用，工艺简单，便于工业化连续生产。缺点是 扩链反应在多相体系中发生，反应不能按定量的方式进行。 1.3.3 融熔分散法 熔融分散缩聚法又称熔体分散法，是一种制备水性聚氨酯的无溶剂分散法。该法把 异氰酸酯的加聚反应和氨基的缩聚反应紧密地结合起来。先合
15、成带有亲水性离子基团和 端-NCO 基的聚氨酯聚合物，预聚物与尿素进行加聚反应得到含离子基团的端脲基聚氨酯 低聚物。此低聚物在熔融状态下与甲醛水溶液发生缩聚反应和羟甲基化反应，形成含羟 甲基的聚氨酯双缩二脲，用水稀释后，得到稳定的水性聚氨酯分散液。 特点：反应过程不需要溶剂，工艺简单，易于控制，配方可变性较大，不需要特殊 设备，因此具有广阔的发展前景。但反应温度高，生产水性聚氨酯分散体为支链结构， 分子量较低。 1.3.4 酮亚胺-酮连氮 亚胺-酮连氮法是指封闭二胺和封闭联胺被用作潜在的扩链剂加到亲水性NCO 官能 封端预聚物中,二胺和联胺与酮类反应分别得到酮亚胺和酮连氮。当水分散该混合物时,
16、 由于酮亚胺的水解速度比NCO 与水的反应速度快,释放出二元胺或肼与分散的聚合物微 粒反应,得到的水性聚氨酯-脲具有良好的性能。 酮亚胺/酮连氮法适用于由芳香族异氰酸酯制备水性聚氨酯分散液，该法融合了丙酮 法、预聚体混合法的优点，是制备高质量水性聚氨酯的重要方法。 1.3.5 保护端基乳化法 使用酚类、甲乙酮亚胺、吡咯烷酮、亚硫酸氢钠等封闭剂，将带有亲水性离子基团 和-NCO 封端的聚氨酯预聚物的端-NCO 基团保护起来，使-NCO 基团失去活性，制成一种封 闭式的聚氨酯预聚体，加人扩链剂和交联剂共同乳化后，制成水性聚氨酯分散液。应用 时，加热可使预聚物端-NCO 基团解封，-NCO 基团与扩链剂、交联剂反应，形成网络结构 的聚氨酯胶膜。 特点：此法对工艺要求颇高，乳液稳定性差，关键在于选择解封温度低的高效封闭剂。 XX 化工职业技术学院 5 2 水性聚氨酯
