碳纤维阳极板及其制备方法与流程

本发明涉及电除尘器的，特别是阳极板的。

背景技术：

1、电除尘器是一种利用高压电场使烟气发生电离以令气流中的粉尘荷电并在电场作用下与气流分离的除尘设备，具有除尘效率高、使用寿命长和运行费用低等显著优点，是国内外工业烟气粉尘治理的主流设备，广泛应用于火电、建材、冶金、化工和垃圾焚烧等行业；阳极板作为电除尘器的核心部件，属于接地正极，可与阴极放电线共同形成高压电场，用于吸附烟气中的带电粉尘，其性能直接决定了电除尘器的整体除尘效率与运行稳定性。

2、当前，工业电除尘器普遍采用普通金属材质的压型阳极板，如公告号为cn223300162u的耐磨型静电除尘器的阳极板以及公告号为cn204685291u的一种湿式静电除尘器的阳极板；此种阳极板在实际应用中存在诸多缺陷；其一，普通碳钢阳极板用钢量大，设备整体重量重，不仅制造成本高，且安装施工难度大（尤其对于改造项目，原有桩基荷载往往难以满足扩容改造后的设备重量要求，需额外进行补桩或重新打桩，大幅增加改造成本与施工周期）；其二，碳钢材质耐腐蚀性差，在高温、高硫等复杂烟气工况下，阳极板表面易受烟气中腐蚀性气体侵蚀，导致表面导电率下降，运行电耗升高，同时缩短设备使用寿命；其三，常规压型板结构的阳极板整体刚度较低，振打清灰时振打力传递效果不佳，特别是当电除尘器高度超过 15.5m后，受高度因素影响，阳极振打力沿高度方向衰减明显，振打清灰效果显著降低，粉尘堆积影响电场分布，进而影响电除尘器的正常运行；其四，碳钢阳极板表面易发生氧化腐蚀，表面电阻增大，导致电晕电流释放不均匀，除尘效率下降，同时增加运行能耗。

3、碳纤维是含碳量在90%以上的高强度高模量纤维材料，具有优异的物理化学性能（在150℃烟气环境下耐高温性能良好；密度仅为1.6～1.8g/cm3，远低于钢铁的7.85g/cm3，可大幅降低设备重量；沿纤维轴方向具有极高的强度和模量，振打清灰时抗冲击能力强；不易受烟气中腐蚀性成分的腐蚀和粉尘颗粒的磨损；且可加工性能优良）；早在1998年，美国ohio大学的pasic等人就首次提出了“膜电除尘器 (mesp)”的概念，将碳纤维编织成膜作为电除尘器的收尘极以替代传统钢制极板，且实测收尘效率得到显著提升，打破了传统静电除尘的技术禁锢；随着碳纤维材料制备工艺的发展，其抗拉强度高、重量轻、抗腐蚀性能好以及可定向加工等优势日益凸显，在航空航天、汽车和建筑加固等领域已得到广泛普及，材料成本大幅降低，具备了在环保设备领域规模化应用的条件。

4、针对碳纤维阳极这一新兴技术方向，我们前期已开展了系列研发，如公开号为cn118454899a的一种碳纤维刚性电除尘器以及公开号为cn118454897a的一种碳纤维软性电除尘器；其中，前者提出了一种包含金属丝的刚性碳纤维阳极板，通过内置金属丝改善了体积导电性能，为刚性碳纤维阳极的结构设计奠定了基础，但该方案表面导电性仍显不足，且加工方法存在局限性；此外，后者提出了一种碳纤维软性阳极，充分发挥了碳纤维材料轻质柔韧的特点，但整体刚性不足，在高电场强度下易发生形变，影响电场分布的稳定性。

5、综上所述，在前期研发基础上，开发一种兼具优异抗腐蚀性能、高表面导电率、轻质高强且局部耐疲劳性能优良的碳纤维阳极板及其制备方法，对于提高电除尘器对复杂工况的适应性、提升除尘效率、降低运行电耗以及解决改造项目中的荷载与吊装难题，具有重要的工程应用价值和市场需求。

技术实现思路

1、本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种碳纤维阳极板及其制备方法，能够使阳极板兼具优异的表面导电性能、抗腐蚀性能与耐疲劳性能，有效降低设备重量与运行能耗，显著提升电除尘器的除尘效率与工况适应性。

2、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

3、碳纤维阳极板，由碳纤维和导电纳米填料复合固化制成，所述碳纤维采用碳布铺层结构，所述导电纳米填料以乙烯基酯为基体且添加有耐腐蚀纳米填料和导电银碳混合浆；阳极板表面导电性直接影响电除尘效率和能耗，而导电银碳混合浆可通过与内部碳纤维导电结合，在空间上形成电流的稳定输送，从而提高阳极板表面导电性，提高除尘效率，降低电除尘电耗。

4、作为优选，所述碳布铺层结构由从上至下依次设置的第一织物层、第二织物层和第三织物层共同构成，所述第一织物层为400～600gsm平纹织物层，所述第二织物层为100～300gsm单向织物层，所述第三织物层为400～600gsm平纹织物层；其中，使用“平纹布+单向布+平纹布”的铺层形式，可有效增强阳极板长度方向强度，确保产品正常使用。

5、作为优选，所述第一织物层、第二织物层和第三织物层选用t300型碳纤维为原料；其中，t300型碳纤维不仅强度满足使用需求，且市场原材料供应成熟、成本低廉。

6、作为优选，所述耐腐蚀纳米填料由氟化碳纤维、氧化铝和石墨烯纳米片共同构成；其中，氟化碳纤维可大幅提升与树脂基体的界面粘结力，提高轴向拉伸强度，提升树脂基碳纤维复合材料的层间剪切强度‌；氧化铝可通过自身的耐腐、耐磨特性，与碳纤维形成“颗粒-纤维”三维网状复合增强相，诱导裂纹偏转、消耗裂纹扩展能，大幅提升材料的断裂韧性与抗折强度，避免单一氧化铝添加带来的脆性断裂问题，相比传统复合材料提升刚性；石墨烯纳米片具备独特的二维片层结构，化学稳定性极强，在恶劣腐蚀环境下也能保持稳定不易被侵蚀（将其作为填料加入碳纤维复合材料后，可形成层错排列的致密阻隔层，大幅延长材料抗腐蚀寿命至传统涂层的3倍以上）。

7、作为优选，按总质量份数为100份计，所述导电纳米填料包括1.2～1.5份的氟化碳纤维、2.3～2.8份的氧化铝、1～1.5份的石墨烯纳米片、2～2.5份的导电银碳混合浆，其余为乙烯基酯。

8、作为优选，厚度为0.5～1.5mm。

9、作为优选，开设悬挂孔和振打孔，所述悬挂孔处包贴有悬挂加固板；悬挂孔长期承受交变冲击载荷，是最易发生磨损与疲劳破坏的薄弱环节；通过在悬挂孔增设加固结构，可有效提高局部位置的耐磨性与耐疲劳性能，分散振打冲击力，避免应力集中导致的孔边开裂与磨损失效，显著提升碳纤维阳极板在长期振打清灰工况下的结构稳定性与使用寿命，保障电除尘器长期可靠运行。

10、为了兼顾导电性能和力学强度的同步提高，碳纤维阳极板的制备方法，包括如下步骤：

11、s1、辅材铺贴：清理模具并涂敷脱模剂（避免碳纤维与模具粘结）；

12、s2、碳布铺贴：将裁切好的碳布逐层铺贴在模具之上；

13、s3、真空注入导电纳米填料：将铺贴有碳布的模具用真空袋密封并注入导电纳米填料，通过抽真空使导电纳米填料充分浸润碳纤维；

14、s4、高温固化：放入烘箱进行高温固化处理；

15、s5、后处理：脱模并进行后处理，得到成品。

16、作为优选，在步骤s1中，采用钢材c480型阳极板作为模具；钢材c480型阳极板为常规阳极板，作为模具具有成本低、尺寸精度高和阳极板长度可选等优点。

17、作为优选，在步骤s4中，高温固化温度为280～320℃。

18、本发明的有益效果：

19、1）表面导电性能优异，提升除尘效率并降低运行能耗：阳极板表面导电性直接决定了电除尘器的电晕电流释放均匀性与电场稳定性；本发明通过在碳纤维复合材料基体中引入导电银碳混合浆，使导电银碳混合浆与内部碳纤维形成内外协同的导电网络，在空间上构建稳定的电流输送通道，从而使阳极板表面电场分布更加均匀，显著提升阳极板的表面导电性能（在5μm膜厚条件下表面电阻率仅为0.04ω，远优于传统碳钢阳极板及初代碳纤维阳极产品），有效提高粉尘荷电与吸附效率，改善电除尘器的除尘效率；同时，导电银碳混合浆的引入还令阳极板表面电阻降低，从而有效减少电能损耗，显著降低电除尘器的运行电耗，实现节能增效的双重效果；

20、2）复合耐蚀体系，大幅提升抗腐蚀与耐磨损性能：本发明采用氟化碳纤维、氧化铝与石墨烯纳米片复配构建的耐腐蚀纳米填料体系，结合碳纤维基材本身的耐蚀特性，形成了多层次的抗腐蚀防护结构；其中，氟化碳纤维功能填料可大幅提升碳纤维与树脂基体的界面粘结力，提高轴向拉伸强度与层间剪切强度，从界面层面阻断腐蚀介质渗透路径；氧化铝填料保留了优异的耐腐、耐磨特性，可与碳纤维共同形成“颗粒-纤维”三维网状复合增强相，诱导裂纹偏转、消耗裂纹扩展能，大幅提升材料的断裂韧性与抗折强度，避免脆性断裂问题；石墨烯纳米片则凭借独特的二维片层结构，可在复合材料内部形成层错排列的致密阻隔层，将腐蚀介质的扩散路径大幅延长，使材料抗腐蚀寿命达到传统涂层的3倍以上；三者协同作用，使阳极板能够在高温、高硫等复杂腐蚀性烟气环境中长期稳定运行，有效解决传统碳钢阳极板易腐蚀、寿命短的问题；

21、3）轻质高强结构，显著降低设备重量与土建荷载：本发明采用碳纤维复合材料替代传统碳钢材质，碳纤维密度不足钢铁密度的四分之一，能够在保证结构强度的前提下大幅降低阳极板的整体重量，直接降低电除尘器整体钢结构的设计荷载，减少钢材用量，降低设备制造成本，减小对土建基础的荷载要求（设备自重的降低），有效降低基础工程造价，提升项目整体经济性；此外，“平纹织物+单向布+平纹织物”的三层铺层结构设计可利用中间单向布定向强化阳极板长度方向的力学性能，使产品兼具优异的抗拉强度与结构刚度，满足电除尘器高大空间的安装使用要求；

22、4）适配改造项目，解决桩基荷载不足工程难题：现役老机组在设计阶段桩基荷载普遍偏小，当环保标准提高需要对电除尘器进行加高扩容改造时，加装传统钢制阳极板会使设备总重量大幅增加，从而超出原有桩基的承载能力（需额外进行补桩或重新打桩施工，不仅改造成本高昂，且施工周期长、现场作业难度大）；采用本发明的碳纤维阳极板替代原有钢制阳极板，可大幅降低阳极系统总重量，使设备总重控制在原有桩基设计荷载范围内，无需对基础进行加固改造即可满足扩容要求，显著降低改造成本，缩短改造工期，具有极高的工程应用价值；

23、5）降低吊装难度，适配受限场地改造施工：现役机组改造项目普遍存在场地空间受限的问题（电除尘器加高改造时，传统钢制阳极板重量大，需要大吨位、长臂架的重型吊机进行高空吊装作业，部分场地由于空间限制无法满足重型吊机的站位与臂长要求，导致施工难以开展），而本发明的轻质特性还可有效解决老机组改造中的吊装施工难题；具体而言，碳纤维阳极板重量显著减轻，可降低对吊装设备的吨位要求，使中小型吊机即可满足吊装作业需求，有效降低吊装施工难度与作业风险，同时减少吊装费用，尤其适用于场地狭窄、吊装条件受限的在役机组改造项目。

24、本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。