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同时在通讯器材、商品器材、文教娱乐用品及建材的需求前景也十分看好。
ABS树脂已是目前我国产量最大、应用最广泛的通用工程塑料。
但ABS氧指数仅18.3-20(<
21),属于易燃材料[1]。
在ABS的实际应用中,使用ABS制作的一些电子电器配件壳体燃烧引起的火灾时有发生,同时燃烧时放出黑烟和有毒气体,其发烟量是各种塑料中最大的,这不仅会造成严重的财产损失,还会给人类的生命安全和生存环境带来极大威胁,限制了其在居民住宅、家电、管道等很多方面的使用。
随着科技进步和生活质量的提高,人们安全意识越来越强,国内外对汽车、建筑、家用电器,办公用品等方面使用的塑料材料提出了严格的防火阻燃要求,制定了相应的技术标准与规范[2]。
因此ABS的阻燃问题越来越受到世界各国的高度重视,研究和开发阻燃的ABS显得非常重要。
1.4ABS的燃烧机理[3]
ABS树脂的燃烧机理十分复杂,由于所用原料的种类、比例、工艺条件、生产方法的多样化,ABS树脂的实际组成千差万别,变动极大,其燃烧性能也有差异。
一般随丁二烯成分增加,树脂透明性降低,可燃性增加。
这是由于聚丁二烯相中存在取代的叔碳原子,有利于氧从丁二烯中夺氢,并引发氧化,加速ABS的降解。
也有人认为ABS热-氧老化可从丙烯腈-丁二烯和丁二烯-苯乙烯共聚物的热降解来说明,在丙烯腈-丁二烯共聚物的热解产物里没有发现丙烯腈的特有产物HCN,这是因为丁二烯部分的热解产生不饱和成分,很快与HCN反应所致。
ABS树脂本质上和其它高聚物一样,燃烧过程中产生特别活泼的自由基HO·
,而HO·
的浓度是决定燃烧速度的关键。
当高分子和HO·
相遇,生成高分子自由基和水,在氧存在下,又产生出HO·
自由基,可使反应继续进行,最后生成CO2和H2O。
为了阻止塑料燃烧,其基本方法是抑制可燃性气体的发生和隔绝空气中的氧气。
一般来说,燃烧过程包括加热、熔融、解聚、分解、氧化和着火等步骤。
在燃烧过程的各个步骤中,其进行速度将受到许多因素的制约,除外界因素外,高分子材料燃烧的难易主要取决与自身的燃烧特性。
1.5阻燃剂的作用机理
ABS树脂的燃烧机理十分复杂,但本质上和其它高聚物一样,燃烧过程中产生特别活泼的自由基HO•,而HO•的浓度是决定燃烧速度的关键。
当高分子和HO•相遇到,生成高分子自由基和水,在氧存在下,又产生出HO•自由基,可使反应继续进行,最后生成CO2和H2O。
ABS燃烧的三要素是可燃物、氧气和热能,要想阻止燃烧就得除去三要素中的至少一个。
为此采用添加化学阻燃剂是十分有效的。
阻燃剂的作用机理比较复杂,就目前研究的结果,可以从以下几个方面来考虑[4-8]:
(1)由于阻燃剂或其分解产物的脱水作用使树脂炭化,减少产生火焰的燃烧和可燃气体的生成。
(2)由于含水化合物在高温时的剧烈分解脱水而吸收大量热能,降低了环境温度。
(3)阻燃剂的分解产物形成了不挥发性的保护膜,包覆在树脂表面,阻止燃烧。
(4)含卤阻燃剂在高温分解形成的卤化氢稀释了聚合物分解产生的可燃气体,使燃烧变得困难;
同时,卤化氢又是HO•的捕获体,能大大降低HO•浓度,终止链反应而起到阻燃作用。
(5)阻燃剂分解产生的不可燃气体覆盖在树脂表面而断绝了氧的供应而阻燃。
(6)由于阻燃剂分解而复合产生密度较大的气体。
或高沸点液体,覆盖在材料表面而断绝了氧的供给。
2.1原料的选取
(1)SAN树脂,丙烯晴和苯乙烯的共聚物;
(2)ABS改性剂;
(3)主阻燃剂:
十溴联苯醚;
(4)辅阻燃剂:
三氧化二锑;
(5)抗氧剂1010;
(6)TM181FS液态稳定剂;
(7)抗冲击改性剂CPE:
CPE与ABS树脂具有一定的相容性,是ABS树脂常用的增韧剂;
(8)氢氧化镁:
有消烟的作用;
(9)紫外线吸收剂;
(10)层状硅酸盐材料及其它助剂适量。
2.2配方设计
所需原料及配比如表1:
(表1)原料与配比
原料配比(质量份)
SAN64
ABS改性剂36
十溴联苯醚17
三氧化二锑7
抗氧剂10100.5
TM181FS液态稳定剂2
CPE7
氢氧化镁0.6
紫外线吸收剂0.3
其他助剂适量
3.1物料衡算内容及选定基准
1.内容要求:
对年产1000吨阻燃ABS树脂进行物料衡算。
2.选定计算基准:
(1)年工作日:
297天(去除一系列影响正常生产的天数)
(2)实际开车时间:
297天*24小时=7128小时
(3)总损耗率1.4%
3.2物料衡算相关计算
物料相关计算如下:
1.年产阻燃ABS树脂总量:
M总=1000/(1-1.4%)=1014.2(吨)
2.粉料中各组分需要量:
(1)ABS改性剂:
年需M=1014.2*26.79%=271.704(吨)
一天需M=年需/297=0.915(吨)
每小时需要量M=一天需/24=38.118(kg)
年总体积V=年需/堆积密度=754.733(m3)
一天体积需V=年总体积/297=2.541(m3)
(2)SAN树脂:
年需M=1014.2*47.62%=482.962(吨)
一天需M=年需/297=1.626(吨)
每小时需要量M=一天需/24=67.756(kg)
年总体积V=年需/堆积密度=447.191(m3)
一天体积需V=年总体积/297=1.506(m3)
(3)十溴联苯醚:
年需M=1014.2*12.65%=128.296(吨)
一天需M=年需/297=0.432(吨)
每小时需要量M=一天需/24=17.999(kg)
年总体积V=年需/堆积密度=119.904(m3)
一天体积需V=年总体积/297=0.404(m3)
(4)三氧化二锑:
年需M=1014.2*5.21%=52.840(吨)
一天需M=年需/297=0.178(吨)
每小时需要量M=一天需/24=7.413(kg)
年总体积V=年需/堆积密度=10.162(m3)
一天体积需V=年总体积/297=0.034(m3)
综合上述,粉料中各组分需要量归纳如表2:
(表2)粉料中各组分需要量
项目
原料
百分比(%)
堆积密度(g/cm3)
年需
(吨)
一天需(吨)
需要量(kg/h)
年体积需(m3)
一天体积需(m3)
ABS改性剂
26.79
0.36
271.704
0.915
38.118
754.733
2.540
SAN
63
1.08
482.962
1.626
67.756
447.191
1.506
十溴联苯醚
10
1.07
128.296
0.432
17.999
119.904
0.404
三氧化二锑
5
5.20
52.840
0.178
7.413
10.162
0.034
考虑储料罐占地面积和可安装性,ABS改性剂和SAN树脂用量较多每五天购买物料一次,十溴联苯醚和三氧化二锑用量较小10天购买物料一次。
下面分别计算每次购买的最小量,实际购买可整数购买。
(1)ABS改性剂:
质量=一天需*5=4.5754(吨)
体积=一天体积需*5=12.7(m3)
质量=一天需*5=8.13(吨)
体积=一天体积需*5=7.53(m3)
质量=一天需*10=4.32(吨)
体积=一天体积需*10=4.04(m3)
质量=一天需*10=1.78(吨)
体积=一天体积需*10=0.34(m3)
3.3物料衡算流程图
已知损失量为1.4%
投料量的计算:
混合物密度ρ
=100/(26.79%/0.36+47.62%/1.08+12.62%/1.07+5.21%/5.2)=0.7623g/cm3
每小时物料体积V=142.28×
1000/0.7623=186645.678cm3=0.1866m3
中间料仓设计可储存两小时用量,当容量低于1/3高搅机开始加料到达2/3容量停止加料,则中间料仓加料量:
质量M=混合物密度*每小时物料体积*2=0.7623*0.1866*2=0.2846kg
体积=每小时物料体积×
2=0.1866×
2=0.3732m3
物料衡算流程图:
1014.2吨/年—>
高混工段—>
挤出成型工段—>
造粒工段—>
1000吨/年制品∣____________∣
↑
总损失为1.4%
混合工段物料平衡表如表3:
(表3)混合工段物料平衡表
工序
输入(kg/年)
损失(%)
输出量(kg/年)
加料
1014.2
高混+挤出+造粒
1.4
1000
制品
4.1设备选型的原则及其分类
设备选型的原则与确定技术路线和工艺流程一样,应从技术,现实具体情况方面考虑。
1.要求技术上先进,方案的可行性是设备选型的总原则。
具体体现在以下几个方面:
(1)所选用的设备应与生产规模相适应,在允许的条件下,获得最大的单位产量;
(2)设备应适应产品品种的要求,确保产品质量;
(3)提高连续化,大型化程度,降低劳动强度,提高劳动生产效率;
2.设备的可靠性;
设计中选用的设备一定要可靠,特别是主要设备,应坚持经过生产实践考验的原则。
只有设备和材质可靠,才能保证建成以后一次试车生产成功。
根据设备在生产过程中的作用和供应渠道,塑料制品厂生产设备大致可分如下几大类:
(1)专用设备的选择
塑料制品的生产的专用设备,一般是指物料直接经过的机械与设备,并有一定生产技术参数要求的设备。
如挤出机与物料直接接触,,大部分为连续旋转,对机械性能及材质的要求较高,加工技术性强。
因此,一般都由专业厂家生产,都是定型设备。
(2)通用设备的选择
通用设备一般是指由机械工业部系统主管及生产的泵,风机等设备。
选择通用设备时要注意以下的情况:
1.根据工厂中所需要的技术参数,如流量,温度等,并充分考虑生产过程中发生的情况,合理选择设备。
2.选择通用设备时,应注意设备的材质,既要保证正常生产,又应该注意节约。
选择时要注意的事项:
设备选用容积,要考虑合理的容积,如容积过小,就要增加设备台数;
容积过大又会造成浪费。
实践证明,贮槽容积一般考虑3-4班的用量较为适宜。
4.2设备的技术条件和要求
1.设备名称,作用和使用场合;
2.有关技术参数:
①操作条件:
流量,温度等
②工作介质特性,物料组成,粘度,比重等。
③容积:
全容积,有效容积,传热面积等。
3.对设备的结构要求:
①材质要求。
②关键尺寸:
外形尺寸,管口方位,管口规格,液面计,试镜,仪表测量孔等。
③搅拌与夹套,搅拌转速的拖动方式。
④安装尺寸:
设备基础或支架型式。
4.3定性设备的选取
4.3.1贮罐的选取
根据配方母料,则选取贮罐四个,分别承装ABS改性剂,SAN树脂,十溴联苯醚、TM181FS液态稳定剂,三氧化二锑、抗氧剂1010、CPE、氢氧化镁、紫外线吸收剂、其它助剂。
1.ABS改性剂储罐的选择
ABS3天上料量为2.745吨;
密度为360kg/m3,则物料的容积:
V=(2.745×
1000)/360=7.625m3
据《化工设备机械基础》选取Dg=2000mm,椭圆封头为1.126m3
直边高度为25mm。
(表4)椭圆封头的系数表
公称直径mm
曲面高mm
直边高mm
容积m3
2000
500
25
1.126
则筒体高度为3m
2.SAN储料罐的选择
SAN3天上料量为4.878吨;
密度为1080kg/m3,则物料的容积为V=4.878×
1000/1080=4.517m3
(表5)椭圆封头的系数表
则筒体高度为1.5m。
3.十溴联苯醚、TM181FS液态稳定剂储罐的选择
十溴联苯醚六天上料量为2.592吨,密度为1017kg/m3TM181FS液态稳定剂六天上料量为0.307吨,密度为1180kg/m3
则物料的容积为V=2.592×
1000/1017+0.307×
1000/1180=2.81(立方米)
据《化工设备机械基础》选取Dg=1800mm,椭圆封头为0.827m3
1800
450
0.827
则筒体高度为1米。
4.其他用剂储料罐的选择
其他助剂总体积约为0.450926立方米。
据《化工设备机械基础》选取Dg=500mm,椭圆封头为0.021m3
(表6)椭圆封头的系数表
125
0.021
则其他用剂储料罐的高度为0.5米。
4.3.2自动配料秤的选取
在塑料成型加工中,为了改良ABS的性能,需加入多种助剂,为了准确按照配方的比例,助剂及SAN的量需用配料秤严格称量,否则会影响挤出管材的质量。
因此必须选用自动配料秤。
高混机的有效容积为330L。
则每锅料重:
SAN=330×
0.4762×
1.08=169.72kg
十溴联苯醚=330×
0.1265×
1.07=44.67kg
ABS改性剂=330×
0.2679×
0.36=31.83kg
Sb2O3=330×
0.0521×
5.2=89.40kg
其中SAN和十溴联苯醚选用XSP-200型,其他选择XSP-006型。
(表7)自动配料秤的工艺参数
型号
XSP-200
XSP-006
最大量/kg
200
6
最小分度/kg
0.2
0.005
精度
1/400
外型尺寸
3080×
1100×
1900
2746×
740×
1850
4.3.3高速搅拌机的选取
选取SHR-500C型高速搅拌机,其参数如表8:
(表8)
技术参数
总容积/L
有效容积/L
330
加热方式
电加热
主轴转速/r/min
排料方式
气动空气阀
电动机功率/kw
83
混合后的密度ρ=100/(26.79%/0.36+47.62%/1.08+12.65%/1.07+5.21%/5.2)=0.7614kg/L
每小时物料容积V=142.28/0.7614=186.87L
高搅机有效容积为330L需台数一台
4.3.4失重式喂料机
选取T38/T28型,其参数如表9:
(表9)
T38/T28
电机功率
0.75/1.5(kw)
外形尺寸
0.95×
0.4×
1.2(m)
用途
各种颗粒状,粉末状,纤维状及片状物料
喂料范围
2-4000kg/h
中间料斗设计成等腰梯形,可储存两小时用量,当容量低于1/3
时高搅机放料,当容积高于2/3时停止放料,则可计算出中间料斗容积,确定其高度为1m,则2/3V=两小时物料体积
既(2/3)×
(1/3)∏R2×
1=0.17309m3×
2
可得R=0.7m
为便于中间料斗下料,可在下方开设直径10cm下料口。
4.3.5仓壁振动器的选取
粉料在储罐里由于时间长,空气潮湿等原因而空气容易结块,因此不易下料,所以要选用仓壁振动器,时物料顺利从料仓口排出,以保证整个生产流程的正常进行。
本设计采用CZ型仓壁振动器,该设备用于防止和排除各种料仓由于物料摩擦,潮湿。
带电和成分偏析等原因引起的“堵塞和搭块”现象,能时物料从料仓口排出。
选用型号LZF-4,LZF-3的仓壁振动器。
仓壁振动器的参数如表10:
(表10)
LZF-4
LZF-3
适用料仓溜槽壁厚/mm
3.2-4.5
1.6-3.2
配用振动电机
JZQ-1.5-2
JZQ-5-2
锥部仓容/t
1
0.3
功率/kw
0.15
0.075
重量
17
270×
330×
280
240×
285×
245
价格/元
294
192
选择LZF-4型号的2个,LZF-6型号的6个。
4.3.6挤出机的选取
由物料衡算:
1014.2*1000/297*24=142.28㎏/h
每小时生产能力142.28㎏/h
所以,需挤出机台数一台。
SJ-150型单螺杆挤出机主要技术参数如表11:
(表11)
项目\型号
主机名称
单螺杆挤出机
主机型号
SJ-150
螺杆直径/mm
主电机功率/kw
25-75(工作功率为最大功率80%)
产量/kg/h
50-300
螺杆长径比
应用范围
通用型
螺杆转速/r/min
7-42
挤出机螺杆各段温度的确定:
加料段:
185摄氏度
压缩段:
223摄氏度
均化段:
230摄氏度
机头:
240摄氏度
挤出机口模的确定:
口模的孔数:
15个
孔的直径大约为3.5mm
5.2.7风力吹干机的选取
选取风力吹干机,其参数如表12:
(表12)
名称
风力吹干机
0.75kw/1.5kw
类型
交流鼓风机
功率
1.5kw
用于流动物料的干燥,有效去除物料表面水分
4.3.8切粒机的选取
为存储和运输的方便性,需把挤出料条剪切成颗粒状,然后烘干打包。
选取切粒机型号参数如表13:
表(13)
SJ-90
螺杆转速/r/s
10-70
长径比/L/D
25:
颗粒规格/mm
3×
3
最高产量/kg/h
150
机组重/kg
3500
牵引方式
胶辊
4.3.9振动筛的选取
为了筛出颗粒中的合适颗粒及去除碎屑,提高产品质量,所以需要添加振动筛。
选取三维振动筛的技术参数如表14:
表(14)
三维振动筛
SV10ⅠⅡ
规格直径/mm
0.5
层数
1-5
0.75
参考价格/元
1.7-2.4
4.3.10台秤的选取
在造粒工艺流程中,混合好的粉料经过造粒机造粒后经台秤称量、缝包、而后送至粒料贮室。
因此根据一袋粒料的重量选择
TGT-50台秤,其规格如表15:
表(15)
TGT-50
最大称量/kg
50
壁比
总比
1/50
计量杠杆
1/5
承重杠杆
1/10
支重距/mm
60
支力距/mm
300
支重板边长(长×
宽)
400×
全高
600
最大刻度值
最小刻度值
0.05
油轮重量/kg
4.3.11打包机的选择
选取ZDC-Ⅱ型打包机,其技术参数如表16:
表(16)
ZDC-Ⅱ
能力/袋/h
100t
精确容积
0.08
称量精确
±
0.2%(40kg计)
外形尺寸(长×
宽×
高)/mm
6800×
1200×
5200
袋子材料
塑料、麻袋、
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