防腐防水聚氨酯涂料的生产制备

海洋科学与工程学院

课程设计（论文）

题目防腐防水聚氨酯涂料的生产制备

姓名

学号

所在系部材料科学与工程系

专业班级

指导教师

2015年5月

防腐防水聚氨酯涂料的生产制备–课程设计

摘要

本文着重分析了防腐防水聚氨酯涂料的生产制备工艺过程：生产线的系统构成、生产原料、工艺流程、主要设备的工作原理、生产线相关运行操作情况及其对防水涂料产品质量的影响因素，最后对防腐防水聚氨酯涂料尚存在的一些问题进行总结，并提出相应的工艺改进措施。当下的市场需要高质量的聚氨酯防水涂料，高质量依托于高水平的生产装置、员工素质和工厂管理。生产高质量聚氨酯防水涂料对各方面水平相对薄弱的防水企业是考验和提高。为保证聚氨脂防水涂料产品的质量，制定相应的规定，规范管理其生产装置也是必要的。

关键词：聚氨酯涂料；防腐防水；生产制备；工艺流程；设备

目录

1 前言 (3)

1.1聚氨酯和重防腐涂料的发展现状 (3)

1.1.1聚氨酯涂料的发展现状 (3)

1.1.2重防腐涂料的发展现状 (4)

1.2聚氨酯涂料用途及优缺点 (4)

1.2.1聚氨酯涂料的用途 (4)

1.2.2工业防腐漆聚氨酯涂料的特点 (4)

1.3国内外著名涂料品牌 (5)

1.3.1中国涂料十大品牌 (5)

1.3.2全球涂料十大品牌 (6)

2重防腐聚氨酯涂料的生产制备 (6)

2.1生产线工艺技术方案 (7)

2.1.1生产线设计功能及规模 (7)

2.1.2生产线系统构成及工艺流程 (7)

2.2核心设备及计量与控制系统的技术特点 (8)

2.2.1反应釜 (8)

2.2.2计量与控制 (9)

3 影响生产及涂料性能诸因素 (10)

3.1生产线运行情况 (10)

3.2生产过程保证涂料生产和质量诸因素 (10)

3.2.1原材料的贮存和运输 (10)

3.2.2加料全过程计量准确 (10)

3.2.3反应釜控温和控压 (10)

3.2.4脱水和搅拌 (11)

3.2.5 氮气保护 (11)

3.2.6严格工艺管理 (11)

4 总结 (11)

参考文献 (12)

1 前言

1.1聚氨酯和重防腐涂料的发展现状

1.1.1聚氨酯涂料的发展现状

聚氨酯树脂的大分子结构中含有重复的氨基甲酸链节，即聚氨基甲酸酯树脂，简称聚氨酯。它由多异氰酸酯与多元醇（包括含羟基的低聚物）反应生成。聚氨酯聚合物中含有相当量的氨基甲酸酯键：（-NH-CO-O-R），以异氰酸酯或其反应产物为原料的涂料统称为聚氨酯涂料，其是以聚氨酯树脂作为主要成膜物质，配以颜、填料、溶剂、催化剂及其他辅助材料等所组成的涂料。[1]

聚氨酯防水涂料具有耐水、耐低温、拉伸强度高、延伸率大、硬度和模量变化大以及粘结性好、耐磨、耐油、耐化学介质腐蚀等特性，广泛用于各领域的防水，在我国的生产和应用也已有20余年的历史，并自“九五”至今，始终是建设部向建筑业推广的产品。在聚氨酯涂料所形成的漆膜中，含有大量的氨酯键，以及酯键、醚键、缩二脲键脲基甲酸酯键、异氰脲酸酯键和油脂中的不饱和键。在大分子之间尚存在氢键（非环氢键、环形氢键）。

双组分聚氨酯涂料具有成膜温度低、附着力强、耐磨性好、硬度大以及耐化

学品、耐候性好等优越性能，广泛作为工业防护、木器家具和汽车涂料。双组分水性聚氨酯涂料将双组分溶剂型聚氨酯涂料的高性能和水性涂料的低VOC含量相结合，成为涂料工业的研究热点。水性双组分聚氨酯涂料是由含－OH基的水性多元醇和含－NCO基的低黏度多异氰酸酯固化剂组成，其涂膜性能主要由羟基树脂的组成和结构决定。[2]

1.1.2重防腐涂料的发展现状

重防腐涂料主要应用于腐蚀问题突出的苛刻环境和不便于短期维修的工业部，应用领域有以下五个方面：

①新兴海洋工程：海上设施、海岸及海湾构造物、海上石油钻井平台；

②现代交通运输：高速公路护栏、桥梁、船艇、集装箱、火车及铁道设施、汽车、机场设施；

③能源工业：水工设备、水罐、气罐、石油精制设备、石油贮存设备（油管、油罐）、输变电设备、核电、煤矿；

④大型工业企业：造纸设备、医药设备、食品化工设备、金属容器内外壁、化工、钢铁、石化厂的管道、贮槽、矿山冶炼、水泥厂设备、有腐蚀介质的地面、墙壁、水泥构件。

⑤市政设施：煤气管道及其设施（如煤气柜）、天然气管道、饮水设施、垃圾处理设备等。[3]

1.2聚氨酯涂料用途及优缺点

1.2.1聚氨酯涂料的用途

聚氨酯涂料兼具保护和装饰性能、优良的耐化学药品性、附着力强，能和多种树脂品种混溶，涂膜的韧性可根据需要调节，成膜温度可高可低，可在0℃及零下施工，施工节能电绝缘性能强，可直接焊锡可制成各种形式状态的涂料：溶剂型、液态无溶剂、粉末、水性单罐装、双罐装等。[4]

按包装分为单罐装（单组分）、双罐装（双组分）、三罐装（三组分）按介质形态分：溶剂型、无溶剂型、高固体型、水分散型、粉末型等。

按涂料固化方式分：常温固化型（自干型）、热固性（烘烤型），一般习惯上采用美国ASTM分为聚氨酯改性油涂料（单组分）、湿固化聚氨酯涂料（单组分）、封闭性聚氨酯涂料（单组分）、催化固化涂料（双组分）、羟基固化型聚氨酯涂料（双组分）。

1.2.2工业防腐漆聚氨酯涂料的特点

主要优点：

漆膜坚硬耐磨是各类涂料中最突出的，因而可以用于特殊的场合，例如，船

舶甲玉、地板、超音速飞机等表面用漆，漆膜可承受高速气流冲刷。

漆膜光亮丰富可用于高级木器、钢琴和大型客机等表面涂装。漆膜具有优异的耐化学腐蚀性能包括酸、碱、盐、石油产品、溶剂、水等介质。而可广泛用于化工设备的防腐涂料及溶剂贮罐，油罐、油库及石油管等适用的涂料。漆膜的弹性及其成分配比可以据需要而调节可以从极坚硬到极柔韧，而一般的涂料（如环氧、聚酯等）则没有这种性能。

良好的耐热性和附着力其耐热性仅次于有机硅漆，对各种物体（如金属、木材、水泥、橡胶、塑料等）均有良好的附着力。能在高温烘干，也能在低温固化，可在0°C正常固化。可制取耐一40°C低温的品种利用游离异氰酸基可以对醇酸、环氧、酚醛、丙烯酸、不饱和聚酯等树脂改性，制得多种性能优异的涂料。

工业常用涂料属于工程机械产品，不仅要有可靠的性能，而且随着市场竞争加剧，工程机械也朝着高装饰、高防护性的方向发展。根据工程机械产品的工作性质和工况，涂料涂抹应具有附着力强、机械强度高、耐磨、耐腐蚀性能优异、光泽度高、耐候性好、适应性广等特点，并具有涂装效率高，施工性能好及经济性等特点。而聚氨酯防腐涂料是其中占据大部分市场份额的一类。

主要缺点：

1.保光保色性差。由甲基二异氰酸酯为原料制成的聚氨酯涂料不耐日光，也不宜于制浅色漆。有毒性异氰酸基及其酯类对人体有害，生产中要加强劳动保护，其中芳香族异氰酸酯的毒性更大。

2.稳定性差异氰酸酯十分活泼，对水分和潮气敏感，易吸潮，遇水则贮存不稳定。

3.施工麻烦有些聚氨酯涂料品种是多包装的，因此，施工时较麻烦。

1.3国内外著名涂料品牌

1.3.1中国涂料十大品牌

（内资品牌 2015年权威榜单）

1.嘉宝莉(中国十大涂料品牌驰名商标,广东省名牌,广东省著名商标,国内最大的民营涂料生产企业。)

2.美涂士(中国著名涂料驰名商标、广东省著名商标、中国环境标志产品、,国家高新技术企业。)

3.施彩乐(施彩乐涂料著名品牌，中国十大涂料品牌，广东施彩涂料有限公司是国内专业生产建筑涂料的公司。)

4.三棵树(中国著名涂料品牌驰名商标、中国名牌产品、福建省省级技术中心、福建省高新技术企业)

5.花王漆(广东省民营科技企业，现已经发展成为拥有七家大型涂料专业制造厂)

6.经典漆(展辰涂料集团旗下品牌、中国驰名商标、中国十大品牌涂料、国家高新技术企业)

7.庄典漆(中国著名涂料行业首个中美联合品牌)

8.金飞马漆(全球十大涂料品牌,中国油漆十大品牌,早已成为蜚声全球的油漆涂料品牌及全球供应商)

9.湘江漆(中国驰名商标，中国十大品牌涂料,湖南省著名品牌产品，湖南省著名商标)

10.樱花(中国驰名商标、著名涂料品牌,中国十大涂料品牌,江苏省名牌产品) 1.3.2全球涂料十大品牌

（2015年权威榜单）

1.AKZONOBEL(阿克苏诺贝尔公司是全球十大涂料品牌制造商，涂料品牌产品其大部分业务处于领先地位。)

2.PPG(涂料十大品牌PPG工业公司建于1883年，总部设在美国彼兹堡市，是全球性的制造企业。)

3.VALSPAR(威士伯公司,世界涂料十大品牌,十大涂料品牌,提供最全面服务的涂料供应商之一。)

4.HENKEL(HENKEL涂料十大品牌是世界500强之一,有330多家分支机构分布在全球60多个国家和地区。)

5.BASF(巴斯夫是世界领先的化学公司，产品包括化学品，塑料，涂料系统，分散，农产品，精细化学品等。)

6.NICE PAINT (钟意涂料著名品牌自1877年创立,在世界120个多个国家和地区设有生产、销售或代理。)

7.DIAMOND-VO (美国戴梦得,瓦格国际集团,是美国最大的建筑著名涂料品牌公司,销售收入34亿美元。)

8.NIPPONPAIN (立邦是全球著名涂料品牌制造商，成立于1881年，已有超过100年的历史。)

9.RPM (RPM国际公司(美国)，RPM智能十大涂料品牌销售33亿美元。RPM是一家控股公司，最大特种涂料生产公司)

10.DUPONT (杜邦公司是以科研为基础的全球性企业，提供能提高人类在食物与营养，保健，服装，家居等)

（以上数据榜单，均是行业中规模最大、市场占有率最高、品质最好的著名品牌，排序不分先后。）[5]

2重防腐聚氨酯涂料的生产制备

聚氨酯防腐涂料的相应生产设备：

1.配料罐/上料机，研磨机/砂磨机（磨料），搅拌罐/搅拌机；

2.制胶机、分散机、粉料机、胶体磨、拖拉罐、振动筛；

3.包装、封口设备；

4.检验量具/涂装设备：自动/手动喷枪、喷砂机（除锈）

5.无气喷涂设备、空压机、烤箱、压力桶、双隔膜泵。

2.1生产线工艺技术方案

2.1.1生产线设计功能及规模

聚氨酯是聚合物主链上含有较多氨基甲酸酯基团(_NHc0) 的系列弹性体，按形态和功能不同分为液态涂料、膏状密封材料、粘结材料和防腐、耐磨材料等多种产品；根据包装形式的不同，可分为双组分(多组分)和单组分2大类。单组分是通过聚氨酯预聚物的—NC0一端基与空气中的湿气反应而固化成膜，而双组分是A、B组分按比例混合后，A组分中的—NC0一端基与B组分中的催化剂反应而固化成膜。据调研时聚氨酯类材料国内外的市场分析，喷涂型聚脲弹性防水涂料悄然兴起。聚氨酯防水涂料的品种规格、性能、颜色有多样化的趋势。为建成的生产线最大限度地发挥作用，适应市场多品种、高质量、大批量的需求，生产线设计目标确立为：兼具生产单、双组分聚氨酯防水涂料、双组分喷涂聚脲弹性防水涂料、双组分建筑密封膏和道桥密封膏等多种产品的功能，设计规模为年产5000 t(工艺管道等配套系统能力按年产1万t，主设备预留位置)。

2.1.2生产线系统构成及工艺流程

聚氨酯类材料由原料加入到制成过程中，需按照原料组成和精细化工产品工艺严格配比和控制工艺参数，操作步骤要求严格。本生产线由液料贮存、计量及输送管道、反应釜、抽真空系统、充氮保护系统、供热和冷却系统，废气和清洗液回收处理系统、PLC控制系统、自动包装系统构成。为节省建设投资，单、双组分反应釜是分开设置，工艺管道系统等配套系统为共用。生产工艺流程如图所示：

图1 聚氨酯防水涂料生产工艺流程

2.2核心设备及计量与控制系统的技术特点

保证聚氨酯涂料生产和产品质量的核心设备是反应釜和计量与控制系统。生产线对功能、规模及总体技术水平的目标要求和设计如下。

2.2.1反应釜

聚氨酯防水涂料生产线的核心设备为5个有效容积3m3和3个1m3的双搅拌、双螺旋换热反应釜。其结构如图2所示

聚氨酯生产是一个较为复杂的物理、化学过程，改善其传质、传热过程非常重要，特别是对反应速度相对较慢和存在一定程度逆反应的有机反应更为关键，如何保证参与反应的各组分在反应釜中充分、均匀的混合，尽可能增大参与反应组分的传质界面和保证反应釜内各层面的温度基本一致，是保证反应速度和反应程度的关键。考虑聚氨酯各组分具有一定的黏稠度，~1600的反应釜依靠单一的高速搅拌型式不能很好地解决问题。本反应釜参照国际先进水平除设置750 r／min变频调速高速桨式搅拌外，同时还配置了50 r／min锚式低速刮边搅拌，以保证刮边效果。锚式搅拌叶与反应釜壁之间为仅5 mm的均匀间隙，反应釜和搅拌器的制作都具有不小的难度。依靠与化工设备专业制造厂家的密切合作，设备较好地达到设计要求。

聚氨酯生产同时也是一个反复的升温、降温过程：聚醚升温脱水、降温反应、反应放热升温(需及时移走热量)、降温出料等。为保证产品质量，根据工艺条件的要求对各阶段的温度控制和持续时间都有较高和精确的要求。如采用蒸汽升温和冷却水降温，基本能满足要求，但增设蒸汽锅炉在项目投资、人员配备、管理等各方面都要增加较大的投入，本生产线采用的是双螺旋加热、降温方式，采用一路螺旋通导热油加热，一路螺旋通冷却水降温来满足工艺条件的要求，较好的保证了生产各阶段对温度控制的要求和升降温速度。相比夹套式反应釜，螺旋本身可以起到加强筋的作用，降低了对反应釜的要求、提高了反应釜的承压能力。

2.2.2计量与控制

对加入反应釜的各种原材料精确可靠的计量和对生产各过程先进有效的控制手段是充分发挥设备和系统作用，最终保证生产顺利进行和最终产品质量的必要因素。本次生产线控制系统PLC采用德国SIEMENS公司S7—300系列产品，保证了该系统技术的先进性和稳定性。选用EASY-VIEW公司的彩色触摸屏作为人机界面；高速分散采用LG公司变频控制，高速搅拌器可以从0-750 r／min任意调节以满足生产各阶段对搅拌速度的不同要求，从而保证整个控制系统的可靠性。

PLC从现场仪表采集速度、温度、压力、流量、阀门开关及设备运行状态等信号，通过RS485接口实现与人机界面实时快捷的信息交换。为保证可靠性，所有温度、压力等工艺指标均采取远程和现场测量显示2套系统。通过现场工艺参数测量——信号传输——集中显示和程序控制——信号反馈——现场执行的过程，实现了生产过程温度、压力的自动控制和调节。主要液料的计量一般采用涡街流量计，计量精度在0级以上。操作人员在输送液料前设定需要的量，然后按动启动按钮，阀门自动打开，液料泵自动启动输送液料，当液料达到设定值时，液料泵自动停止、自动控制阀门自动关闭，整个液料输送过程均自动完成，无需人为干预。为保证计量的准确性，每个反应釜相应配置了进口电子称重计量系统，对经一次计量后加入反应釜的原材料用量进行二次计量校核其精度可达±0．5 kg。同时，为保证最终出厂的产品计量准确，本生产线设置了成品自动罐装机，罐装和压盖的整个过程均自动完成，精度为±10 g。

3 影响生产及涂料性能诸因素

3.1 生产线运行情况

2004年5月生产线建成投产，通过3年生产实践证明，生产线达到了设计目标和要求，总体技术在国内自主设计制造的聚氨酯防水涂料生产线中具有技术领先的水平。生产了近万吨涂料，主要品种有SPU——301单组分和SPU——311双组分聚氨酯防水涂料、SPU——361高强聚氨酯防水涂料、SPUA——351喷涂聚脲弹性涂料，批量生产了聚氨酯密封膏及聚氨酯防腐涂料，涂料质量及理化性能、环保性能均达到和超过相关标准要求。产品不但用于建筑防水，而且用于地铁、高速铁路混凝土桥面、涵洞等重要交通工程以及各种水池。

3.2生产过程保证涂料生产和质量诸因素

为保证涂料的质量和性能，在设备、配方和原料质量保证前提下，生产过程有很多需要重视的因素：原材料的贮存和运输、加料全过程计量准确、反应釜控温和控压、脱水和搅拌、氮气保护、严格工艺管理等等。

3.2.1原材料的贮存和运输

原材料是质量保证的前提，保证原材料的质量除优选供应商外，值得重视的还有原材料贮存和运输，尤其是聚醚、TDI和溶剂等化工原料，为保证在各种环境中原料的黏度稳定，聚醚在贮存罐中存放，每个贮存罐内设节能型加热器，输送管道采用导热油来伴热，TDI原料低温贮存会使其作用衰减，便设置了恒温烘房和单独的上料瓮，鉴于TDI是有毒原料，工厂需要建立了严格的领用制度。

3.2.2加料全过程计量准确

涂料的制各原料分为粉料和液料2类，液料传送均为PLC控制自动计量，并按黏度选择不同的流量计，黏度大的用容积式流量计，黏度小的用涡街流量计，因反应釜均配有称重计量系统，所以输送管道均采用耐高温金属软管连接，对于直径大于40 mm的软管在与反应釜连接部位采取水平连接，避免造成称量误差。

3.2.3反应釜控温和控压

聚氨酯防水涂料生产过程中各阶段对温度、压力的工艺指标要求较严，为针对远传压力仪表可靠性不高的问题设置了现场压力表，即使对热电阻这样可靠性较高的仪表，也设置了现场测温装置，以确保对生产过程工艺指标的控制万无一失，最终确保生产安全和产品质量。

3.2.4脱水和搅拌

聚氨酯防水涂料的生产中脱水是关键工序，尤其是单组分在加入液料和粉料后，加入TID进行反应前，必须进行真空加热、抽气、脱水，脱水过程中反应釜温度应控制在100℃以上直至水分降至工艺要求水平。

搅拌也是制备涂料的关键因素，通过搅拌使各组分问(液——液之间、液——固之间)混合均匀使反应充分，在粉料加入、TID加入时均快速充分搅拌。由于搅拌过程中摩擦生热，所以要采取散热措施，使物料稳定在工艺要求。

3.2.5 氮气保护

对于单组分涂料的制备，充氮系统在整个生产工艺中十分重要，它给反应釜提供保护，在出料时将氮气从反应釜上方充入，将聚氨酯产品与空气中水分隔开，从而保护聚氨酯。

3.2.6严格工艺管理

聚氨酯防水涂料生产有别于传统的防水涂料(如改性沥青卷材)生产，是完全意义上的化工生产。对人员素质的要求、管理上的严格规范和操作控制方面的严谨准确均非一般防水材料生产可比，对此需要足够的认识和严格的工艺管理方法、安全制度，保证生产线投产的顺利进行，确保产品质量和操作过程的安全性。[6]

4 总结

环保健康、节资节能的水性漆在欧美发达国家普及率已达80%以上，在建筑涂料领域里，水性涂料在工业发达国家中占绝对优势，比如在德国占到93%，即使在西欧发展最慢的挪威也有60%份额。在工业涂料领域里，欧洲的水性工业涂料已超过100万吨，2015年将达到200万吨。水性工业涂料在世界工业涂料中已占30%，到2015年将达到50%以上。现在欧洲水性工业涂料已占到40%；在专用涂料领域，目前水性涂料正在以前所未有的速度向汽车修补涂料、防腐蚀涂料、道路标示涂料等所占比重较大的领域发展。而目前国内外生产的水性聚氨酯涂料几乎都是单组分的，而单组分体系的抗拉伸强度提高的程度很有限，对于高强度的涂膜,必须采用双组分体系，其综合性能与传统的溶剂型双组分聚氨酯产品相当，这正是当前国内外的发展方向之一。

由于溶剂型聚氨酯涂料对于人类自身和生态环境的严重威胁日益明显，而水性聚氨酯涂料具有经济节能环保和安全的特点，符合时代发展的要求，势必得到大力的推广和应用。绿色涂料的开发和推广将成为21世纪涂料的主要方向。相

信随着市场的发展和中国科研团队的壮大，新的适合消费者需求、具有更高质量的聚氨酯涂料会不断得到开发和推广应用。[7]

参考文献

〔1〕哄啸吟,冯汉保. 涂料化学 [M].第二版.北京:科学出版社, 2005: 228-245.

〔2〕褚建军，沈春林.单双组分水固化型聚氨酯防水涂料的研发与性能研究[C].地下空间工程防水与渗漏治理技术研讨会论文集.2012.

〔3〕李荣俊.重防腐涂料与涂装[M].北京:化学工业出版社, 2014: 31-226.

〔4〕丛树枫.聚氨酯涂料配方设计基础〔DB/CD〕. 中海油常州涂料化工研究院，2011.

〔5〕中国涂料网. 国内外著名涂料品牌〔DB/CD〕.2015.

〔6〕李冰.水性聚氨酯涂料的制备、改性及其性能研究[J].天津大学学报(自然科学版).2006.

〔7〕陈永初.聚氨酯防水涂料生产线工艺装备及其对生产与质量影响诸因素 [B].北京东方雨虹防水工程有限公司,2011.