微米级聚氨酯微球间歇式生产工艺设计(附件)
本设计的原理是以二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）、多苯基多亚甲基异氰酸酯（PAPI）、1,6-己二异氰酸酯（HDI）、甲苯二异氰酸酯（TDI）、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）等异氰酸酯为单体，以有机锡为引发剂，乙二胺（EDA）、聚醚多元醇、多官能团的聚酯多元醇为扩链剂，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为分散剂，利用分散聚合法制取微米级聚氨酯（PU）微球。本设计的目的是在实验室制备PU微球的基础上进行生产工艺的设计，主要研究微米级PU微球的自动化生产工艺路线和主要设备的选择、PU微球产生的废液进行回收处理等，同时对各个工段的物料、能耗、经济效益进行计算，并对安全和环保问题进行解决。关键词 聚氨酯微球，间歇式生产，工艺设计
目 录
1绪论 1
1.1 PU微球概述 1
1.2 PU微球的制备方法及表征 1
1.3 PU微球应用 4
1.4生产工艺及主要设备概述 5
1.5本课题的研究内容与意义 9
2实验部分 10
2.1实验原理 10
2.2实验原料 10
2.3实验仪器 11
2.4实验步骤 11
2.5 PU微球的表征 13
3生产工艺设计 13
3.1生产工艺路线选择 13
3.2 PU微球生产工艺流程方框图 13
3.3 PU微球生产工艺过程介绍 14
3.4主要设备的设计与选型 15
3.5物料衡算 18
3.6热量衡算 19
3.7技术安全与环保部分 21
3.8工艺流程设计图 21
3.9经济核算 22
结论 23
致谢 24
参考文献 25
1 绪论
1.1 PU微球概述
聚氨酯微球（PU微球）是一种球状的聚合物材料，它的主链含有—NHCOO—重复结构单元。1970年，Hilemann FD等人[1]被报道已经制备出PU微球，这是PU微球的首次制备。因为PU微球中含有氨基甲酸酯等极性基团，且在其内部有很多的小孔，还拥有微相分离结构，所以它具有很多的优良特性 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
，例如拥有良好的吸附作用、螯合能力、良好的弹性和优良的强度、良好的生物相容性以及可用于离子交换等特点，并且在分离提纯、生化诊断[2]等方面有很广泛的应用。而且还被用来做涂料、胶粘剂、药物载体和油墨等产品。虽然聚氨酯本身的力学性能非常的好，但是PU微球本身内部具有众多的小孔，从而导致了PU微球的力学性能有所下降，而且水性PU微球具有的耐水性和差的稳定性也在很多时候限制了它的应用。然而对PU微球的表面改性，可以对它的表面进行有效地改善，还可以使微球本身的强度、耐水性以及稳定性得以提高。一般情况下，对PU微球进行改性[3]主要是通过用乙烯基聚合物和乙烯基单体形成核壳结构来完成的。
图11聚氨酯粒子
1.2 PU微球的制备方法及表征
PU微球具有许多优良的性能，而且具有很好的应用前景，因此目前化学界人士对PU微球的合成和应用展开了进一步研究，并逐步地对其理论、热力学、动力学以及复合理论方面的研究进行进一步深化，从而使得PU微球拥有更快地发展和更广泛的应用。然而，多分散性PU微球是当前文献报道得到的PU微球的形态，多分散性PU微球通常情况下粒径不是均匀的，是大小不一，在实际使用中存在着许多的不足之处，例如在分离提纯中的效率不高，用作药物载体时释放药物时间不恒定，用作涂料形成的膜不均等[9]。而通过开发单分散PU微球，就可以克服多分散PU微球的各种应用的不足之处。
如今，在PU微球的制备、表面改性以及应用方面的研究发展非常迅速。目前，正相悬浮聚合法[3] [10]、反相悬浮聚合法、自乳化法[11]、分散聚合法[12]以及SPG膜乳化法[13]等方法是PU微球的主要的制备方法，这些方法也是使用最多的几种方法。
（1）悬浮聚合法
在一定的剪切速率下，分散剂内的异氰酸酯和多元醇、水发生聚合，从而生成PU聚脲型的PU微球，这就是悬浮聚合法。可以作为悬浮聚合法的分散剂有很多种，例如聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯吡咯烷酮 （PVP）、纤维素等。为了降低PU的粘度，通常在分散过程中，可以利用丙酮、甲苯等一些有机溶剂进行稀释。该方法的优点是简单易操作，而且生产工艺较为成熟，但是制得的聚合物微球粒径分布比较宽，且一般多在1～100μm的范围，具有多分散性，并且产物中的PU和聚脲的比例也难以控制，可见这种方法目前并不适合PU微球的制备。
（2）反相悬浮聚合法
反相悬浮聚合法的原理是先合成PU预聚物，然后预聚物在表面活性剂的保护下，分散在和预聚物不相容的油相中再进行聚合。这个制备方法的优点是，使用该方法制取的微球具有良好的耐酸碱性和耐溶剂性，这种方法通常制取的微球是硬质的PU微球。然而，反相悬浮聚合法也是有一些缺点的，例如制备好的微球在提取的过程中是比较困难的，并且大量的溶剂会遗留在微球中，这些溶剂会对环境产生很大的危害。
（3）自乳化法
自乳化法是联合运用预聚、扩链、中和、乳化法，将含有阴离子基团、阳离子基团或者非离子亲水链段，通过在水中自动分散直接合成PU微球，在此过程中，不需要加入任何乳化剂和稳定剂。通过这种方法制备的PU微球拥有洁净的离子表面（不含溶剂和表面活性剂），还具有优良的稳定性和良好的分散性。在使用自乳化法制备PU微球的过程中，当亲水性基团增多时，乳液中微球的粒径将会变小。
（4）分散聚合法
分散聚合法就是将单体溶解于有机溶剂中，然后单体在稳定剂和引发剂的作用下聚合成聚合物，而这种聚合物不溶于有机溶剂，且尺寸一定，聚合物最终形成的PU微球不溶于有机溶剂，因为微球是有一定的质量的，过一段时间，微球在重力的吸引下会沉降下来，PU微球由此形成。利用重力沉降是分散聚合法的一个不同于其他方法的地方，是一种特殊的沉淀聚合。通过分散聚合法制得的聚氨酯微球拥有光滑平整的外表和良好的分散性，而且具有产量很高、对环境比较友好、安全有效等优点。
目 录
1绪论 1
1.1 PU微球概述 1
1.2 PU微球的制备方法及表征 1
1.3 PU微球应用 4
1.4生产工艺及主要设备概述 5
1.5本课题的研究内容与意义 9
2实验部分 10
2.1实验原理 10
2.2实验原料 10
2.3实验仪器 11
2.4实验步骤 11
2.5 PU微球的表征 13
3生产工艺设计 13
3.1生产工艺路线选择 13
3.2 PU微球生产工艺流程方框图 13
3.3 PU微球生产工艺过程介绍 14
3.4主要设备的设计与选型 15
3.5物料衡算 18
3.6热量衡算 19
3.7技术安全与环保部分 21
3.8工艺流程设计图 21
3.9经济核算 22
结论 23
致谢 24
参考文献 25
1 绪论
1.1 PU微球概述
聚氨酯微球（PU微球）是一种球状的聚合物材料，它的主链含有—NHCOO—重复结构单元。1970年，Hilemann FD等人[1]被报道已经制备出PU微球，这是PU微球的首次制备。因为PU微球中含有氨基甲酸酯等极性基团，且在其内部有很多的小孔，还拥有微相分离结构，所以它具有很多的优良特性 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
，例如拥有良好的吸附作用、螯合能力、良好的弹性和优良的强度、良好的生物相容性以及可用于离子交换等特点，并且在分离提纯、生化诊断[2]等方面有很广泛的应用。而且还被用来做涂料、胶粘剂、药物载体和油墨等产品。虽然聚氨酯本身的力学性能非常的好，但是PU微球本身内部具有众多的小孔，从而导致了PU微球的力学性能有所下降，而且水性PU微球具有的耐水性和差的稳定性也在很多时候限制了它的应用。然而对PU微球的表面改性，可以对它的表面进行有效地改善，还可以使微球本身的强度、耐水性以及稳定性得以提高。一般情况下，对PU微球进行改性[3]主要是通过用乙烯基聚合物和乙烯基单体形成核壳结构来完成的。
图11聚氨酯粒子
1.2 PU微球的制备方法及表征
PU微球具有许多优良的性能，而且具有很好的应用前景，因此目前化学界人士对PU微球的合成和应用展开了进一步研究，并逐步地对其理论、热力学、动力学以及复合理论方面的研究进行进一步深化，从而使得PU微球拥有更快地发展和更广泛的应用。然而，多分散性PU微球是当前文献报道得到的PU微球的形态，多分散性PU微球通常情况下粒径不是均匀的，是大小不一，在实际使用中存在着许多的不足之处，例如在分离提纯中的效率不高，用作药物载体时释放药物时间不恒定，用作涂料形成的膜不均等[9]。而通过开发单分散PU微球，就可以克服多分散PU微球的各种应用的不足之处。
如今，在PU微球的制备、表面改性以及应用方面的研究发展非常迅速。目前，正相悬浮聚合法[3] [10]、反相悬浮聚合法、自乳化法[11]、分散聚合法[12]以及SPG膜乳化法[13]等方法是PU微球的主要的制备方法，这些方法也是使用最多的几种方法。
（1）悬浮聚合法
在一定的剪切速率下，分散剂内的异氰酸酯和多元醇、水发生聚合，从而生成PU聚脲型的PU微球，这就是悬浮聚合法。可以作为悬浮聚合法的分散剂有很多种，例如聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯吡咯烷酮 （PVP）、纤维素等。为了降低PU的粘度，通常在分散过程中，可以利用丙酮、甲苯等一些有机溶剂进行稀释。该方法的优点是简单易操作，而且生产工艺较为成熟，但是制得的聚合物微球粒径分布比较宽，且一般多在1～100μm的范围，具有多分散性，并且产物中的PU和聚脲的比例也难以控制，可见这种方法目前并不适合PU微球的制备。
（2）反相悬浮聚合法
反相悬浮聚合法的原理是先合成PU预聚物，然后预聚物在表面活性剂的保护下，分散在和预聚物不相容的油相中再进行聚合。这个制备方法的优点是，使用该方法制取的微球具有良好的耐酸碱性和耐溶剂性，这种方法通常制取的微球是硬质的PU微球。然而，反相悬浮聚合法也是有一些缺点的，例如制备好的微球在提取的过程中是比较困难的，并且大量的溶剂会遗留在微球中，这些溶剂会对环境产生很大的危害。
（3）自乳化法
自乳化法是联合运用预聚、扩链、中和、乳化法，将含有阴离子基团、阳离子基团或者非离子亲水链段，通过在水中自动分散直接合成PU微球，在此过程中，不需要加入任何乳化剂和稳定剂。通过这种方法制备的PU微球拥有洁净的离子表面（不含溶剂和表面活性剂），还具有优良的稳定性和良好的分散性。在使用自乳化法制备PU微球的过程中，当亲水性基团增多时，乳液中微球的粒径将会变小。
（4）分散聚合法
分散聚合法就是将单体溶解于有机溶剂中，然后单体在稳定剂和引发剂的作用下聚合成聚合物，而这种聚合物不溶于有机溶剂，且尺寸一定，聚合物最终形成的PU微球不溶于有机溶剂，因为微球是有一定的质量的，过一段时间，微球在重力的吸引下会沉降下来，PU微球由此形成。利用重力沉降是分散聚合法的一个不同于其他方法的地方，是一种特殊的沉淀聚合。通过分散聚合法制得的聚氨酯微球拥有光滑平整的外表和良好的分散性，而且具有产量很高、对环境比较友好、安全有效等优点。
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