【正文】 ..................................... 30 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第一章 概 述 苯丙乳液 苯乙烯 以及 丙烯酸酯共聚物乳液涂料 同時(shí)又被 稱 作為 苯 丙乳液涂料 ， 是一種用苯乙烯改性的丙烯酸酯系共聚物乳液涂料 ， 笨丙乳液是采 用苯乙烯部分或 者是 全部代替純丙乳液中的甲基丙烯酸甲酯。 因?yàn)槭?在共聚物中引入了 一部分的 苯乙烯鏈段 ,能有效的 提高 其作為 涂膜的耐水性、耐堿性、硬度、抗污性 以及 抗粉化性。 苯丙乳液為 乳白色液體， 液體是 帶 有 藍(lán)光。固體含量 是 40～ 45％，粘度 是 80～ 1500mPas，單體殘留量 為 %， pH值 一般在 8～ 9左右 。苯丙乳液 的 附著力 相當(dāng) 好， 而且 膠膜 十分 透明，耐水、耐油、耐熱、耐老化性能 都非常良好 ， 不僅可以 用 來 作 為 紙品膠粘劑， 還可以 與淀粉、聚乙烯醇、羧甲基纖維素鈉等膠 粘劑 一起配合來 使用。 此物一般 貯存于 5～ 30℃的庫房內(nèi)，貯存期 一般 不會(huì)超過 1年。 該 涂料 的 保光性、保色性、戶外耐久性 、 抗污性 不錯(cuò) ,還有 對填料粘結(jié)強(qiáng)度 相當(dāng) 高 。同時(shí)還可以用來 配制高光澤乳液涂料 ； 考慮到經(jīng)濟(jì)原因， 其成本比純丙乳液涂料低 上不少 。這種涂料 不僅僅能 供水泥沙漿、灰泥沙漿、木材、混凝土底材的涂裝 ,還能有效的 配制沙漿噴涂漆和水泥系涂料 ， 當(dāng)然也可以 大量地用 來 作 為 外墻 的 涂料。這類涂料用途 十分廣泛 ， 在乳液涂料總產(chǎn)量中占有 一席之地 ， 是一類 非常具有 發(fā)展前途的乳液涂料。 苯丙乳液發(fā)展 簡介 乳化劑體系 的 研究進(jìn)展 主要 是由 5060 年代 開始 ， 在 當(dāng)時(shí) ， 人們研究 比較多 的是表面活性引發(fā)劑和表面活性鏈轉(zhuǎn)移劑； 苯丙乳液的 研究熱潮 是 出現(xiàn)在 20 世紀(jì)末和 21世紀(jì)初，隨著 可 聚合乳化劑的優(yōu)異性能 慢慢 被人們 所 發(fā)現(xiàn)，研究 也就 越來越集中在可聚合乳化劑上面 了 。 極 具有代表性的研究是由歐盟資助、 Guyot A[3]等領(lǐng)導(dǎo)的由 8 個(gè)學(xué)術(shù)和 5 個(gè)工業(yè)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合進(jìn)行的系統(tǒng) 性 研究。 這些實(shí)驗(yàn)室 系統(tǒng) 性 地研究了 可以 影響可聚合乳化劑應(yīng)用性能的諸多 影響 因素， 與此還 探討了 怎么做才能 使可聚合乳化劑達(dá)到他們所預(yù)期的 最佳使用效果。 從那以后 的系統(tǒng)研究 逐漸減少 ，人們 開始熱衷于 進(jìn)行新結(jié)構(gòu) 反應(yīng)型乳化劑的合成與性能 的 研究， 期望著可以 找到性能更加優(yōu)異的品種和開拓畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 其應(yīng)用領(lǐng)域 市場 等。 另一方面， 近些年來， 研究 相對多 的是將可聚合乳化劑應(yīng)用到微乳聚合中 得以來 制備無機(jī)或 者是 有機(jī)納米粒子。 我國 國內(nèi) 有關(guān) 反應(yīng)型乳化劑的研究 是近幾年 才開始興起 ， 就眼前而言，較為 熱門的幾種可聚合乳化劑有陰離子型 、陽離子型馬來酸酯類的和丙烯酰胺可聚合乳化劑等。 這幾年， 在乳液聚合理論和技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上， 發(fā)現(xiàn) 了有機(jī) 無機(jī)納米復(fù)合高分子乳液，材料的復(fù)合 也已經(jīng)開始 從單純的機(jī)械共混 逐步擴(kuò)大 發(fā)展到 了 亞微觀的有機(jī)復(fù)合 [21]。納米復(fù)合高分子乳液中一相為有機(jī)聚合物相， 另一相為無機(jī)相 合物相 ， 該類型的 復(fù)合材料與常規(guī)的聚合物／無機(jī)填料復(fù)合體系不同，不 僅僅在于 有機(jī)相與無機(jī)相的簡單混合，而 更為重要的是 兩相在納米尺寸范圍內(nèi) 可以 復(fù)合而成的。有機(jī) 無機(jī)復(fù)合乳液聚合是把有機(jī)物和無機(jī)物的長處結(jié)合起來的一種新型乳液聚合技術(shù)。無機(jī)材料具有硬度高、耐老化、耐溶劑、價(jià)廉等長處， 與此同時(shí) 有機(jī)材料具有成膜性好、柔韌性好、可選擇性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。用有機(jī)無機(jī)復(fù)合乳液聚合 所 得 來 的高分子乳液具有 著與生俱來的強(qiáng)大優(yōu)勢，比如說 附著性能好、耐水性好、透氣透濕性高、抗粘連性、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，在化工、 電子學(xué)、光學(xué)、機(jī)械、生物學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景 ，市場前景無比燦爛。就現(xiàn)在而言，有機(jī) 無機(jī)復(fù)合乳液聚合最關(guān)鍵的技術(shù)是要解決有機(jī)、無機(jī)兩種材料的界面親和性，高性能有機(jī)硅 丙烯酸酯復(fù)合乳液是有機(jī) 無機(jī)復(fù)合乳液聚合最典型的代表 [22]。 研究目的和步驟 本課題是以生產(chǎn)苯丙乳液為目的，通過 研究 合成工藝路線的 差異 ， 來選擇最佳的且 經(jīng)濟(jì)合理的工藝流程，設(shè)計(jì) 的 裝置中的主要設(shè)備 —— 聚合釜。由于設(shè)計(jì)需要每一批的進(jìn)料量、反應(yīng)時(shí)所放出熱量的速率、以及物料的粘度、密度和比熱等數(shù)據(jù)， 因此 本設(shè)計(jì)工作 主要分為 兩步 來 進(jìn)行： 資料收集：通過查閱 有關(guān) 資料 來 確定物料的進(jìn)料比、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度等相關(guān)的 操作條件， 通過 生產(chǎn)需 求來 確定實(shí)際生產(chǎn)的進(jìn)料量， 可以為 工藝設(shè)計(jì)提供 極其重要的 計(jì)算數(shù)據(jù)，測產(chǎn)品的粘度密度等 都要 作為設(shè)計(jì)依據(jù)。 設(shè)計(jì)計(jì)算： 知道 生產(chǎn)的進(jìn)料量，進(jìn)行物料衡算、熱量衡算；根據(jù) 相關(guān) 工藝操作要求，設(shè)計(jì) 出 合適 高效 的操作 方式和生產(chǎn)工藝 ； 再就是 設(shè)備 的 選型 問題 、計(jì)算 得出聚合釜的主體尺寸；繪制 出 工藝流程圖 以及 聚合釜總裝圖。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第二章 廠址選擇及工廠總平面設(shè)計(jì) 廠址選擇 廠址選擇的原則 符合當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)總體發(fā)展 規(guī)劃的要求，并盡量與附近企業(yè)相配合。 面積和外形要滿足啤酒生產(chǎn)工藝的要求，并留有適當(dāng)?shù)臄U(kuò)建余地。 廠址地形宜平坦，地面傾斜坡度最好不超過 3% ,便于廠區(qū)運(yùn)輸線路布置。 廠址選擇從投資和經(jīng)濟(jì)效益考慮 較方便的運(yùn)輸條件，距離公路或?qū)Ｓ描F路最短為好，以節(jié)省投資。 有一定供電條件，滿足生產(chǎn)需要。 所選廠址附近不僅有充足的水源，而且水質(zhì)應(yīng)較好。 廠址選擇結(jié)果 本設(shè)計(jì)綜合以上各種因素，經(jīng)過半個(gè)月的探訪和實(shí)地考察，由于上窯發(fā)展較早，廠房建設(shè)較為密集，、金屬等重污染行業(yè)，有完 善的污水處理系統(tǒng)，及消防系統(tǒng)，利于工廠進(jìn)駐。所以初步選擇了黃石市上窯作為工廠的廠址。 總平面設(shè)計(jì) 總平面的設(shè)計(jì)的原則和要求 總平面設(shè)計(jì)必須符合國家各項(xiàng)方針的前體下，符合防火，衛(wèi)生規(guī)范，盡可能節(jié)約用地，不占或少占農(nóng)田，少勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約建筑材料 [3]。 廠區(qū)占地面積包括廠區(qū)建筑物，露天原料，產(chǎn)品堆場，道路管廊，綠化用地等。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第三章 工藝流程設(shè)計(jì) 工藝方案的確定 傳統(tǒng)乳液聚合方法得到的苯丙乳液。最低成膜溫度 (MFT)比較高，常溫下不能成膜 ,大大限制了它的應(yīng)用范圍?？總鹘y(tǒng)的聚合方法是不能解決這一 問題的。核殼乳液聚合生成具有異相結(jié)構(gòu)的膠粒，能很好地解決這一問題。制備核殼乳液最常用的方法就是種子聚合。 乳液聚合是制造合成聚合物的主要實(shí)施方法之一。目前在世界范圍內(nèi)的乳液聚合法用來大量的制備各種類型乳液聚合物和聚合物乳液，其產(chǎn)品已廣泛的應(yīng)用于各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中，成為不可缺少的材料或工作物質(zhì)。 由于乳液聚合體系粘度低，反應(yīng)中心乳膠粒直徑小，故容易散熱；乳液聚合反應(yīng)即可具有高的聚合反應(yīng)速率，又可獲得高分子量的聚合物，再者進(jìn)行乳液聚合所用設(shè)備簡單，工藝流程較短，不要求高溫高壓的反應(yīng)條件，操作方便，技術(shù)容易掌握，生產(chǎn) 靈活性大。同時(shí)聚合物乳液以水為介質(zhì)，便宜，易得，不污染環(huán)境，不會(huì)對從事聚合物乳液生產(chǎn)和應(yīng)用的操作人員造成人體傷害，且聚合物乳液可以直接用作涂料、粘合劑等性能優(yōu)良的材料或工作物質(zhì)，所以，許多年來乳液聚合科學(xué)與技術(shù)一直保持長盛不衰，乳液聚合理論、聚合物乳液和乳液聚合物的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)都得到了快速的發(fā)展。 本實(shí)驗(yàn)采用種子 乳液聚合法 。 反應(yīng)時(shí)間的選擇 [25] 固定乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3%，引發(fā)劑用量質(zhì)量分?jǐn)?shù) %，反應(yīng)溫度 80℃時(shí)，溫度對黏度的影響，由圖 31 可知，選擇反應(yīng)時(shí)間為 3 小時(shí)比較合適。 產(chǎn)品主要技術(shù)性能指標(biāo) 外觀：帶有藍(lán)色熒光的白色乳液 固含量： (40177。 2)% pH 值： 7～ 8 粘度： 80～ 1500 mPas 最低成膜溫度： 15℃ 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 圖 31 乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對粘度影響 工藝原理 乳液聚合是以水為連續(xù)相（分散劑），在表面活性劑（乳化劑）存在下，使聚合反應(yīng)發(fā)生在由乳化劑形成的乳膠粒內(nèi)部（即表面活性劑形成的膠 束作為微反應(yīng)器），制備高分子材料的一種方法。 乳液聚合技術(shù)較本體聚合、溶液聚合、懸浮聚合相比較，有許多重要特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)，既可制備高分子量的聚合物，又有高的聚合反應(yīng)速率。反應(yīng)體系易散熱，有利于聚合反應(yīng)的控制。生產(chǎn)設(shè)備和工藝簡單，操作方便，靈活性大，代表了環(huán)境保護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向，很多場合下，聚合物乳液可直接利用。因此，近年來乳液聚合技術(shù)發(fā)展很快，特別是在聚合技術(shù)上派生、發(fā)展了多種新技術(shù)、新方法。 乳液聚合體系主要有四大組分：單體、分散介層（水）、乳化劑、引發(fā)劑，其次還有用了 pH 調(diào)節(jié)并改善乳液流動(dòng)性的電解層， pH 調(diào)節(jié)用的中和劑等。依據(jù)反應(yīng)單體與反應(yīng)性質(zhì)，來選用不同的乳化劑。乳化劑是決定乳液穩(wěn)定性的最主要因素，對反應(yīng)速率、乳液粘度、膠粒尺寸等也有很主要的作用。乳化劑的選擇除單體要求的種類外，一般以體系要求的 HLB 值決定其配比和用量，而且多以非離子型與離子型乳化劑復(fù)配，常用的乳化劑如下： 用于乳液聚合的引發(fā)劑主要是以過氧化氫為母體的衍生物，如過硫酸銨（ NH4）2S2O過硫酸鉀 K2S2O有機(jī)過氧化氫，對某些體系，還可采用其他熱分解引發(fā)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 劑如芳基偶氮氨基化合物等。 經(jīng)典的乳液聚合物工藝的定性理論（用以描述乳液聚合體系 中各種物料所處的狀態(tài)及它們之間的相互影響、相互作用和相互轉(zhuǎn)化規(guī)律）將乳液聚合過程分為四個(gè)階段： 分散階段：乳化劑在分散相（水）中形成膠束：加入部分單體后，在攪拌作用下，部分形成單體珠滴、部分增溶在乳化劑形成的膠束中或溶解在水相中。乳化劑、單體化水相、單體珠滴和膠束之間建立動(dòng)態(tài)平衡。 階段Ⅰ（成核階段）：水溶性引發(fā)劑加入到體系中后，在反應(yīng)溫度下引發(fā)劑在水相中開始分解出初始自由基，或擴(kuò)散到膠束中或在水相引發(fā)聚合，或擴(kuò)散到單體珠滴中。無論那種情況都可引發(fā)單體聚合形成乳膠粒。 階段Ⅱ（乳膠粒長大階段）： 聚合反應(yīng) 發(fā)生在乳膠粒中，逐漸加入的單體形成單體珠滴，單體由單體珠滴通過水相擴(kuò)散到乳膠粒中，在其中進(jìn)行聚合反應(yīng)，使乳膠粒長大，此時(shí)，乳化劑和導(dǎo)體在乳膠粒、水相和單體珠滴間建立動(dòng)態(tài)平衡。單體珠滴消失。標(biāo)志階段Ⅱ結(jié)束。 階段Ⅲ（聚合反應(yīng)完成階段）：在該階段，膠束和單體珠滴都不見了。絕大多數(shù)未反應(yīng)的單體集中在乳膠粒內(nèi)部，只有極少數(shù)的單體溶解在水相中，單體和乳化劑在水相和乳膠粒之間建立動(dòng)態(tài)平衡。水相中的引發(fā)劑分解出自由基，擴(kuò)散到乳膠粒中，在乳膠粒中引發(fā)聚合，使乳膠粒中的單體逐漸降低。使單體轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大至反應(yīng)結(jié)束。 設(shè)計(jì)原則，依據(jù)和指導(dǎo)思想 設(shè)計(jì)原則 （ 1）本設(shè)計(jì)每一環(huán)節(jié)都遵循國家政策、法律、法令及行業(yè)規(guī)范； （ 2）在結(jié)合國情的前提下，采用世界先進(jìn)生產(chǎn)工藝，合理的控制生產(chǎn)開銷、堅(jiān)決保證生產(chǎn)的安全以及對三廢的嚴(yán)格處理。 （ 3）采用國內(nèi)現(xiàn)有生產(chǎn)的成套設(shè)備； （ 4）成品標(biāo)準(zhǔn)按國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行 。 設(shè)計(jì)依據(jù) （ 1）依據(jù)學(xué)校下達(dá)的畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書； 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 （ 2）依據(jù)實(shí)習(xí)公司的有關(guān)資料； （ 3）依據(jù)圖書館及網(wǎng)上查詢的有關(guān)資料。 指導(dǎo)思想 (1)為了保證產(chǎn)品的 高質(zhì)量和生產(chǎn)過程的安全，采用懸浮聚合工藝； (2)生產(chǎn)過程采用自動(dòng)化控制，機(jī)械化操作； (3)對于可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)，安裝報(bào)警消防設(shè)施； (4)為達(dá)到環(huán)保要求采用技術(shù)成熟的溶液聚合方法，并對生產(chǎn)過程中排放出來的廢物進(jìn)行處理； (5)為保證生產(chǎn)正常的進(jìn)展和操作便利以及工作人員的安全，廠房、車間、設(shè)備的布局一定要嚴(yán)格執(zhí)行土建標(biāo)準(zhǔn)。 第四章 原料，配方設(shè)計(jì)及選型依據(jù) 原料的用量 單體用量 [23] 不同的單體具有不同的性能，一種單體均聚物一般不具備全面的性能 (表 41)，需選用多種單體進(jìn)行共聚 合成。丙烯酸丁酯玻璃化溫度較低，是一種軟單體。如其含量較高，則產(chǎn)品強(qiáng)度低，但成膜性好。苯乙烯玻璃化溫度較高，是一種硬單體，如其含量較高，則產(chǎn)品強(qiáng)度高，但成膜性差。故二者共用，通過調(diào)整比例，可使乳液性能較為理想。 表 41 不同單體的性能 性能 成膜性 硬度 拉伸強(qiáng)度 附著力 耐濕性 耐熱性 耐紫外線 丙烯酸丁酯 有 很軟 很低 良好 一般 良好 良好 苯乙烯 無 硬 高 良好 優(yōu) 優(yōu) 一般 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8