樹脂基防熱復合材料熱處理工藝防污染設計與實現

張 瑩，張硯書，路明輝，胡宏林，武 南

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

1 研究背景、問題與意義

目前制備樹脂基防熱復合材料存在大段熱處理工藝，工藝過程會產生各種高風險職業衛生有害物質。隨著法律法規的日益完善，生產工藝標準不斷提高，原有的生產工藝過程不能滿足新標準、新要求，故需改進廠房的通風換氣、防污染凈化裝置。目前操作工藝的作業人員職業衛生風險標準要求越來越高，對熱處理工藝過程進行針對性分級、分類有害物質的通風防污染處置工作已刻不容緩。

本項目主要解決的問題有：

1）樹脂基防熱復合材料熱處理工藝過程污染物風險分析。

2）針對樹脂基防熱復合材料熱處理工藝過程污染物，設計工藝生產配套設備防污染處置系統集氣風量，選擇配套設備設施。

3）針對樹脂基防熱復合材料熱處理工藝生產設備設施特殊性，創新設計污染物集氣方式，提高工藝過程生產的污染物集氣率。

針對本項目存在的主要問題，利用色譜分析，對樹脂基防熱復合材料熱處理工藝過程污染物進行職業衛生風險分析與判定、確定現場作業人員接觸各類有害因素物質種類、確定樹脂基防熱復合材料熱處理工藝過程污染物種類，設計工藝生產配套設備防污染處置系統集氣風量數值以及配套設備設施相關參數。根據樹脂基防熱復合材料熱處理工藝生產設備設施特殊性，創新設計污染物集氣方式，提高工藝過程生產的污染物集氣率，實現污染物數值符合GBZ2.1—2019《工作場所有害因素職業接觸限值 第1部分：化學有害因素》相關標準。

2 樹脂基防熱復合材料熱處理工藝過程污染物風險分析

2019年年度職業衛生健康體檢存在指標異常。根據生產計劃、人員管理、職業病結果結合分析，職業病體檢結果與RTM酚醛樹脂的生產存在一定的相關性。故對原材料樹脂基防熱復合材料所用的RTM酚醛樹脂進行分析，每周用量約在15～25 kg，用量較大。RTM酚醛樹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，這種混合物主要包括樹脂預聚體、酚和苯胺。芳基乙炔是由乙炔基芳烴加成聚合而成。

RTM酚醛樹脂固化過程小分子釋放成分分析如下：

1）未固化樹脂熱重分析：從室溫升溫至300℃，最終質量損失達36.8%，樹脂固化時從50℃開始，便有大量小分子揮發，100℃時揮發速率最大，之后揮發速率逐漸減小，200℃以后揮發速率最小。

2）氣體揮發物質譜分析：由表1可知，苯胺的揮發量占全部揮發氣體產物的46%（摩爾分數）。每周可揮發出的苯胺總質量在2.54～4.23 kg之間，苯胺是已經確定的致癌物之一，其同系物甲苯胺為1類致癌物，可嚴重影響哺乳動物的造血功能，造成網織紅細胞比率升高。

表1 氣體揮發物質譜分析

在揮發物產物中存有大量苯胺揮發，根據苯胺MSDS，苯胺蒸汽壓為70℃，而RTM酚醛樹脂是由苯并噁嗪和芳基乙炔混合而成，熱處理工藝高達200℃，普通的職業衛生有害因素監測手段無法捕捉到苯胺的揮發，故采用PGC-MS（裂解氣相色譜—質譜）方法對RTM酚醛樹脂分析，準確識別樹脂基防熱復合材料熱處理工藝過程污染物成分與含量，為后續防污染集氣、處置提供污染物數值輸入依據。

3 樹脂基防熱復合材料熱防污染集氣風量設計

1）移動式集氣隔間、混膠集氣隔間：局部強排風按照120次/h進行設計，高溫及有污染性氣體的廠房通風換氣次數設計為50～60次/h。根據中弘環境各項防污染通風工程，結合3組生產職工實際體感數據，將防污染通風設備的換氣次數對比廠房通風換氣次數提高一倍，故換氣次數設計為120次/h。

2）7套烘箱面風速不低于1 m/s，烘箱自排風管徑DN100 mm，風速按照不低于20 m/s計算。外部吸氣罩的傘形罩中要求三面散開型的風速為0.9～1.05 m/s，取中間值1 m/s。根據生產現場的烘箱自排風管徑測量得DN100 mm。根據除塵風管風速大致為10～20 m/s，故要求排風風管管速不低于20 m/s。

3）現場烘箱配備真空泵規格為100 L/s，以此計算真空泵的排風量。

4）根據現場產生污染物的布局設計，計算所需風量，系統排風處理設備處理能力不低于40 000 m3/h。

5）北側烘箱伸縮式集氣隔間：伸縮式集氣隔間尺寸為W×L×H=4 900 mm×3 000 mm×3 500 mm，局部強排風按照120次/h換氣計算，風量6 174 m3/h。

6）南側1號烘箱移動式集氣隔間：伸縮式集氣隔間尺寸W×L×H=3 300 mm×3 000 mm×3 500 mm，局部強排風按照120次/h換氣計算，風量4 158 m3/h。

7）南側3、4號烘箱移動式集氣隔間：伸縮式集氣隔間尺寸W×L×H=5 000 mm×3 000 mm×4 500 mm，局部強排風按照120次/h換氣計算，風量8 100 m3/h。

8）排溶劑區域集氣傘罩：集氣傘罩尺寸W×L=800 mm×800 mm，面風速按照1 m/s計算，共計5個傘罩，總風量為11 520 m3/h。

9）烘箱自排風：烘箱自排風管徑DN 100 mm，風速不低于20 m/s，排風量為576 m3/h。

10）真空泵排氣：真空泵規格為100 L/s，排氣風量為360 m3/h。系統總風量為（污染性烘箱最多有2臺同時工作）取最大值38 952 m3/h（8 100×2+11 520+576×12+360×12=38 952 m3/h），故要求系統處理設備處理能力不低于40 000 m3/h。

針對樹脂基防熱復合材料熱處理工藝過程污染物，設計工藝生產配套設備防污染處置系統集氣風量不得低于40 000 m3/h。

4 防隔熱復合材料制備工藝防污染集氣方式創新

針對樹脂基加工工藝特點，設計有針對性的集氣措施，滿足對復合材料進行涂裝、加熱、二次涂裝和二次加熱等工藝處理流程的排氣需求，有效收集工藝生產時產生的污染性有毒有害氣體，防止污染物逸散至周邊環境，確保將污染物有效收集并最終處理達標，使職業健康及達標排放得到保障。改進后的集氣裝置如圖1所示。集氣裝置采用封閉式伸縮罩形式，將熱處理設備及設備門口涂裝區域全部進行封閉，伸縮罩固定部分罩住熱處理設備本體，伸縮部分罩住工件涂裝區域以滿足模具及工件吊裝需求。為了避開熱處理設備下部電機維修空間，伸縮罩固定部分采用鋼結構支撐件，立于熱處理設備前后兩端，結構件外立面采用輕質耐溫板材包裹。伸縮罩伸縮部分采用步進電機進行驅動，步進電機設置于中心位置，伸縮軌道設置于兩側鋼結構支撐體上端橫梁之上。伸縮罩正面設置快速卷簾門，材質采用透明耐火苫布。伸縮罩固定部分開設排氣口，用于連接管道，將污染性氣體輸送至終端處理凈化設備。

5 結論

針對樹脂基防熱復合材料熱處理工藝過程的防污染系統，成功設計了有效收集污染物質的裝置隔間，減少現場有毒有害物質濃度，保證工藝過程的職業衛生安全可靠。針對以上設計方案，提出樹脂基防熱復合材料熱處理工藝防污染系統改造項目申請，經過改造后，所有點位有機廢氣均滿足職業衛生要求，現場檢測情況如表2所示。

表2 檢測結果 mg/m3