防水功能（共4篇）
防水功能 篇1
本文介绍了一种聚氨酯防水涂料生产专用多功能聚合釜,该设备集搅拌、刮壁、分散、细化于一体,对触变性物料,液-固、液-粉态物料,均能实现快速溶解、快速混合、快速细化不破乳,适用于双组分、单组分、高铁专用高强度聚氨酯和聚脲等防水涂料的生产。采用该设备生产聚氨酯防水涂料,能够节约初期投资、降低综合运行成本、提高产品质量( 提高固含量15%) 、减轻劳动强度、减少操作人员 ,满足多种生产工艺要求( 真空、冷却) ,且环保安全节能。
聚氨酯防水涂料生产专用多功能聚合釜适应性强,可根据用户需求选择双轴或三轴,电加热、油加热、蒸汽加热、油汽共用等系列产品。
1 专用机械密封
聚氨酯防水涂料生产中,需通过抽真空使物料内的水分完全挥发掉,有时还需采用氮气隔断空气中水分的进入,故密封是极其重要的一个环节。
聚氨酯防水涂料生产专用聚合釜的高速分散轴设计转速均为1 450转,这就对轴密封提出了较为严格的要求。设计人员参照国外同类设备、结合我国国情,设计出高速专用机械密封。该高速密封可承受0~3 000转运行状态下抽取真空到-0.1 MPa, 可耐高温250℃,同时具有对传动轴不磨损、保养简单、使用寿命长等优点。
高速专用机械密封采用进口轴承、进口骨架密封、多头式粗弹簧、固定盘、冷却夹套等组成。骨架密封由合金钢及塑料合金组成,合金钢可承受每分几万转速度磨 合不磨损 和高温不变形;塑料合金由四氟乙烯材 料加入高 性能的化学材料合成,比常规四氟乙烯耐磨1 500倍以上。这两种材料形成密封唇口紧抱主轴,在主轴运行时有相对的滑动,减轻阻力,达到良好的密封效果( 图1) 。
2 多功能组合搅拌器
聚氨酯防水涂料生产工艺中, 有一定比例的粉料加入。传统的混合方式是采用桨式单轴缓慢搅拌而成,需耗时8~10 h,虽也能生产出合格产品,但存在粉料细化不完全的缺陷。而多功能聚合釜采用慢速搅拌加快速分散的组合设计( 图2) 。
慢速搅拌轴采用△型强力搅拌桨, 既保证了剪切力,又能减轻阻力、延长使用寿命。同时,慢速搅拌轴选用了扭力大的传动减速机, 以减轻慢速搅拌电机的阻力。
快速分散主轴采用分散盘,分散盘分两层放置,下层至封头,上层与下层间隔500 mm。分散主轴运行的稳定性主要靠轴承, 除选择性能较优的进口轴承外,轴承座需有一定的长度。主轴宜粗不宜细,主轴加工精度为δ6~δ8, 误差不超过16丝 ( 0.16 mm)( HG/T 3796—2005《搅拌轴系列标准》) 。
组合搅拌器的工作原理:先开中间强力搅拌桨,使物料全方向、多角度从底部向上翻混, 形成涡流状, 实现将液料-粉料快速溶解为一体;30 min后开启高速分散,实现物料快速分散、细化,物料高速分散产生离心力又与不断送来的物料对撞, 加速细化、混合( 强大的离心力还能降低物料粘壁的几率) ;高速分散1~2 h后,液-粉料已充分混合、细化,此时关闭高速轴,继续强力搅拌0.5~1 h,促使物料进一步混合均匀。
实践证明,原料相同的情况下,采用组合搅拌生产方式与采用传统单轴生产方式相比,生产效率提高明显,同时产品固含量可提高15%,且不易变质、沉淀。
3 聚合釜的冷却
聚氨酯防水涂料生产时的温度不是很高,但需快速升、降温,因而对冷却系统要求较高。
电加热型聚合釜,由于升温速度快,采用了双冷却系统,即夹套内设冷却盘管,夹套外增加冷却夹套( 图3) 。这样设计的优点是:1) 双重冷却,速度快、效果好;2) 不冷却时,增加的夹套还可起到保温作用。
导热油加热型聚合釜,在夹套内设置不锈钢半盘管加热( 不锈钢半盘管需用氩弧焊焊2遍,确保长期使用) , 不锈钢半盘管外、夹套内过循环水冷却 ( 图4) 。这样设计的优点是 :1) 节省热能 ,热源在半盘管内导向整个釜体,釜体循环均匀受热;2) 减轻设备及管道的受压因素,延长设备使用寿命。需要注意的是,随着聚氨酯防水涂料生产的规模化,生产用聚合釜的规格也越来越大。5 000 L及以上规格的聚合釜,需采取分段加热方式,在聚合釜底部、上部设置2组加热通道,确保聚合釜上、中、下部均匀加热。
蒸汽加热型聚合釜的冷却方式,与导热油加热型聚合釜的冷却方式类似,只需将进出口位置对调即可( 导热油加热方式是下进、上出 ,蒸汽加热为上进、下出)( 图4) 。若采用煤加热的聚合釜,加热煤进口直径应略小于出口直径,如进口采用d40、出口采用d50。
4 聚合釜的加热
以电加热型聚合釜为例, 介绍聚合釜的加热方式。
电加热型聚合釜加热系统的一般设计是在聚合釜底部均布5组立式电加热棒,每组3根,成△型排布。这种排布方式会导致聚合釜底部受热不均。本设计将其中1组立式电加热棒改为横插釜底。竖插与横插相配合的设计, 有效避免了釜底受热不均的缺陷,改善了加热效果,缩短了加热时间( 图5) 。
采用加热棒横插釜底的加热方式,需适当放宽夹套底部尺寸,增加热源。实际生产中,根据物料的多少,可选择电加热棒全开,缩短加热时间;也可少开一组或几组立式电加热棒( 横插电加热棒必须开) ,因电加热型聚合釜导热油的热量是从上部往下传递,只要保持横插电加热棒处于开启状态,立式电加热棒不管开一组还是全开,均为四周受热。
5 聚合釜传动功率
不同规格的聚合釜, 需要采用不同的传动功率。根据笔者多年的生产实践经验,3 000 L规格的聚合釜,慢速搅拌电机功率为7.5 k W,快速分散电机功率为22 k W;5 000 L规格的聚合釜,慢速搅拌电机功率为15 k W,快速分散电机功率为37 k W。慢速搅拌转速不宜超过63转,快速分散转速需达到1 450转( 转速低于1 000转时,起不到剪切细化作用) 。
6 结语
除了上述选材和参数设置外,聚合釜各部位的装配也是非常重要的一环,即使是一个轴承、一颗螺丝，都要严格按照技术规程操作。这样才能保证聚合釜长期、可靠运行。
摘要：介绍了一种聚氨酯防水涂料生产专用多功能聚合釜,该聚合釜采用高速轴专用机械密封、慢速搅拌加快速分散的组合搅拌系统、竖插与横插相配合的加热设计,有效解决了传统聚合釜密封不持久、搅拌耗时长、加热不均匀的缺陷。
关键词：聚合釜,聚氨酯防水涂料,机械密封,组合搅拌,冷却,加热
防水功能 篇2
东方雨虹系国家火炬计划重点高新技术企业,拥有防水行业唯一国家认定企业技术中心,在中国建有12家工厂,2014年实现50亿的营业收入和28.27% 的增长率。
截至目前,东方雨虹企业技术中心承担3项国家火炬计划项目,1项国家重点新产品技术,1项国家863计划项目,40项自主创新产品,另有4项技术达到国际先进水平,填补国内技术空白;专利方面,主要产品和技术已申请专利共138项,其中授权专利37项,包括16项发明专利、16项实用新型,5项外观专利,另有81项专利进入实质审查阶段。
防水功能 篇3
进入21 世纪的今天,混凝土仍然是土木建筑工程中用途最广泛的材料之一,十几年来大量工程实践证明,在各种自然和人为的灾害中,由混凝土结构耐久性问题引起的事故十分突出,造成的经济损失也很惊人。
据《中国房地产报》2010 年4 月16 日报道:“中国每年有20 亿m2新建面积,但这些建筑的使用寿命只有25~30 年。与此同时,中国30%~70%的建筑工程在3 年时间内出现的渗漏水问题也十分突出。造成上述现象除了规划建设没有远见外,还与建设工程的质量密切相关。”混凝土结构质量与房屋渗漏水,已是近年来居民投诉的两大重点,这是需要认真解决的。
混凝土耐久性问题涉及内容较多,影响因素和破坏机理也很复杂,但共同点都与水或其它有害液体(或气体)向其内部侵蚀的难易程度有关。长期以来,在混凝土耐久性方面国内外有许多研究成果;随着新型防水材料的不断问世,建立可靠有效的防水屏障,已成为大家的共识。然而这两个有着密切关系的分项工程,因学科与专业的不同,在研究方向、标准制定与工程作业方法上,却存在诸多矛盾的地方。如何根据实践中发现的问题,在研究方向上有所突破,是本文讨论的重点。
2 混凝土结构耐久性问题日益突出
混凝土结构耐久性问题不仅述及混凝土材料,还包括所处的工程环境、建造方法以及工程结构设计等因素。本文重点讨论由混凝土结构裂缝引起的耐久性问题。
混凝土结构裂缝一直是土木工程界关心和重点研究的课题。当前由于普遍使用早强、高强商品混凝土,因此混凝土结构的开裂越来越普遍,其危害程度不容低估。另外,城市环境污染日甚,气体、雨水中的侵蚀性介质均会加速钢筋的锈蚀,破坏混凝土内部结构,使混凝土开裂时间提早,如不采取有效防范措施,势必影响结构的耐久性。
混凝土(含采用各种外加剂、防水剂)出现裂缝(指宽度在0.2~0.3 mm以下的无害裂缝)是不可避免的,并可视为可以接受的事实。由混凝土裂缝引起的各种不利后果中,渗漏水占60%。从物理概念上说,水分子的直径约0.3 μm时,可穿过任何肉眼可见的裂缝。所以从理论上讲,任何钢筋混凝土结构工程都要对裂缝进行防治,这也是防水工程的基本要求。
当混凝土发生开裂时,各种不同形态的水就会乘虚而入,随之钢筋发生锈蚀、膨胀、造成混凝土剥离与加速老化现象。当遇到突发荷载时(如结构超载、火灾、地震等),房屋(含建筑物或构筑物,下同)的坍塌就会“不期而遇”(见图1)[1]。另外,长期处于露天、江河湖海等容易引起腐蚀的交通工程,如年久失修引发垮塌事故造成人员伤亡等案例不胜枚举。近年来一些新建大桥的质量问题和引发的交通安全事故也值得关注。
从我国长期以来建设工程实践得知,房屋的使用年限与防水工程设防标准及工程质量有对应关系。而房屋渗漏及使用年限的缩短,又与防水材料和主体结构的“结合”条件有关:如一些新型防水材料虽然性能优异,但因不能适应主体结构各种荷载、温度收缩变形和地基不均匀沉降的影响,过早丧失防水功能而提前报废,并造成资源的极大浪费,这与当前“节能减排”的基本国策背道而驰。
3 典型案例分析
3.1 屋顶结构倒塌
1983 年8 月24 日,中国台湾省立丰原高中因屋顶长期漏水,久未使用的二楼大礼堂再度启用举行新生开学典礼,当600余名男女新生作整齐一致的起立与坐下的动作时,随即在无任何预警征兆下,发生地震式陷落,作骨牌连锁性、连根拔起似的、令人逃避不及的瞬间倒塌。导致压死座位南面女生26 名,轻重伤多达80 余名的惨案。倒塌主要关键部位如图2 所示[2]。
经过现场勘查和取证认为,该屋顶柱子是设计、施工最脆弱节点,其倒塌现场仅限于房屋南面的墙、柱和屋顶约4/5 部位,而钢屋架断裂点又不在一般弯矩最大的区间,且有柱子连根拔起的现象。如此特殊倒塌过程和结果,足证混凝土早在数年前已经破裂,而倒塌的主要原因是屋顶长期渗漏水,混凝土开裂导致钢筋日积腐蚀以及屋顶严重超载而造成的。
3.2 上海地铁工程
上海地铁1 号线上海站建成通车已有20 多年,但其渗漏水问题一直没有解决好。2009 年11 月15~20 日,是上海市入冬后的第一次寒潮。期间,大风大雨不止,个别时段气温已降至2 ℃左右,累计降水量达200 mm以上。为了追踪此次寒潮与大雨对地铁车站工程质量的影响,笔者于2009 年11 月25日傍晚,实地勘查了地铁1 号线上海火车站站厅,图3、图4是从众多开裂与渗漏水部位照片中选辑的,有典型意义。
上海地铁1 号线车站地下工程底板采用结构自防水,因此难免出现“贯穿性裂缝”。在顶板上虽然设置了柔性防水附加层,由于当时只注意到混凝土强度和抗渗等级,而忽略了防止产生裂缝的各种措施,其结果因水泥用量过多,水化热增高,收缩量加大,导致有害裂缝的产生。不少车站的顶板均出现众多无规则的微细裂缝,特别在顶板和侧墙的交界处。还有不少45°斜裂缝,且伴有严重渗漏水,并呈发展趋势。虽然每年都会采取一些封堵措施,但效果并不明显。每当寒潮来临时,因温差引起的开裂与渗漏水现象,常给营运单位与广大旅客带来诸多不便。
应该谨记,混凝土结构开裂与渗漏水两者互为因果。其中“活”裂缝的处理尤为复杂和困难,而堵漏效果也仅是权宜之计,且难以根治。
3.3 台北捷运高架桥梁
据中国台湾《联合报》1993 年4~6 月间的连续报导,在台北市捷运系统(即轨道交通)工程中,有不少地段在高架桥钢筋混凝土柱顶的横梁上发现贯穿性裂缝,有些裂缝还渗出白色物质(析钙现象),这表明雨水已经渗入到钢筋混凝土结构的内部。渗入横梁裂缝里面的雨水,会引起钢筋的锈蚀,随着时间延长,钢筋的锈蚀会逐渐加快,其结构承载力将显著减小,并影响到整个横梁结构。由于该横梁系支撑电气机车行走的轨道大梁,当机车在轨道大梁上急速行驶时,经过长期荷载及振动的影响,这些裂缝必将进一步扩大,如不及时修补,终有垮桥的危险。
在台北市不少高架快速车道上尚存不少严重漏水和潜伏危机的情形。这些漏水主要是由混凝土材料干缩引起的细小裂缝(龟裂)所造成的。由这些混凝土细小裂缝开始,逐步形成“小裂缝—漏水—渗透—生锈—腐蚀—膨胀—剥落”的恶性循环。因此对这类混凝土的细小裂缝所造成的危害性,也不容忽视。
3.4 某桥梁垮塌原因探究
2015 年6 月19 日凌晨,赣粤高速公路河源境内匝道桥梁垮塌。这座设计使用年限100 年的桥梁,竟然在投入不到10 年就垮塌。联系到多年来不少短命建筑倒塌、人员伤亡以及一些钢筋混凝土桥梁、高架桥等相继发生严重质量安全事故的现实,不得不让人重新思考现代混凝土技术到底还存在什么难解之谜,还有什么死角和盲区等待我们去发现和解决。
出现上述事故涉及到水泥品质和相关标准问题,因为我国现有的水泥是以28 d强度值作为评定基准。以硅酸盐水泥中最大含量的硅酸三钙矿物为例,28 d的水化深度大约是10μm,相对于颗粒粒径绝大多数在30 μm以下的水泥而言,28d水化已完成90%以上。也就是说,28 d后即使养护条件再好,混凝土强度也没有多少增长的余地。而从始建于1897 年的日本小樽港长达百年、6 万多试件有关耐久性试验数据证明,不论是置于海水、淡水或大气中的试件,其长期强度的发展趋势是基本一致的。其中,试件在自然的大气环境中存放30~40 年强度达到最高,大约提高了100%,然后逐年下降;存放95 年强度从最高点下降约40%,但仍然高于28 d强度约20%。当年日本小樽港工程所用的水泥颗粒粒径是200 μm方孔筛筛余量小于10%,其平均粒径远大于目前国内标准使用的80 μm方孔筛筛余量小于10%的水泥平均粒径。由此得出结论,水泥颗粒粒径的大小对混凝土强度的长期发展起着决定性的作用。这与我国学界长期以来普遍认为混凝土后期强度增长缓慢或少有增长的说法是不尽一致的。
为了与小樽港的数据进行对比,日本海洋工程研究所还进行了相关的对比试验。结果表明,在海洋气候环境条件下,对于比表面积下限在250 m2/kg的水泥,混凝土存放5 年抗压强度达到最高,增长约40%,然后逐年下降,至10 年甚至低于原来的28 d强度。正因为目前我国水泥颗粒粒径大多在30 μm以下,所以混凝土强度虽然短期内上升很快,但后期强度却少有增长且有逐年下降的趋势。说明国内多起钢筋混凝土桥梁、高架桥质量事故,大多数发生在使用期达10 年这一关键时间节点就不足为奇,关键是结构所处的环境条件。
值得指出,若按日本海洋工程研究所试验用的水泥比表面积进行对比推断,如果国内施工企业在配合比设计时没有大幅度提高混凝土配制强度,那么,实际上长期处于露天和地下工程的混凝土结构,虽然短期强度增长很快,但随后逐年下降,并在服役期不到10 年就已经下降至设计值以下,这点不得不让人对相关规范、标准在确保结构安全性上有所质疑。另外,大量的混凝土结构裂缝与楼(屋)面板的渗漏以及连带引起的钢筋腐蚀等问题,多数也与混凝土中矿物掺合料不加限制以及水泥中混合材用量超标有关。这一情况必须引起有关方面高度重视。
4 建议与看法
欲解决混凝土结构耐久性问题,主要应从抑制混凝土开裂宽度与防止水的侵蚀着手,两者不可分离。而从系统工程观点出发,笔者提出开展混凝土结构耐久性与防水功能一体化研究,其中在混凝土之后加上“结构”,而在防水之后增添“功能”,不仅是文字表达方式的不同,更主要是在研究方向上更为宽泛,即既有材料方面的问题,还涵盖了包括设计构造、施工工艺以及管理维修等内容,因而具有前瞻性和现实意义。现就有关问题简述如下。
4.1 “内膜防水”研究新动向
在地下建筑工程中,普通的混凝土结构本身是不防水的,这主要因为在混凝土中充满着相互连通的毛细管空隙网络,具有透气性,同时也可让水分渗透穿过;甚至,高性能混凝土也不能避免多孔性这一特征和产生裂缝的缺陷。实践证明,水对混凝土的侵蚀是几十年来地下工程不断渗漏的元凶,同时也是造成混凝土结构劣化、损坏,进而影响到地下工程使用年限的主要原因。
保护混凝土免遭水的侵蚀,传统做法是用薄膜防水层隔离,可称为“外膜防水屏障”,即在混凝土表面涂刷液态防水涂料或粘贴柔性防水卷材。这种方法的弊病是防水材料仅仅附着于混凝土表面,很容易遭到穿刺和剥离,导致防水失效。
据国外有关文献报道“:抵御水对混凝土侵蚀的另一种方法是,在混凝土结构内部设置“内膜防水屏障”,对这一方法的探索与工程实践已有20 多年的历史。其核心技术是,通过选择可降低混凝土渗透性的外加剂,在混凝土本体内部创建承受高静水压力的阻水机制,形成“内膜防水屏障”。建立“内膜防水屏障”关键在于结合工程和所处环境条件,选用符合要求的外加剂和相应的渗透结晶工艺,这与晶体结构在混凝土中的发育过程以及形成防水屏障的质量有关。据美国US Amy Corps of Engineers(ACE)CAD C48《混凝土的渗透性》文献称,用渗透结晶材料处理的混凝土可承受123 m水头压力(1.2 MPa)。
“内膜防水屏障”的形成,主要依赖具有活性化学物质与渗透结晶工艺,通过与水泥、水的化学反应而生成的硅酸钙水合物而堵塞混凝土孔隙,正是这种“虚空无形”的化学反应与结晶发育过程,并充分利用混凝土固有的“多孔性”这一看似“瑕疵”的特征,使防水与结构共融共存,相互补充,最终实现保护混凝土结构免受水的侵入,并获得良好耐久性的目标。
另外,我国台湾一流式防水中心在20 世纪80 年代开始使用“柏油网喷火技术”发明专利(在美国及中国大陆、台湾都有专利发明权),用于地下防水工程与机场跑道的维修工程,均取得不俗的成绩,其中利用“高压喷火”工艺,使液态的改性沥青通过附着的麻丝牢固地“渗入”于混凝土内部,堵塞混凝土孔隙,同时还对出现的裂缝具有根着性、追踪性、弥补性等功效。这从另一侧面说明,“内膜防水屏障”体系具有多样性,既可选择渗透结晶型无机材料,也可使用具有液态的改性沥青有机材料,以及其它多种材料。
4.2 “外膜防水”重点研究课题
“外膜防水”目前仍是防水工程实施的主要手段。根据混凝土结构耐久性与防水功能一体化研究的思路,在防水工程设计、选材、施工和使用的全寿命周期内,减少对天然资源消耗和减轻对生态环境的影响,并应做到“节能、减排、安全、便利、耐久(即延长防水使用年限)以及保护主体结构”的要求。
例如在屋面工程中,“正置式”是经典,但不符合热传导原理,外暴露的防水材料容易破损和老化,使用时间较短,相对维修简单也算优点。“倒置式”屋面(包括目前倡导的种植屋面)功能较好,使用时间长;但对相关材料和施工质量有严格要求,一旦渗漏,维修困难,且代价较高。随着轻质、高强、导热系数低的新型保温材料的问世,以及防水施工工艺的改进,扩大“倒置式”屋面的应用,符合绿色建筑的要求。而地下防水工程则强调全封闭迎水面防水,但因防水材料与基面粘结不良,造成剥离、脱落和窜水现象屡见不鲜,加之细部构造设计不周、密封不严以及地基不均匀沉降等,不仅影响建筑物使用功能,进而危及主体结构安全。为此列出以下几项重点研究课题,可供参考:
(1)不同候区“倒置式”屋面构造优化与技术经济评价;
(2)针对不同候区、不同环境和工况条件下,各类屋面及地下工程细部构造(含变形缝)的防渗漏技术研究(数字化模型实验);
(3)不同柔性防水材料相容性以及与混凝土结构粘粘性和抗窜水性能研究;
(4)南方地下工程(软土地基)“两墙合一”防水技术的研究;
(5)南方地下工程实施“全封闭”外防水成套技术和抗腐蚀、耐久性研究;
(6)山区岩石地基中地下结构与防水采用滑动层构造的研究;
(7)大体积防水混凝土防止开裂成套设计与施工技术研究;
(8)地下工程渗漏水诊断与数字化注浆堵漏技术研究;
(9)既有建筑屋面改造与防水、节水、节能技术研究。
5 结语
“结构是本,防水是表”,只有把两者合二为一,融为一体,才能构筑可靠持久的防水屏障,这是从大量工程实践中得出的结论。
实现上述目标有2 种途径:一种是化学结合,即利用混凝土多孔性这个看似“瑕疵”的特征,选择某些防水材料,通过化学反应或其它工艺手段,渗入到混凝土内部(一定深度)孔隙中。这种具有“填充”防水机理形成的内膜防水屏障,可有效抑制混凝土裂缝的发展,还能进一步提高混凝土的耐久性。另一种是物理结合,即改善防水材料与混凝土结构基面的条件,通过多道(多层)设防及涂抹、铺贴、密封等施工工法,形成全封闭的外膜防水屏障。例如传统的以水密性为主要功能,且有良好粘结性能的沥青防水卷材,只要满足相关施工条件,也能获得良好的防水效果。这种方法可称之为“粘附”防水机理。
笔者认为,上述2 种途径都有各自特点与功效,不能以偏概全。对于跨学科多专业的建筑防水工程而言,更要求釆取“产学研”联合方式和市场经济手段攻关解决。只有在科学实验中不断探索,在工程实践中不断完善,相互兼容,通过比较,才能取得更多的创新成果,从而促进我国建筑防水技术不断进步和发展,这是值得期待的。
参考文献
[1]张婵.建筑防水创新与发展[M].北京:中国建筑工业出版社,2011.
防水功能 篇4
随着科技的进步,防水涂料的品种日渐增多,但迄今为止在世界范围内各国仍视聚氨酯防水涂料为功能最好的防水涂料之一,被誉为液体橡胶。
北京东方雨虹防水技术股份有限公司为适应市场对聚氨酯防水涂料的需求,特别是为国家重大工程提供优质的聚氨酯产品,同时完善公司的防水涂料体系,形成覆盖中、高性能档次的涂料产品系列,于2004年5月建成投产了一条年产5 000 t聚氨酯防水涂料的生产线,并于2007年10月扩产达到1万t产能。该生产线自建成投产至今已累计生产单、双组分聚氨酯和喷涂型聚脲涂料等1.5万余t,产品用于工业与民用建筑的厨厕间及阳台、地下室、泳池、污水处理池、地铁、高速铁路等多个领域和部位的防水。笔者主持了该生产线的设计、建设和运行,几年的生产实践证明,该生产线设计先进、系统完善,核心设备和控制系统完全满足生产多个品种高质量涂料工艺条件的要求。本文着重介绍生产线设计以及涂料生产过程关键工序的工艺控制方法与要求等内容,与同行交流。
1 一线多功能聚氨酯防水涂料生产线工艺设计
1.1 设计指导思想
建设一条功能多、规模大、工艺装备先进、电气控制现代化,总体技术具有当代国际先进水平的生产线,是本公司聚氨酯涂料生产线设计和建设的目标,也是生产线建设的指导思想。
1.2 设计功能和规模
聚氨酯是聚合物主链上含有较多氨基甲酸酯基团(—NHCO—)的系列弹性体材料,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,聚氨酯可分为双组分(多组分)和单组分两大类。单组分是通过聚氨酯预聚物的—NCO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—NCO端基与B组分中的催化剂反应而固化成膜。另据当时对聚氨酯类材料国内外市场的调查,喷涂型聚脲弹性涂料已悄然兴起;聚氨酯防水涂料的品种规格、性能、颜色也有多样化的趋势。
为使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,我们确定生产线设计目标为:兼具生产单双组分聚氨酯涂料、双组分喷涂聚脲弹性涂料、双组分建筑密封膏和道桥密封膏等多种产品的功能,一期设计规模为年产5 000 t(工艺管道等配套系统能力按年产1万t设计,主设备预留位置,为今后扩建打下基础)。2007年,通过新增3 m3反应釜5个、扩充真空系统、新建自动恒压氮气保护聚醚储罐、恒压氮气保护冲洗液储罐等,将生产能力扩大到了年产1万t。
1.3 工艺流程设计
1)主要原材料选用
聚氨酯类材料的合成过程主要是异氰酸酯与羟基化合物的反应,经过反复试验与比较,我们选用了上海高桥二元、三元醇醚和拜耳80/20-甲苯二异氰酸酯(TDI)作为主原材料(后从环保、安全与经济角度出发改用MDI)。除主原材料外,溶剂、助剂、填料等也对聚氨酯涂料合成反应的进行与产品质量起着不容忽视的作用,因此我们也对此一一进行了实验和优选,从原材料和配方上为保证产品质量奠定了基础。
2)工艺流程
从聚氨酯涂料的生产过程看,由原料加入到制备完成是一个复杂的化学反应过程,按其组成和工艺属于精细化工产品。聚氨酯合成反应需要一定的起始温度,而反应均为放热反应,反应过程中又需要不断地移走反应热。聚氨酯合成反应的一个突出特点,是要求控制较窄的温度区间。因为温度过低,反应无法进行或反应速度太慢影响生产效率;温度过高,则氨基甲酸酯、脲基甲酸酯等不稳定、易分解;反应温度不同,其生成物结构不同。为了抑制异氰酸酯与水的副反应发生,须对原料进行脱水处理,因而需要对原料进行加热、抽真空脱水和充氮保护以隔绝潮气。如原材料出现配比误差,任何一种原材料过量均会影响产品质量,特别是异氰酸酯是剧毒化合物,如产品中有游离异氰酸酯存在会在产品应用过程中产生极大危害,因而对配比、计量的准确性要求极高。为此,我们对生产线建设做了充分的前期调研,对国外聚氨酯涂料工艺装备做了深入了解和考察,在此基础上确定了生产线的系统构成: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。另外,为节省建设投资,单、双组分反应釜分开设置,工艺管道等配套系统为部分共用。年产5 000 t聚氨酯涂料生产工艺流程见图1。
2 核心设备设计与选型
保证聚氨酯涂料生产和质量的核心设备是反应釜和计量、控制系统。我们在消化吸收国外先进技术的基础上,结合本生产线对功能、规模及总体技术水平的要求与目标,在设计思路上大胆创新并获得了成功。
2.1 聚氨酯合成的核心设备——反应釜
聚氨酯防水涂料生产线的核心设备为10个有效容积3 m3和3个1m3的双搅拌、双螺旋换热反应釜。其结构如图2所示。
搅拌是制备聚氨酯涂料的关键过程,通过搅拌使各组分互相(液液之间、液固之间)混合均匀、反应充分,在粉料加入、TDI(MDI)加入后均需快速充分搅拌。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、均匀地混合,尽可能大地增加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。考虑到聚氨酯各组分具有一定的粘稠度,Φ1 600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0～750 r/min变频调速高速桨式搅拌外,同时配置了50 r/min框式低速刮边搅拌。为保证刮边效果,要求框式搅拌叶与反应釜壁之间为仅5 mm的均匀间隙,这给反应釜和搅拌器的制作都带来不小的难度。我们依靠与化工设备专业制造厂家的密切合作,来保证设备较好地达到设计要求。
聚氨酯生产同时也是一个反复升温、降温的过程: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。为保证产品质量,根据工艺条件的要求,对生产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,但我公司没有蒸汽锅炉,如果因为此生产线的需要增设蒸汽锅炉,在项目投资、人员配备、管理等各方面都要增加较大投入。经过反复论证,最后创造性地采用了双螺旋加热、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。采用该加热、降温方式,虽然换热面积有一定的缩减,但较之常规的夹套式反应釜,换热介质流速大大增加,同时彻底消除了死角,因而换热效果得到改善。运行证明此种换热结构较好地保证了生产各阶段对温度控制的要求和升降温速度。同时相比夹套式反应釜,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。此种具有独特换热结构的反应釜,我们已申请专利。
2.2 计量与控制
对加入反应釜的各种原材料精确进行可靠的计量和对生产各过程采用先进有效的控制手段无疑是充分发挥设备和系统作用,最终保证生产顺利进行和产品质量的必要因素。
本生产线控制系统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10英寸彩色触摸屏作为人机界面;高速分散采用LG公司变频控制产品,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口在人机界面实现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两套系统。通过现场工艺参数测量—信号运输—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。
涂料生产主要原料液料的传送均由PLC控制自动计量,并按粘度的不同选择流量计,粘度大的用容积式流量计,粘度小的用涡街流量计(计量精度在0.5级以上)。在输送液料前,操作人员在触摸屏上设定需要的量,然后按启动按钮,阀门自动打开,液料泵自动启动,开始输送液料。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,还为每个反应釜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量进行二次计量校核,其精度可达±0.5 kg。
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,避免造成称重误差。
同时为保证最终出厂产品的计量准确,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,罐装物料计量精度为±10 g。
2.3 反应釜控温、控压
鉴于聚氨酯涂料生产过程各阶段对温度、压力都有不同的精确要求,我们针对远程控制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 生产过程关键工序的工艺控制
在设备、配方和原料质量有保证的前提下,生产过程关键工序的正确、有效控制对聚氨酯涂料的产品质量起着决定性的作用。
3.1 原材料的储存
原材料是产品质量保证的前提。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过程中对产品质量的影响,尤其是TDI的储存更需严格管理。TDI具有活泼的化学性质,极易与水发生反应,生成不溶性的脲类化合物并释放出二氧化碳,造成鼓桶并致产品失效。因此在储存过程中,必须保证盛装TDI容器的干燥密封,需充干燥氮气保护。特别是开桶后没有用完的TDI需要及时密封处理,并充氮保护。另外,TDI储存温度也需严格控制。最佳储存温度为25℃,不低于21℃,且不高于35℃。储存温度长期高于35℃时,TDI可发生自聚,导致产品变质;而储存温度低于21℃,可导致原料中产生结晶现象。一旦TDI产生结晶,应在使用前于40～45℃的专用烘房中加热溶化,并充分混合均匀。TDI结晶溶化温度不超过45℃,否则TDI易自聚而变质。
3.2 粉料烘干
聚氨酯生产用粉料中含水率过高将影响产品的储存稳定性,我们利用锅炉烟气余热建有烘房对粉状原料进行烘干处理。实践证明,粉料不经烘干,生产出的聚氨酯涂料产品储存过程中容易凝胶或结皮;而粉料经过烘干后生产的聚氨酯涂料,产品储存稳定性明显改善。经过配方试验验证,当粉料的含水率高于0.15%时,产品稳定性下降严重,储存半年后粘度急剧上升,严重的甚至在表面结一层较厚的皮。因此,为了保证涂料的储存稳定性,粉料需经烘干后才能投入生产。结合生产实际情况,粉料的烘干条件为:烘干温度45～50℃,烘干时间24 h。
3.3 脱水
聚氨酯涂料生产过程中的脱水是关键工序,尤其是单组分涂料的生产,在加入聚醚和粉料后、加入TDI进行反应前,必须进行真空加热抽气脱水。因为原料中水分的存在,不仅影响产品的贮存稳定性,更重要的是将引起聚氨酯预聚体的凝胶而造成生产事故。原料脱水,工艺要求温度控制在110～120℃,抽真空压力为-0.06 MPa以下,脱水后含水率要达到0.5‰以下。图3为在工艺规定的温度和压力下聚氨酯原料含水率随脱水时间的变化情况。由图3可见,脱水2.5 h以上,含水率可低于0.05%。因此生产工艺规定,脱水时间3 h后取样检测含水率。
3.4 聚合反应
原料脱水完毕后,即可加入TDI进行聚合反应。生产过程应严格控制反应温度和时间。温度高会使反应不均,易出现暴聚;温度低反应不完全,影响产品性能和储存。工艺要求反应阶段的温度在80℃左右,不低于75℃,且不能高于85℃。一旦超过85℃时,必须采取措施快速降温,以免暴聚。
聚合反应时间对于产品性能也有至关重要的影响。通过检测反应后游离—NCO含量w—NCO可确定反应时间。根据配方设计,单组分聚氨酯防水涂料预聚体反应完成后,游离—NCO含量(w—NCO)应低于1%。图4为w—NCO随不同反应时间的变化情况。由图4可见,反应2 h后—NCO含量可达要求。
3.5 氮气保护
单组分聚氨酯涂料对防水工程来说还只是一个中间产品,需要施工涂刷后涂料与空气中的水反应固化成膜而成为防水产品。因此对于单组分涂料的制备,隔离潮气的充氮保护系统在整个生产工艺中十分重要。该系统在聚氨酯产品出料时将氮气从反应釜上方充入,使聚氨酯产品受到氮气保护,隔绝空气中水分。
3.6 涂料包装
单组分聚氨酯涂料的湿气固化特点,要求减少包装过程中涂料与空气接触的时间,为此,本生产线采用专用的全自动灌装设备,计量、包装快速完成。生产或包装聚氨酯涂料的工房应温度适宜,相对湿度65%以下。
3.7 严格工艺管理
聚氨酯防水涂料生产有别于传统的防水材料(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、管理上的规范程度和操作控制方面的准确性要求均非一般防水材料生产可比。如对此没有足够的认识、达不到应有的水平,非但无法确保产品质量,甚至可能出现操作、安全事故,应引起足够的重视。为此,我们制订了严格的工艺管理方法和安全制度,并专门从化工行业引进了有经验的操作人员,进行了严格的培训后上岗,保证了生产线投产四年来的安全顺利运行。
4 结语
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、工艺管理和员工素质。通过近5年生产实践证明,我公司投建的聚氨酯生产线工艺流程设计科学合理、系统完善,创新设计的反应釜等设备及计量控制系统先进可靠,涂料生产的一线多功能设计颇具创新性,生产线总体技术达到国际先进水平。
摘要：介绍了2004年自主设计建成的年产5000(t2007年扩产至1万t)一线多功能聚氨酯防水涂料生产线的设计指导思想、工艺流程、主要设备设计与选型以及生产过程关键工序的工艺控制。