1、年产3000吨丙烯酸涂料工厂设计说明书 摘 要 丙烯酸树脂涂料是以丙烯酸系聚合物为主共成膜物的合成树脂涂料，它是省能源、低污染的涂料品种。同时,由于它具有优异的防腐蚀和装饰性能,广泛的应用于各行业，随着我国石油化工的发展,在我国涂料工业的发展中,将占有越来越重要的地位。本设计的主要任务是，进行3000吨/年丙烯酸树脂涂料工厂的设计，其主要内容包括市场应用、配方设计、设备选型、安全生产和三废处理、生产成本估算及绘制工厂平面布置图等。关键词：丙烯酸涂料、市场应用、配方设计、成本核算、工艺设计Abstract Acrylic resin coatings based on acrylic polym
2、er film forming matter of synthetic resin coating, it is energy saving, low pollution of varieties of paint. At the same time, due to its excellent corrosion resistance and decoration properties, widely used in various industries, with the development of petrochemical industry in our country, in the
3、 development of coating industry in China, will have more and more important position. This is the main task of the design, for 3000 tons/year of acrylic resin coating factory design, its main content includes market application, formula design, equipment selection, safety production and the three w
4、astes treatment, the production cost estimate and factory floor plan, etc.Key words：acrylic paint, market application, formula design, cost accounting and process design第一章 概述 以丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯及苯乙烯等乙烯基类单体为主要原料合成的共聚物称为丙烯酸树脂，以其为成膜基料的涂料称作丙烯酸树脂涂料。该类涂料具有色浅、保色、保光、耐候、耐腐蚀和耐污染等优点，已广泛应用于汽车、飞机、机械、电子、家具、建筑、皮革涂饰、造纸、印
5、染、木材加工、工业塑料及日用品的涂饰。近年来，国内外丙烯酸烯树脂涂料的发展很快，目前已占涂料的/以上，因此，丙烯酸树脂在涂料成膜树脂中居于重要地位。 从组成上分，丙烯酸烯树脂包括纯丙树脂、苯丙树脂、硅丙树脂、醋丙树脂、氟丙树脂、叔丙（叔碳酸酯-丙烯酸酯）树脂等。 从涂料剂型上分，主要有溶剂型涂料、水性涂料、高固体组份涂料和粉末涂料。其中水性丙烯酸烯树脂涂料的研制和应用始于50年代，70年代初得到了迅速发展，与传统的溶剂型涂料相比，水性涂料具有价格低、使用安全，节省资源和能源，减少环境污染和公害等优点，因而已成为当前涂料工业发展的主要方向之一。1.1丙烯酸涂料在国内外的发展概述1.1.1国外丙烯
6、酸树脂涂料的发展（1）美国的发展概况1-2美国在本世纪30年代就已开始丙烯酸树脂的工业化生产,但由于当时受原料的限制, 发展不快。到50年代,由于石油化工的迅速发展,开发成功了由丙烯氧化生产丙烯酸的工艺路线,才得以大规模生产,并逐步降低了成本,使丙烯酸系列单体品种增加,工艺日臻完善, 因而促进了丙烯酸树脂涂料的发展。但到70年代美国溶剂型涂料仍占70% 左右,此后由于政府限制溶剂在空气中的排放量,加之溶剂价格的升值,迫使人们开发研究“低有机挥发分”涂料。其中以水系乳胶的发展最快,80年代的年均增长率高达8%以上,仅丙烯酸系列乳胶年均生产量就为40-50 X 1 04t。美国生产丙烯酸单体和树脂
7、的最大厂商要算Rohm & Hass 公司,1979年销售额达15亿美元,其中丙烯酸系列产品占一半。 美国的丙烯酸树脂水性涂料有乳胶、胶态分散体和溶液三种形态,以乳胶为主。初期由于水乳胶对金属的防锈能力差于溶剂型涂料, 经过多年的研究, 高性能的丙烯酸乳胶漆才得以大力发展起来。例如ICIInc生产的Haloflex 202 是一种乙烯-丙烯酸共聚体, 在盐雾和浸水试验中, 以及在加速老化和天然曝晒试验中, 都表现了良好的抗蚀性。 美国对发展丙烯酸树脂涂料所用的助剂也非常重视,因为它是涂料必不可少的组成部分。如Aerysol流变改性剂,低分子量聚乙烯、Rheolate l等添加剂,CPE一15增
8、稠剂,Kathon LX 防腐剂,Skane M一8防霉剂等。 目前美国为了防止乳化剂残留在乳液中影响涂料的性能,已着手研究聚合型乳化剂和分解型乳化剂,以提高漆膜性能。其他复合型乳液,包核乳液、新型分散胶体等也在大力开发中。（2）日本的发展概况3 日本也是丙烯酸树脂涂料生产大国,从50年代开始发展,后来又从美国引进技术,加快了发展速度。80年代,日本丙烯酸树脂涂料生产已达20x104t ,其中溶剂型和水性涂料各占一半。在涂料工业中,丙烯酸涂料产量仅次于醉酸树脂,然而发展速度却比醇酸树脂快的多。以1982年为例,丙烯酸树脂涂料增长8%,而醉酸树脂涂料却下降4%一5%,这说明涂料的产品结构在更新换
9、代,有向丙烯酸树脂涂料转移的倾向,预计丙烯酸树脂在涂料工业中的需求量将进一步增长。日本50 年代中期已将溶剂型热塑性丙烯酸树脂涂料投入工业化生产,60年代初又将热固性丙烯酸树脂涂料投产,广泛用作汽车工业和家用电器的烘烤面漆。目前日本的丙烯酸树脂涂料品种牌号近千种,主要生产公司有十多家(如神东涂料、日本特殊涂料等)。日本的涂料消耗最大部门在建筑行业,占总量的27 %一30%,车辆和船舶占30%,家用电器和木工制品占20%,此外尚有一定数量出口。80年代以来,日本在丙烯酸共聚乳液方面、交联型乳液方面、复合型乳液方面的开发研究比较广泛。例如以丙烯酸酯一苯乙烯乳液为主的建筑涂料增长很快。为了提高乳液耐
10、水性和耐久性,日本对交联型乳液的研究极为广泛,除部分自交联外,大部分是外交联,主要是以其它树脂与丙烯酸树脂并用,如醇酸树脂可与丙烯酸树脂很好的交联,所得的胶膜兼有二者的性能,其粘着力优良,耐水、耐老化性能均为上乘。又如氨基树脂交联丙烯酸的涂料正在逐步取代氨基醇酸树脂涂料,丙烯酸聚氨醋涂料的使用量增加迅速。同时日本还在技术开发方面把老产品的改进和现行生产工艺的改革作为重点,发展对环境适应型涂料,即开发水性涂料、高固体分涂料和无机涂料,用紫外光或电子束固化的丙烯酸涂料也在逐步发展。此外旧本还有不少专利介绍交联型自乳化乳液涂料,其涂层的附着力、耐腐蚀性、耐久性等均优良。（3）原西德的发展概况4 原西
11、德生产丙烯酸徐料的厂家主要有巴斯夫、拜耳、赫司特等公司。由于环保法的要求,原西德非常重视丙烯酸乳液涂料和粉末涂料的发展。 80年代初原西德统计,丙烯酸乳液涂料至少占整个丙烯酸树脂涂料的60%以上,主要品种有丙烯酸酯乳胶涂料、甲基丙烯酸酯胶涂料、丙烯酸酯一苯乙烯共聚涂料、丙烯酸酯一醋酸乙烯共聚涂料等。主要用于建筑业、木制品、纸制品、皮革、纺织等行业。此外, 他们还发展了许多特种用途的乳胶涂料,如光乳胶、烘烤型乳胶、阻燃乳胶、防锈乳胶、美术乳胶等。由于丙烯酸粉末涂料具有优异的耐候性及保光、保色性, 主要用于汽车零部件和家用电器的涂装。1971年西欧丙烯酸粉末涂料产量只有几百吨,而1980年猛增到2
12、x104t,其中原西德占大部分。与此同时,原西德对交联型、光固型和非水分散型等丙烯酸树脂涂料的开发研究和应用也非常重视。1.1.2国内丙烯酸树脂涂料发展概况5 我国丙烯酸树脂徐料的开发研究工作开始于本世纪50年代中期,只有小批量生产。当时主要是研制热塑性的纯丙烯酸树脂涂料,用于飞机的涂装。60年代研制了热固性的丙烯酸树脂涂料,用于红旗轿车和上海轿车的涂装。随后又研制生产了室温固化交联型丙烯酸树脂涂料,用作钢琴漆和高档木器漆。由于受原料的限制,到1979年我国丙烯酸树脂涂料的产量还不到1000t,仅占全国油漆总产量的0.2%。1984年，北京东方化工厂从日本触媒公司引进丙烯两步氧化技术及成套设备
13、，建成我国第一套丙烯酸酯生产线。而后，国内逐步形成了东方、吉化、高桥三大丙烯酸酯的生产基地。甲基丙烯酸酯采用丙酮氰醇法生产。由于突破了丙烯酸酯树脂的原料瓶颈，使我国丙烯酸酯树脂及涂料步入了发展的快车道，丙烯酸树脂及涂料已成为我国涂料行业的骨干树脂产品，其产量仅次于醇酸树脂及其涂料。 目前,我国的丙烯酸树脂涂料虽己有较大的发展,但己定型投产的只有40种左右,远远不能满足当前经济建设和人民生活的需求,而且与国外发达国家相比差距太大。为此, 我们必须加强国内外科技信息的交流,找出差距,进一步从原料到合成,从施工到应用, 结合我国实际,吸收国外先进技术和工艺,充分发挥我们的优势,深入开展研究与开发创新
14、,相信在不久的将来一定会开发出各种类型的丙烯酸树脂涂料新品种。1.2丙烯酸涂料在国内外应用现状 丙烯酸树脂由于CC主链特殊的光、热、化学稳定性与侧链上基团的变化，以致由其作为主要成膜基料的丙烯酸涂料在耐候性、耐污染性、耐酸、耐碱、机械性能、耐油及耐溶剂性等方面均具有独特的优势，在工业与民用建筑领域得到广泛的青睐。我国丙烯酸涂料的研究始于20世纪60年代，80年代开始工业化过程，至今在溶剂型与水性体系都取得了惊人的成就，丙烯酸涂料已覆盖日常生活的各个领域。目前国内外丙烯酸涂料正从传统的溶剂型向水性与光固化方向发展，产品的性能随着乙烯基单体与助剂的多样化及合成工艺的进一步完善而逐步提高；与此同时，
15、伴随着国内经济的稳步发展，丙烯酸涂料的需求亦大幅增加。强化丙烯酸树脂与涂料的研究，保持与丙烯酸涂料需求的同步，对我国丙烯酸涂料的稳定发展十分必要。到目前为止，丙烯酸树脂涂料的最大应用市场是轿车涂装、建筑涂装，其他如轻工、家电、金属器具、铝制品、卷材、仪表仪器、纺织品、塑料制品、木制品、造纸工业等等。丙烯酸涂料有着众多的门类，是综合性好、通用性强的一类合成树脂涂料。其既可作装饰性涂料，又可作保护性涂料；既可制成溶剂型，又可制成水性；因此，决定了丙烯酸涂料具有广泛的用途和重要的使用价值。1.3丙烯酸树脂涂料的市场调查1.3.1国外市场情况1989年初世界丙烯酸生产能力为125万吨年，此后二、三年内
16、各国相继新建和扩建了一批生产装置，至1994年初，世界丙烯酸的生产能力达到2026万吨年，丙烯酸酯达到188.73万吨年。美国、西欧和日本是生产丙烯酸及其酯类的主要国家和地区，占世界总生产能力的75以上。 据美国SKI公司统计，2004年全球总需求量约400万吨，而2004年总产能约为424万吨，其中用AE占52，超吸水性聚合物(SAP)占31，其他占17，主要产地是美国、西欧、和日本等。Tecnon Orbichem公司预计，2004-2010年期间，全球丙烯酸年消费增长率平均约在3.5左右，但发展中国家和地区的消费增长率将会大于发达国家及地区，预计为78。美国出口的丙烯酸酯产品中，55为B
17、A，20为EA，20为2-EHA，5为MA。西欧丙烯酸酯的主要用途是生产表面涂料和粘合剂等。西欧的丙烯酸除生产酯类外，主要用于生产去垢剂、分散剂、吸水剂等。世界丙烯酸用途的消费趋势如下：酯化用49，超吸水聚合物28，洗涤剂聚合物9，丙烯酸盐6，其它8。1.3.2国内市场情况我国自60年代开始由上海皮革化工厂等单位从事丙烯酸及其酯的研究，并有小规模生产，直至1984年北京东方化工厂引进日本触媒公司技术，建立了我国第一套丙烯酸及其酯工业化生产装置。此后，吉林化学工业公司和上海高桥石化公司分别于1992、1994年引进日本三菱油化公司技术建成了第二套、第三套丙烯酸及其酯工业化生产装置，三家共有粗丙烯
18、酸生产能力1O5万吨年，丙烯酸酯965万吨年。目前国内有大型丙烯酸装置5套，丙烯酸酯装置9套。北京东方化工厂、吉林石化公司、上海石化高桥丙烯酸厂等，3家企业的生产能力和产量约占全国总量的99左右，其他的生产厂家单套装置的年生产能力只有数百吨，且受原料价格的限制，生产成本较高，产量大多不稳定。9O年代前，由于国产化技术进展不大，致使产量增长缓慢，只能依靠引进技术来建设，而以上几家则形成东北、华北、华东三足鼎力。2004年我国总产量为170008吨。我国的AE远远不能满足国内快速增长的需求，所以每年还要从国外进口大量AE来弥补不足，2004年进口BAAE分别为114313和242192吨。2005
19、年-2007年期间，我国总产能将大幅增长，新上装置包括扬子一巴斯夫公司16万吨年，江苏裕朗化工有限公司12万吨年，上海华谊从公司6万吨年，台塑(宁波)公司16万吨年、沈阳石蜡化工有限公司8万吨年，共将新增产能合计58万吨年。此外还有河北沧州，广东惠州、茂名、广州，四川泸州，山东等地都有筹建从及AE装置计划。中国丙烯酸(酯)市场的巨大潜力和良好发展前景，提高了国内外投资者建设丙烯酸(酯)项目的积极性。我国在此方面起步较晚，目前唯一的生产厂家是北京东方化工厂，(甲基)丙烯酸羟基酯的生产能力达到1200吨年。另外(化工部)丙烯酸系列产品开发中心在丙烯酸官能单体研究中做了大量作，目前开发出了二乙二醇双
20、丙烯酸酯、三乙二醇双丙烯酸酯、邻苯二甲酸二乙二醇双丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸十六酯、丙烯酸十八酯，并已进行了中试生产供应国内市场，另外在1，6一己二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酸十六酯、甲基丙烯酸十八酯、丙烯酸苯甲酯、丙烯酸聚乙二醇二丙烯酸酯进行了研制工作。但与国外产品相比仍有一定的差距，质量及生产工艺也有待于改进。1.4丙烯酸树脂涂料的分类 1.4.1 丙烯酸树脂涂料的种类很多，按树脂的特性、成膜方式可以对其进行，如下分类（1）按成膜特性分类 按丙烯酸树脂涂料的成膜特性，丙烯酸树脂涂料可分为热塑性和热固性两大类。热塑性丙烯酸树脂涂料由丙烯酸树
21、脂溶于有机溶剂中制得，如丙烯酸清漆、丙烯酸磁漆，待溶剂挥发后，形成美观而坚固的涂膜。热固性丙烯酸树脂是通过自交联或与环氧树脂、氨基树脂、异氰酸酯等交联完成成膜过程，交联是漆膜变成巨大的网状结构，提高了涂膜多方面的物理性能及防腐、耐化学品性能。（2）按丙烯酸树脂涂料形态分类6 按丙烯酸树脂聚合物的形态和性质分为三种：溶剂型、水性、无溶剂型，如下表1-1。 表1-1涂料类别干燥条件代表性品种溶剂型传统溶剂型加热，常温丙烯酸氨基涂料，双组分丙烯酸聚氨酯高固体分加热高固体分丙烯酸聚氨酯非水分散体加热丙烯酸非水分散体水性水溶性常温或加热水溶性丙烯酸氨基涂料水溶胶常温或加热丙烯酸水溶胶水乳胶常温，加热丙烯
22、酸水乳胶，交联型丙烯酸乳胶无溶剂型辐射固化型紫外线紫外线固化丙烯酸涂料粉末型加热热固性丙烯酸粉末涂料1.4.2丙烯酸树脂涂料的性能特点7丙烯酸树脂涂料具有许多优异的特性, 概述如下:( 1 ) 颜色浅, 色彩鲜艳丙烯酸系聚合物的颇色呈水白透明, 用其制成的清漆具有良好的透明度, 制成白漆, 白度高, 制成色漆, 颇色纯正, 色彩鲜艳。( 2 ) 漆膜具有良好的物理性能由于丙烯酸系聚合物可由多种单体共聚娜成, 采用不同配方可以获得具有不同硬度、冲击强度、柔韧性的漆膜, 以满足各种不同目的的需要。( 3 ) 漆膜具有优良的耐候性丙烯酸性聚合物具有高度的化学稳定性,因而丙烯酸树脂涂膜具有良好的耐热性
23、、附光性。热固性涂料在高达2 0 的温度下供烤,不变色。涂膜对酸、碱、盐、油脂、洗涤剂等都具有良好的抗腐蚀性能, 具有优良的保光、保色性能, 具有良好的耐候性。( 4 ) 涂膜易于维护、保养丙烯酸树脂涂膜可以打蜡、抛光, 提高装饰效果。涂膜不易砧污, 可以冲洗, 便于维护、保养。1.5丙烯酸涂料的性能要求和发展趋势81.5.1丙烯酸涂料性能要求如表1-2表1-2丙烯酸树脂涂料的性能 性 能 热塑性丙烯酸漆 丙烯酸烘漆 同体分() 40 4060 黏度(涂一4杯)(s) 2040 5080 柔韧性(mm) l 1 光泽() 80 90 硬度(摆杆) O5 O7 附着力(级) 2 12 遮盖力(e
24、m 2) 160(白色95) 好 固化条件 表干05h，实干2h 13025rain 1.5.2丙烯酸树脂涂料的发展趋势丙烯酸树脂涂料以保护环境为基本原则，遵循着向水性化、多功能化和高性能的方向发展。随着人们生活水平的提高，也将对涂料的装饰效果提出更高的要求。重视产品质量，并逐步与国际标准接轨，成为我国涂料工业的必由之路，这必将造成中高档涂料的需求量增加。另外，开枯新产品、，丰产规模化作为提高我国丙烯酸树脂涂料质量的措施已成为共识。第二章 生产配方及原材料的选定2.1配方设计原则91）要满足用户产品性能的要求，要求是通用型或是专用型，溶剂型的选择是否符合环保要求。2）要满足用户用得好的要求，即
25、要求树脂制得涂料后，其性能能够达到高品质要求，甚至其突出个性的要求。3）施工性好，即除了对物理化学性能要求外，对施工性要求也很高，其施工性能好才能保证涂料性能好。4）保证好制漆，保证树脂的细度尽可能好。5）涂膜在干燥过程中节能性好。6）多生产低污染型丙烯酸树脂涂料。2.2原材料的分析选定 涂料的配方中涉及到的原材料有很多种，这里主要介绍它的几种类型的材料，分析这些类型原材料的性质和在涂料中起什么重要的作用。2.2.1乳液 丙烯酸系乳液(acrylic adhesives)是由丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸(MAA)及其众多衍生物单体的聚合物与共聚物所制成的乳液。乳液用主要单体是丙烯酸烷基酯类(CH
26、2=CHCOOOR)；其他单体，如丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯(MMA)，一般仅用作其胶粘剂成膜材料的辅助性单体。通过改变具体单体种类、含量与聚合条件，可能开发大量类型的丙烯酸系胶粘剂。这些胶粘剂按产品剂型可分为溶液型、分散体型或乳液型以及含l00%聚合物的液体型等。这里主要介绍由乳液聚合制得的水性分散体型丙烯酸系胶粘剂。水性丙烯酸树脂分散体或乳液同其溶剂型或其他水基胶粘剂相比，有许多重要优点，主要包括如下几点：(1)不使用有机溶剂，无毒害或易燃危险，在卫生保健上是安全的；不必回收溶剂，成本较低。(2)分子量高、固含量高的胶粘剂同时粘度较低等。高分子量乳液聚合物的强度、韧性、耐溶剂性等性能比溶剂型或
27、水溶液型的好。 （3）与聚乙酸乙烯酯等聚合物不同，由于胶粘剂用丙烯酸树脂的玻璃化温度(Tg)低，即使不添加增塑剂也容易形成较满意的膜，因此没有增塑剂迁移引起的麻烦问题。 （4）具有很好的耐候性和良好的耐水性与耐碱性，其胶粘剂与涂料适于户外应用。 （5） 对木材、纸、织物、合金、水泥、陶瓷、塑料等各种材料显示有很好的粘接性。 （6）由于膜较柔软并易进行碱增粘，故最适于纤维加工和皮革加工应用。 在大多数应用中，这些优点足以抵消其缺点，如较低的耐冻融性、较差的贮存稳定性、较长的胶膜干燥时间(但比水溶液型易干燥得多)，以及较高的胶膜吸水性。2.2.2颜料与填料颜料和填料是涂料中不可缺少的成分。选择的颜
28、料和填料的耐热温度应达到或超过丙烯酸涂料烘烤固化温度范围，在烘烤温度下不变色、不发生化学变化；选择的颜料和填料的耐光性和耐候性要好，特别是户外型丙烯酸涂料的耐光性最好达到78级。为保证涂膜的遮盖力，用有机颜料着色的各种丙烯酸涂料，除了黑色都要适当添加钛白粉等遮盖力强的无机颜料配合使用。在纯白色粉末涂料中，钛白粉用量为配方总量的20%25%或者更多；在浅色涂料中，钛白粉用量为15%20%，随着颜色的加深，钛白粉用量减少，甚至只需要加2%3%。在黑色粉末涂料中，根据炭黑的品种和填料的用量，炭黑在配方中的用量按总配方量的0.9%1.3%变化，由于炭黑的吸油量大，加多了会使涂膜流平性变差。对于要求涂膜
29、光泽高，流平性好的粉末涂料，选用吸油量小、分散性好、没有消光性和密度大的填料，例如沉淀硫酸钡、高光钙等。对于光泽要求不高的可选用超细消光硫酸钡、超细高岭土等消光性填料。对于涂膜外观要求砂纹、桔纹等纹理时，可以选用吸油量较大的填料品种相匹配。在设计配方中颜料组成时，先找参考性颜色配方，确定主要颜料品种和相互之间的配比，然后根据色差调节相关颜料品种和用量。要求涂料单位质量喷涂面积大、涂膜流平性好时，需在配方设计中增加颜料的质量百分含量，提高遮盖力，同时适当降低基料百分含量，颜填料的总含量控制在30%左右是比较合适的。因为喷涂面积与涂膜厚度有关，涂膜厚度越厚，相应的喷涂面积减少。如果粉末涂料中颜填料
30、含量过低，粉末涂料的贮存稳定性下降。如果颜填料的百分含量提高，涂膜流平性变差，光泽下降，耐冲击强度等性能下降，单位质量喷涂面积也减小10。2.2.3润滑剂 润滑剂是能够改善涂料加工性能的一种添加剂。按其作用机理可分为外润滑剂和内润滑剂两种。外润滑剂能在加工时增加塑料表面的润滑性，减少涂料与金属表面的黏附力，使其受到机械的剪切力降至最少，从而达到在不损害涂料性能的情况下最容易加工成型的目的。内润滑剂则可以减少聚合物的内摩擦，增加涂料的熔融速率和熔体变形性，降低熔体黏度及改善塑化性能。实际上每一种润滑剂都有可以实现某一要求的作用，总是内外润滑的共同作用，只是在某一方面更突出一些。同一种润滑剂在不同的聚合物中或不同的加工条件下会表现出不同的润滑作用，如高温、高压下，内润滑剂会被挤压出来而成为外润滑剂。例如滑石粉等。滑石粉具有润滑性、耐火性、抗酸性、绝缘性、熔点高、化学性不活泼、遮盖力良好、柔软、光泽好、吸附力强等优良的物理、化学特性，由于滑石的结晶构造是呈层状的，所以具有易分裂成鳞片的趋向和特殊的滑润性，如果Fe2O3的含量很高则会减低它的绝缘性。2.2.4消泡剂纯净的液体不会形成稳定的泡沫，只有在液
