树脂基防热复合材料热处理工艺防污染设计与实现

2022-02-28张砚书路明辉胡宏林

现代工业经济和信息化 2022年12期

张莹，张砚书，路明辉，胡宏林，武南

（航天材料及工艺研究所，北京 100076）

1 研究背景、问题与意义

目前制备树脂基防热复合材料存在大段热处理工艺，工艺过程会产生各种高风险职业卫生有害物质。随着法律法规的日益完善，生产工艺标准不断提高，原有的生产工艺过程不能满足新标准、新要求，故需改进厂房的通风换气、防污染净化装置。目前操作工艺的作业人员职业卫生风险标准要求越来越高，对热处理工艺过程进行针对性分级、分类有害物质的通风防污染处置工作已刻不容缓。

本项目主要解决的问题有：

1）树脂基防热复合材料热处理工艺过程污染物风险分析。

2）针对树脂基防热复合材料热处理工艺过程污染物，设计工艺生产配套设备防污染处置系统集气风量，选择配套设备设施。

3）针对树脂基防热复合材料热处理工艺生产设备设施特殊性，创新设计污染物集气方式，提高工艺过程生产的污染物集气率。

针对本项目存在的主要问题，利用色谱分析，对树脂基防热复合材料热处理工艺过程污染物进行职业卫生风险分析与判定、确定现场作业人员接触各类有害因素物质种类、确定树脂基防热复合材料热处理工艺过程污染物种类，设计工艺生产配套设备防污染处置系统集气风量数值以及配套设备设施相关参数。根据树脂基防热复合材料热处理工艺生产设备设施特殊性，创新设计污染物集气方式，提高工艺过程生产的污染物集气率，实现污染物数值符合GBZ2.1—2019《工作场所有害因素职业接触限值第1部分：化学有害因素》相关标准。

2 树脂基防热复合材料热处理工艺过程污染物风险分析

2019年年度职业卫生健康体检存在指标异常。根据生产计划、人员管理、职业病结果结合分析，职业病体检结果与RTM酚醛树脂的生产存在一定的相关性。故对原材料树脂基防热复合材料所用的RTM酚醛树脂进行分析，每周用量约在15～25 kg，用量较大。RTM酚醛树脂是由苯并噁嗪和芳基乙炔共混而成，其中苯并噁嗪主要是由奈酚、甲醛和苯胺共聚后形成的混合物，这种混合物主要包括树脂预聚体、酚和苯胺。芳基乙炔是由乙炔基芳烃加成聚合而成。

RTM酚醛树脂固化过程小分子释放成分分析如下：

1）未固化树脂热重分析：从室温升温至300℃，最终质量损失达36.8%，树脂固化时从50℃开始，便有大量小分子挥发，100℃时挥发速率最大，之后挥发速率逐渐减小，200℃以后挥发速率最小。

2）气体挥发物质谱分析：由表1可知，苯胺的挥发量占全部挥发气体产物的46%（摩尔分数）。每周可挥发出的苯胺总质量在2.54～4.23 kg之间，苯胺是已经确定的致癌物之一，其同系物甲苯胺为1类致癌物，可严重影响哺乳动物的造血功能，造成网织红细胞比率升高。

表1 气体挥发物质谱分析

在挥发物产物中存有大量苯胺挥发，根据苯胺MSDS，苯胺蒸汽压为70℃，而RTM酚醛树脂是由苯并噁嗪和芳基乙炔混合而成，热处理工艺高达200℃，普通的职业卫生有害因素监测手段无法捕捉到苯胺的挥发，故采用PGC-MS（裂解气相色谱—质谱）方法对RTM酚醛树脂分析，准确识别树脂基防热复合材料热处理工艺过程污染物成分与含量，为后续防污染集气、处置提供污染物数值输入依据。

3 树脂基防热复合材料热防污染集气风量设计

1）移动式集气隔间、混胶集气隔间：局部强排风按照120次/h进行设计，高温及有污染性气体的厂房通风换气次数设计为50～60次/h。根据中弘环境各项防污染通风工程，结合3组生产职工实际体感数据，将防污染通风设备的换气次数对比厂房通风换气次数提高一倍，故换气次数设计为120次/h。

2）7套烘箱面风速不低于1 m/s，烘箱自排风管径DN100 mm，风速按照不低于20 m/s计算。外部吸气罩的伞形罩中要求三面散开型的风速为0.9～1.05 m/s，取中间值1 m/s。根据生产现场的烘箱自排风管径测量得DN100 mm。根据除尘风管风速大致为10～20 m/s，故要求排风风管管速不低于20 m/s。

3）现场烘箱配备真空泵规格为100 L/s，以此计算真空泵的排风量。

4）根据现场产生污染物的布局设计，计算所需风量，系统排风处理设备处理能力不低于40 000 m3/h。

5）北侧烘箱伸缩式集气隔间：伸缩式集气隔间尺寸为W×L×H=4 900 mm×3 000 mm×3 500 mm，局部强排风按照120次/h换气计算，风量6 174 m3/h。

6）南侧1号烘箱移动式集气隔间：伸缩式集气隔间尺寸W×L×H=3 300 mm×3 000 mm×3 500 mm，局部强排风按照120次/h换气计算，风量4 158 m3/h。

7）南侧3、4号烘箱移动式集气隔间：伸缩式集气隔间尺寸W×L×H=5 000 mm×3 000 mm×4 500 mm，局部强排风按照120次/h换气计算，风量8 100 m3/h。

8）排溶剂区域集气伞罩：集气伞罩尺寸W×L=800 mm×800 mm，面风速按照1 m/s计算，共计5个伞罩，总风量为11 520 m3/h。

9）烘箱自排风：烘箱自排风管径DN 100 mm，风速不低于20 m/s，排风量为576 m3/h。

10）真空泵排气：真空泵规格为100 L/s，排气风量为360 m3/h。系统总风量为（污染性烘箱最多有2台同时工作）取最大值38 952 m3/h（8 100×2+11 520+576×12+360×12=38 952 m3/h），故要求系统处理设备处理能力不低于40 000 m3/h。

针对树脂基防热复合材料热处理工艺过程污染物，设计工艺生产配套设备防污染处置系统集气风量不得低于40 000 m3/h。

4 防隔热复合材料制备工艺防污染集气方式创新

针对树脂基加工工艺特点，设计有针对性的集气措施，满足对复合材料进行涂装、加热、二次涂装和二次加热等工艺处理流程的排气需求，有效收集工艺生产时产生的污染性有毒有害气体，防止污染物逸散至周边环境，确保将污染物有效收集并最终处理达标，使职业健康及达标排放得到保障。改进后的集气装置如图1所示。集气装置采用封闭式伸缩罩形式，将热处理设备及设备门口涂装区域全部进行封闭，伸缩罩固定部分罩住热处理设备本体，伸缩部分罩住工件涂装区域以满足模具及工件吊装需求。为了避开热处理设备下部电机维修空间，伸缩罩固定部分采用钢结构支撑件，立于热处理设备前后两端，结构件外立面采用轻质耐温板材包裹。伸缩罩伸缩部分采用步进电机进行驱动，步进电机设置于中心位置，伸缩轨道设置于两侧钢结构支撑体上端横梁之上。伸缩罩正面设置快速卷帘门，材质采用透明耐火苫布。伸缩罩固定部分开设排气口，用于连接管道，将污染性气体输送至终端处理净化设备。