通过添加环氧树脂作为大分子扩链剂对水性聚氨酯进行改性,讨论了水性聚氨酯的配方及工艺条件对最终乳液性能的影响,探讨了预聚体合成过程中的动力学影响因素。在小试实验的基础上,通过理论推导和分析分别建立了预聚体合成、乳化及溶剂脱除过程的模型,结合放大实验数据对模型进行了简化求解,并用与指导现实的放大过程。 在预聚体合成过程中,[NCO]/[OH]的比值(R)对乳胶膜的性能影响较大,随着初始[NCO]/[OH]的比值(Ri)增加,乳液的粒径增加,粒径分布变宽,外观变差,乳胶膜的硬度增加、拉伸强度增大、断裂伸长下降,实验结果表明当Ri控制在6.5～7.0比较合适。随着总[NCO]/[OH]的比值(Rt)增加,预聚体的粘度逐渐下降,涂膜的吸水率下降,耐乙醇擦拭次数增多,实验表明当Rt在1.4～1.5时,乳液的粒径最小,外观最好,储存稳定最好。随着环氧值的增加,预聚体的粘度增加,乳化困难,乳胶膜吸水率下降,当环氧值在0.20～0.44、添加量在4～6％之间时,乳液性能最好。在添加环氧树脂后,为了得到较好外观的分散液,必须增加亲水扩链剂二羟甲基丙酸(DMPA)的用量,当DMPA的用量在8％时,可得到储存稳定的乳液。用不同中和剂进行中和时,发现用三乙胺所得乳液的外观发白,颗粒较粗,而用氢氧化钠中和所得的乳液外观半透明,粒径较细。 在预聚体合成过程中,升高温度可以加快反应速度,但过高的温度会促使环氧基开环发生交联,导致乳化困难。预聚体的温度严重影响着乳化过程,当预聚体的温度小于50℃时,用常温水可以顺利的进行乳化。搅拌转速对预聚体合成和乳化过程影响不一样,预聚体合成过程中有一个最佳的转速范围600～800rpm;对乳化过程,在设备允许的条件下,采取较高的转速有利于乳化的进行,但过高会提高生产的危险性。乳化过程中,当水的进料速度控制在80～90m3/h时,乳化过程进展顺利。对环氧树脂改性的预聚体要严格控制中和时间,实验中发现中和时间在120～140s乳化过程进展顺利。 将预聚体过程分为三个阶段,即甲苯二异氰酸酯(TDI)与聚醚多元醇反应阶段、丁二醇(BDO)扩链阶段、亲水单体和环氧树脂扩链阶段,分别进行了动力学研究,三阶段的表观活化能分别为Ea1=65.72KJ/mol、Ea2=62.60KJ/mol、Ea3=84.93KJ/mol,其中Ea1与Ea2比较接近,且后者比前者小,Ea3比Ea1和Ea2均大,表观活化能比常规的预聚体合成过程高。 运用相似放大原理,在相似放大准则的基础上,放大从小试到中试,放大200倍,通过改变桨型、桨叶几何尺寸等完成预聚体合成过程的放大研究。从中试到工业化,放大40倍。采用锚式+桨式相结合的搅拌桨,对相似放大结果做33％的修正后,预聚体残留-NCO基含量和粘度与小试相当。采用了半圆管式冷水夹套和DCS控制反应过程的温度,使得工业釜与模试釜之间对过程结果有决定影响的混合参数相一致。运用湍流混合理论分析水与预聚体的微观混合机理并建立微观充分混合的时间和宏观混合时间模型,在小试实验数据的基础上对模型进行了简化得出：ts=1/n[3.63(λ0/d)2/3+2.04Re1/2ln(Sc1/2/12)],tM≈L2/1.2×10-4πnd2。根据-NCO基与水反应的动力学理论计算乳化过程中反应消耗8％异氰酸酯所需的时间tR=3.2s。当tS