1. 研究目的与意义（文献综述）
一、设计背景、目的及意义
材料的腐蚀（特别是金属）每年都给国家和社会造成巨大的损失，而涂覆有机涂层是有效控制腐蚀的方法[1]。水性防腐涂料以水作为溶剂或分散介质，在生产制备过程中不添加或仅添加少量的voc成分，是一种环境友好和使用安全的“绿色”防腐涂料[2]。随着资源可持续发展理念的提出及国内外环保法规的进一步严格，传统溶剂型涂料正在被逐步替代，在此过程中，水性丙烯酸防腐涂料是发展速度较快、应用较成熟的代表性产品之一，因其拥有优良的耐候、保色、耐污染以及耐腐蚀等性能，已被广泛应用于金属、建筑、纺织、交通、汽车、航空航天等领域。然而，水性丙烯酸防腐涂料在拥有诸多优点的同时，仍存在一些不容忽视的问题。例如，在丙烯酸树脂制备过程中引入了如羧基、羟基等亲水性基团，这些基团的引入，导致了涂膜的耐溶剂性、耐水性和耐污性变差，同时涂膜的硬度也随之下降，成本也被提高；还有，添加的亲水型助剂（如水性分散剂、乳化剂等在涂膜干燥固化后会一直残留在涂膜中，导致涂膜的吸水性变大，严重影响了涂膜的防腐性能；此外，单组分水性丙烯酸涂料具有固含量低，耐湿热性、致密性差、膜热黏冷脆、干燥时间长、基材易出现“闪蚀”以及涂膜对基材表面清洁度要求较高等缺点[3]，加之树脂分子中的亲水基团便于水分和空气渗透，降低了耐腐蚀性能，这些都限制了它的应用。如何克服这些缺点，制备出性能优异、实用性强、适用范围广的水性丙烯酸防腐涂料，是当前国内外业界的一大挑战。同时，对响应国家绿色环保号召，节约资源，推进社会健康可持续发展，造福世界人民具有重大意义。因此，本次设计旨在通过对水性丙烯酸树脂进行改性，制备出一种性能优异、环境友好的水性丙烯酸防腐涂料，并对其生产进行工艺探究和生产线设计，设计出符合相关标准的车间工艺，提高生产质量，降低成本。
2. 研究的基本内容与方案
1设计内容
（1）通过对相关文献的查阅，对设计产品的步骤进行评价，提出拟采用工艺的理论依据及进行可行性分析，确定产品的生产工艺流程。
（2）对整个生产过程进行物料衡算，能量衡算，对所需设备进行计算及选型。
（3）编写不少于10000字的车间设计说明书。
（4）完成车间工艺设计（工艺流程图，车间布置图，工艺管道布置图，主要设备装配图），并使其符合相关标准。
2设计目标
制备出一种性能优异、环境友好的水性丙烯酸防腐涂料，并对其生产进行工艺探究和生产线设计。
3拟采用的技术方案及措施
根据相关参考文献拟采用以下技术方案：
3.1丙烯酸乳液及水性树脂的合成[13,14,15,16,17,18]
主要物料及参考配方
| 物料名称 | 规格 | 质量分数（%） |
| 甲基丙烯酸甲酯 | 工业纯 | 12~30 |
| 苯乙烯 | 工业纯 | 5~15 |
| 甲基丙烯酸丁酯 | 工业纯 | 14~25 |
| 丙烯酸丁酯 | 工业纯 | 18~30 |
| 甲基丙烯酸 | 工业纯 | 1~7 |
| 磷酸酯功能单体 | 工业纯 | 0~6 |
| 三羟基丙烷 | 工业纯 | 0.5~1.5 |
| 三甲基丙烯酸酯 | 工业纯 | 0.5~1.5 |
| 丙烯酸羟丙酯 | 工业纯 | 5~22 |
| 十二硫醇 | 分析纯 | 0.5~1.5 |
| 过氧化二苯甲酰 | 分析纯 | 1.5~3 |
| 助溶剂 |
| 25~40 |
| N,N-二甲基乙醇 | 工业纯 | 适量 |
| 水性氨基树脂 |
| 适量 |
本设计合成的改性乳液所使用的磷酸酯功能单体为烷基丙烯酸酯磷酸酯,加入的磷酸酯占单体总质量0.5％(wt)；采用延后滴加的方式，磷酸酯功能单体在其它混合单体滴加完2/3后，与剩余单体混合添加；复合乳化剂的用量采用 OP-10与 SDS各占单体总量的1.13％(wt); 改性丙烯酸乳液中缓冲剂碳酸钠添加量为单体质量的0.6％(wt)，反应体系pＨ值保持在５左右; 在乳液聚合阶段中,体系的聚合温度适合控制在75℃～80℃。
3.2 水性涂料生产工艺 [19,20,21]
根据配方要求，将计量的水、分散剂、流平剂、消泡剂、防沉剂、pH 调节剂和高岭土及碳酸钙加入到高速分散釜中并进行高速分散，分散好的浆料进入砂磨机砂磨，当达到规定细度后移至配漆釜中，加入水性丙烯酸酯乳液、色浆、增稠剂和成膜助剂，进行配色、调粘度和过滤，经检测合格后计量包装。
表1 水性涂料物料表
| 物料名称 | 规格 | 比例（*0.1%） |
| 碳酸钙、高岭土 | 纳米级 | 70~80 |
| 分散剂 | WP-5040 | 1~2 |
| 流平剂 | BKY | 1~2 |
| 消泡剂 | H-203 | 2~3 |
| 防沉剂 | YL-200 | 微量 |
| pH调节剂 | 98.5% | 微量 |
| 水 | 去离子水 | 600~650 |
| 水性树脂 |
| 290~310 |
| 色浆 |
| 适量 |
| 增稠剂 | ZW-301 | 适量 |
| 成膜助剂 | 99.5% | 微量 |
| 合计 |
| 1000 |
表2 主要工艺设备表
| 项目名称 | 主要工艺设备 |
| 水性丙烯酸乳液 | 高位槽、计量罐、混合罐、预乳化釜、搪瓷反应釜、中和釜、水稀释釜、冷凝器 |
| 水性涂料 | 高速分散剂、调漆罐、混合釜、高位槽 |
本设计目标为水性产品，不燃、不爆，能有效减少工厂火灾爆炸事故的发生；而且水性产品基本无毒、不污染，有利于保护作业人员的身体健康。生产装置PLC控制系统进行操作控制，关键部位拟设置报警、联锁和紧急停车系统，主要设备设置安全阀、压力表、温度计、液位计，并配带压力、温度、液位远传记录和报警功能的安全装置，并通过LCD对关键岗位进行监视。
3.3性能指标
丙烯酸乳液质量指标
| 测试项目 | 产品指标 |
| 外观 | 蓝白色乳液 |
| pH值 | 7~8.5 |
| 固含量（%） | 48 |
| 玻璃化温度（摄氏度） | -30~20 |
| 粘度（mPa.s） | 1500~2000 |
| 乳液类型 | 成膜乳液 |
水溶性固体丙烯酸树脂质量指标
| 测试项目 | 产品指标 |
| 外观 | 淡黄色透明固体 |
| 分子量 | 6000~15000 |
| 含量（%） | 99.9 |
| 玻璃化温度（摄氏度） | 85~125 |
| 酸值（mgKOH/g） | 240~255 |
涂料防腐性能测试
| 测试项目 | 性能指标 |
| 附着力（级） | 0 |
| 柔韧性（mm） | 1 |
| 耐冲击性（kg*cm） | 50 |
| 耐水性（出现气泡时） | 120h有锈点 |
| 耐盐雾性（出现气泡时） | 240h不起泡，不生锈 |
3. 研究计划与安排
第01~03周：查阅相关文献，了解水性丙烯酸防腐涂料的背景和现状，了解水性丙烯酸防腐涂料的防腐机理及评价方法，掌握水性丙烯酸乳液的合成方法，明确设计目的和设计意义，撰写开题报告，完成外文翻译；
第04~06周：确定工艺流程并进行物料衡算，对设备进行计算选型;
第07~11周：绘制生产工艺流程图，主要设备装配图，绘制车间布置图，工艺管道布置图，完成设计说明书；
4. 参考文献（12篇以上）
想[1
[1]丁纪恒,顾林,赵海超,等.水性丙烯酸防腐涂料的研究进展[j].涂料技术与文摘, 2015.
[2]陈昊,吴梦奇,李杰飞,等.水性防腐涂料研究进展[j].涂料工业, 2016,46(2):31-36.
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