碳纤维及其预浸料装置的生产工艺特点及安全保障措施概要

碳纤维及其预浸料装置的生产工艺特点及安全保障措施

摘要:化工工程论文代写本文对碳纤维及其预浸料装置生产工艺特点及主要生产安全环保问题进行了适当的分析，指出了工程设计中应注意的工艺技术要求，关键的技术参数和安全保证措施。

关键词:碳纤维；工程设计；技术参数；生产工艺；安全保障措施

前言

碳纤维是一种新型非金属材料，它和它的复合材料具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热、相对密度小和热膨胀系数小等优异性能和特性。国外已被广泛用于宇航、导弹、火箭、飞机、汽车、化工、机械、纺织、医疗器材、文体用品等各个领域。近年来，国内随着建筑、汽车、风电、化工等领域对碳纤维复合材料需求的提高，碳纤维及其复合材料的工程项目日益增多。碳纤维及其复合材料产品生产装置工程设计与通用的化工及纺织类产品相比，有其独特的工程技术要求，而这些要求取决于碳纤维产品本身的特殊性能。由于我国在此方面起步较晚，目前国内的文献报道和参考资料极少，给工程设计人员在项目工程设计中技术方案的确定带来一定的困难。本人结合多年的工程设计经验和现行生产实践调研结果，就有关碳纤维及预浸料工程设计中的重要设计原则及技术参数的确定给予归纳总结。

1建筑厂房及设备基础的设计原则

碳纤维是在高温环境中，通过氧化、碳化、表面处理等关键的工艺过程制得的高强、高模、质轻、柔软、具有一定连续长度的产品。因而，碳纤维产品质量对生产厂房及设备建筑基础有一定的技术要求。首先，在工程设计时应考虑纤维反应程度的工艺技术要求，纤维需在一定温度下往复运行一定的时间，而在保证反应时间的前提下，减少纤维的往复层数和路径，有利于提高纤维质量，降低制造成本。生产厂房应采用单层平面结构，使整个工艺流程在纤维运行方向上贯通到底，易于操作。若采用多层厂房结构，将增加楼板间的纤维导向，无疑将增加纤维的往复运行路径，增加项目设备资金投入，又使纤维的磨损几

率增大，且工艺操作控制难度增大。所以，应首选直通式单层厂房，可采用轻钢结构。碳纤维厂房最高耐火等级为二级，碳纤维预浸料厂房的耐火等级为三级。厂房地面采用环氧挂胶防尘处理，最好采用防静电环氧地坪。表面处理等有腐蚀性介质使用的工段应采用局部防腐地面，防止酸碱腐蚀。生产辅房应尽量靠近碳化炉布置。碳纤维在高温碳化时，需要大量高纯度的惰性气体和大量的冷却水来维持设备的正常运行，供水泵房和空压设备房在整体厂房布置上应位于距离碳化炉较近的位置，一方面可以减少输送管线长度，节约资金；另一方面，实际生产中，操作人员的巡检线路变短，缩短了巡检时间，有利于生产操作。碳纤维对工艺设备基础的水平度要求较高，一般在±5mm范围之内。如果水平度不符合要求，运行中的纤维进入炉体时的水平角度因纤维第3期韩冰：碳纤维及预浸料工程设计探讨-33-所处运行位置的不同而不同，导致单束纤维运行宽度不断在进行伸展和收缩变化，造成纤维在运行中自动加捻，并随着运行层数的增加而增加，不利于制造高质量的碳纤维。同样，对氧化炉、表面处理等设备基础有相同的水平度要求。设备安装时应充分考虑水平度问题。另外，与其配套的碳纤维预浸料装置的热熔压延设备，由于设备外形高大，其设备基础标高宜位于室内地坪下，热熔压延设备的工艺操作高度一般距离地面1.3－ 1.4m，压延设备基础标高应以此来确定，并置于地坪下，这样可以既降低操作平台的高度，又可降低厂房高度，节约投资。设备基础水平度要求与碳纤维设备要求相同。

2生产厂房防尘及通排风要求

碳纤维生产中，氧化和碳化过程中产生大量的反应废气，表面处理过程中电解质的挥发气氛也会直接进入生产环境当中，危害人体健康。应即时排放反应废气，并保持车间空气清洁。由于纤维氧化反应时间长、纤维运行路径长，尘埃易附着于纤维表面，污染并破坏纤维结构，造成表面缺陷，降低纤维的复合强度。为制得高性能的碳纤维复合材料，防止空气尘埃的污染是极其必要的。对在生产过程中有废气排出的工艺设备附近考虑局部排风，分别设置屋顶排风机及连接排风机与设备的风管，将废气从屋顶排至室外。如表面处理浴上方设置一个排风罩，可排除在表面处理过程中产生的微量氢气和氨气。厂房内布置有预氧化炉、碳化炉、热熔压延设备等系大功率、高电热设备，这些设备在生产中散发大量的热量，同时有碳纤维粉尘散布在空气中。为满足劳动保护的要求，厂房必须通排风降温降尘，宜采用全新风空调系统，可防止粉尘、可燃有害气体聚积。

2.1预氧化过程中的防尘

预氧化过程中的防尘应考虑两个方面：一是鼓入预氧化炉的空气要进行过滤，二是进入预氧化车间的空气要清洁。经研究实验表明，金属杂质在低温下可粘附在纤维表面，高温下与碳反应生成固熔体或碳化物、炔化物；温度再升高

时，则发生增晶现象，从而破坏了均匀结构；或者挥发，残留下空隙，导致强度下降。一般希望氧化性气氛中所含金属杂质的量在0.05mg/Nm以下。对于具有热风循环的氧化炉，不仅补充的新鲜空气要进行过滤，而且催化处理后的再生循环使用的空气也要过滤。特别是催化剂为Fe、 Ni等，更应注意过滤。微量铁对纤维强度的影响极大，因而在碳纤维生产制造的全过程中尽量避免铁杂质的引入。预氧化和碳化所用气体要严格过滤，输送气体的管道要防锈。预氧化车间要干净，防止尘埃和各种杂质对纤维的污染。因为送丝架暴露在空间，动力牵伸装置和导向辊也暴露在空间；不仅要考虑炉内防尘、防锈和防污染，更要重视车间空气的洁净，防止空气中的尘埃杂质对碳纤维性能造成一定影响。增设空气净化设施，使进入到厂房的空气，经多道过滤处理并达到要求时进入车间。

2.2碳化过程中的防尘及防污染

在前述基础上，纤维碳化过程中的防尘主要是防止吹入碳化炉体的氮气中混入尘埃杂质。在氮气进入碳化炉腔体之前，采取吸附、过滤、干燥等措施，除掉混入氮气中的尘埃、油渍等杂质，保证送入碳化炉中的氮气纯度为99.999%。除此之外，碳化炉或石墨化炉的设计上应确保分解产物瞬时排出炉外，并防止返混而造成纤维的污染。还应配备有废气处理设施，以防止排出废气中的焦油等杂质对操作空间和环境的污染。利用高纯氮气垂直于纤维运行方向而流过，可有效地瞬时带走纤维周围的分解产物，减少对纤维的污染几率。

2.3预浸料的防尘

预浸料的防尘主要是指制膜（涂膜）过程的防尘。制膜过程是由1台树脂涂敷机完成的。与碳纤维装置不同之处是预浸料的树脂涂膜间有温湿度控制要求，温度一般控制在20 ±2℃，相对湿度为60%±2.5%。设计上应充分考虑树脂涂膜间的密闭性后，最大限度地选取厂房的自然采光条件并配备排气设施。具体可采取以下方法：①保证自然光照的前提下，尽量使厂房空间密闭；②