碳纖維生產過程穩定性評價指標體系設計與應用

葛光濤 劉奕飛

（1. 西安康本材料有限公司；2. 高性能碳纖維制造及應用國家地方聯合工程研究中心；3. 西安高新第一中學）

碳纖維生產過程穩定性評價指標體系設計與應用

葛光濤1,2劉奕飛3

（1. 西安康本材料有限公司；2. 高性能碳纖維制造及應用國家地方聯合工程研究中心；3. 西安高新第一中學）

隨著我國經濟與科技水平的不斷提高，國內碳纖維制備行業取得了長足的進展，但是，如果不考慮軍工關鍵原材料國產化保障這一戰略因素，僅從市場現狀來看，國內碳纖維制備行業總體上呈現出產業化技術成熟度較低、理論產能過剩、實際產出低下、產品質量與成本競爭性差、行業經營整體虧損等態勢，國內碳纖維制備行業進入了一個相對困難的發展時期。因此，實現從數量規模型向質量效益型的轉變是碳纖維制備行業面臨的迫切任務。回顧我國碳纖維制備行業過去幾年的發展歷程，低產業化技術成熟度下的盲目規模擴張是導致質量成本競爭性差的根本原因。雖然說沒有規模就沒有效益，但缺乏技術支撐的規模更不可能產生效益。

碳纖維國家標準的建立，在技術層面為碳纖維行業的發展提供了參考。同時，在質量管理體系的8項基本原則中，過程方法“將活動和相關的資源作為過程進行管理，可以更高效地得到預期的效果”。本文將以碳纖維技術目標實現為引導，梳理碳纖維生產過程，以建立基于過程方法的碳纖維生產狀態穩定性評價指標體系。

原絲生產過程穩定性評價指標體系設計

一、原材料消耗穩定性指標

碳纖維原絲生產過程一般包括聚合、紡絲、回收等3個主要工序。原材料丙烯腈主要在聚合、紡絲工序消耗和轉化，溶劑二甲基亞砜則在這3個工序中都有消耗。由于丙烯腈和二甲基亞砜是原材料成本的主要構成，因此，這兩種原材料的批次利用率可作為生產過程穩定性的評價指標。其它原材料由于用量較小，可略作參考。

在評價丙烯腈的利用率時，為簡化和方便比較，無論是連續聚合工藝還是間歇聚合工藝，均以批次為單位，不考慮蒸餾、聚合等中間過程的轉化、利用和其它單體的消耗情況，將每一批次的原絲收絲量直接作為指標量引入，丙烯腈的利用率計算公式如下：

丙烯腈利用率=批次收絲重量÷批次丙烯腈總重×100%

批次丙烯腈總重=丙烯腈體積×丙烯腈密度

在評價二甲基亞砜的利用率時，為簡化和方便比較，也以批次為單位，不考慮3個工序各自的消耗情況，而是以蒸餾回收的最終可再次作為溶劑使用的二甲基亞砜量作為指標量引入，其利用率計算方法如下：

二甲基亞砜利用率=回收量÷投入量×100%

丙烯腈利用率和二甲基亞砜利用率不僅可以用于評價同一企業原絲生產不同批次之間原材料消耗的穩定性，還可以用于評價不同企業原材料消耗成本的相對高低。

二、原絲產出穩定性指標

不同企業由于技術設計的不同，原絲質量指標可能不盡相同，但相對于生產過程而言，提高原絲的產出率和設計指標的合格率則是共同努力的方向。

從生產的穩定性來看，首先是與丙烯腈設計轉化率相關的原絲產出率的問題，第二是與生產體系設計相關的定軸率問題，第三則是與原絲質量指標相關的合格率問題。應該說，沒有高產出率就不可能有高定軸率，沒有高定軸率就不可能有高合格率。相關指標計算如下：

▲ 碳纖維原絲生產線

原絲產出率=批次收絲重量÷投入丙烯腈重量×設計轉化率×100%

原絲合格率=合格原絲重量÷批次收絲重量×100%

原絲定軸率=定軸收絲重量÷批次收絲重量×100%

定軸原絲合格率=定軸合格原絲重量÷批次收絲重量×100%

在原絲生產過程中，受設備、工藝過程等因素的影響，原絲產出率、合格率、定軸率達到100%幾乎是不可能的。定軸與否不僅是原絲生產穩定與否的一個標志，而且會影響碳化時的生產組織。定軸長度設計對定軸率會產生一定的影響。從碳化組織來看，也存在從啟動到平穩的過程，過小的定軸長度反而不利于碳化時收絲率、定軸率的提高。因此，在設備與工藝允許的情況下，應盡可能地提高定軸長度。

三、能源消耗穩定性指標

碳纖維生產過程總體上是一個高能耗的過程，涉及到水、電、氣的耗用。單位產品能源消耗的穩定性也可以作為生產過程穩定性的標志。當然，受季節、環境等因素的影響，不同批次之間的能源消耗不盡相同，甚至還可能產生較大的差異。因此，為方便比較，對同一生產線而言，引入批次實際生產時間與批次理論生產時間的工藝時間實現比來表征能源消耗的穩定性，相關指標計算方法如下：

工藝時間實現比=批次實際生產時間÷批次理論生產時間×100%

工藝時間實現比不僅可以表征能源消耗的穩定性，更是設計生產能力發揮的標志之一。每條生產線都有設計產能，對照設計產能，即可計算出每批次生產所需的時間，工藝時間實現比越大，說明設計生產能力效率發揮越低，單批次的能耗也越大，生產成本越高。

四、原絲生產穩定性評價指標體系設計

通過以上分析可以看出，無論是性能指標絕對值的高低，還是生產線規模大小、設計能耗的高低，僅從單一生產線的穩定性來講，基于原材料和能源消耗的過程數據比性能數據能夠更加真實、可靠地反映碳纖維原絲生產的穩定性，將這些指標進行匯總統計，就構成了原絲生產穩定性評價的指標體系，如表1所示。

碳化生產過程穩定性評價指標體系設計

一、原材料消耗穩定性指標

碳化生產過程的原材料是原絲。碳纖維最終性能的高低，一方面受原絲品質的影響，另一方面則與原絲性能匹配的碳化工藝設計相關。目前，關于原絲性能指標與最終碳纖維性能之間尚缺乏量化的對應關系，只能從定性的角度來開展一些分析，碳纖維的性能在很大程度上受碳化工藝設計的影響。碳化工藝設計得當，在原絲性能一致的情況下，碳纖維的最終性能就可能得到較大的提高。

碳化工藝設計除了影響碳纖維性能外，還影響碳纖維的碳化收率。提高碳纖維的碳化收率一直是碳纖維生產工藝努力的方向。這里，將工藝條件決定的碳化收率定義為碳化產出率，即：

表1 原絲生產穩定性評價指標體系

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張 毅，工程師，就職于湖北航天化學技術研究所，主要從事航天技術應用產業固體化學氧氣發生器技術研究及產品開發工作，發表論文10余篇，獲得省部級獎勵1項。

葛光濤，高級工程師，現任西安康本材料有限公司纖維制備事業部部長，全面負責碳纖維的研發、生產，發表論文10余篇，授權專利6項，承擔創新研發課題5項。

碳化產出率=單位長度原絲收取的碳纖維重量÷單位長度原絲重量×100%

碳纖維的碳化產出率與原絲性能及碳化工藝有關，表現為長度收率和碳纖維密度的結合。碳化產出率更多地是一種技術定義，是技術能力高低的一種標志。在實際生產中，引絲、斷絲、收尾、原絲軸長，以及均勻性等因素的存在都將極大地影響原絲的利用率，因此，為了客觀地表征生產穩定性，采用原絲利用率作為碳化工藝穩定性的一個依據，即：

原絲利用率=批次生產收取的碳纖維重量÷批次生產投入的原絲重量×碳化產出率×100%

二、碳纖維產出穩定性指標

在碳纖維產出穩定性指標中，碳化產出率顯然是一個重要的指標。在原絲性能一致的情況下，如果批次碳化之間的碳化產出率差別較大，那就說明碳化的工藝穩定性存在明顯的問題。

碳纖維的性能指標較多，不同的企業可能對不同的指標確定了不同的合格范圍。但不管這些指標如何制定，對于任何指標，均存在合格率的問題，碳化過程碳纖維合格率的定義如下：

碳纖維合格率=批次收取的合格碳纖維重量÷批次收取的碳纖維重量×100%

作為商品化的產品，單位包裝的規格重量應當一致，以單位包裝的規格重量為標準，定義定軸率如下：

碳纖維定軸率=批次收取的定軸碳纖維重量÷批次收取的碳纖維重量×100%

相應的定軸合格率定義如下：

定軸碳纖維合格率=批次收取的定軸合格碳纖維重量÷批次收取的碳纖維重量×100%

與原絲相同，定軸長度或重量設計對定軸率會產生影響。考慮到國際碳纖維行業的一般包裝，建議將3K碳纖維的定軸長度控制在10000m，12K碳纖維的定軸長度控制在5000m。

三、能源消耗穩定性指標

參照原絲生產過程穩定性評價指標體系設計，引入實際生產時間與理論生產時間的工藝時間實現比來表征碳化過程中能源消耗的穩定性，指標計算如下：

工藝時間實現比=批次實際生產時間÷批次理論生產時間×100%

四、碳化生產穩定性評價指標體系設計

▲ 碳纖維碳化生產線

表2 碳化生產過程穩定性評價指標體系

將上述指標進行匯總統計，構成碳化生產穩定性評價的指標體系，如表2所示。

碳纖維生產過程穩定性評價指標體系的應用

通過以上分析，建立了基于碳纖維生產實現過程的生產穩定性評價指標體系。從中可以看出，任何一條生產線，無論規模大小，生產的產品性能高低，實際產品的成本如何，該評價指標體系都可以作為自我評判的標準來使用，有助于提高單一生產線的技術和生產成熟度認知。對同樣規模的不同生產線，通過上述指標體系的應用比較，也能夠作為水平高低、相對成本大小的參考。

上述兩個指標體系既可以獨立使用，也可以聯合使用。比如，要想知道原材料的綜合利用率，就可以利用丙烯腈利用率和原絲利用率的乘積來表示，這樣，就能夠對整個生產環節的原材料利用情況有一個大致的了解。

沒有穩定的生產就不可能有穩定的產品。對國內碳纖維生產企業而言，通過對上述指標的關注和應用，分析生產過程中的影響因素并采取針對性的改進措施，就能夠不斷提高碳纖維的生產穩定性和性能穩定性，并最終提高企業的技術水平與市場競爭力。