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技术文章
2018-05-02 01:12:00

浅析计量泵在聚酰亚胺薄膜生产线中的应用研究

  1 前言

  聚酰亚胺(PI)薄膜是目前耐热性能最好的有机薄膜,长期使用温度可达200℃ 以上,其电气性能、耐辐射性能和耐火性能也同样突出。在航天、电工电器和信息产业的发展中发挥着重要作用。

  流涎拉伸法是目前生产PI薄膜的主要加工工艺之一:将聚酰胺酸(PAA)溶液流延到光滑的基材表面上,经脱溶剂,在拉伸过程中用加热环化法制备PI薄膜。

  在生产过程中,PAA膜的厚度均匀性对薄膜最终的性能有着显著的影响。目前国内生产的PI薄膜产品性能与国外生产的PI薄膜仍然有较大差异,主要体现在厚度均匀性较差等方面,如美国杜邦公司产品的指标为5%,实测仅为2%,而国内生产的均苯型PI薄膜厚度公差约8%~10%。

  因此提高PI薄膜厚度均匀性对聚酰亚胺薄膜的制造水平具有重要的实用意义,同时伴随而来的是经济效益。在聚酰亚胺(PI)薄膜生产线中增加计量装置及自动化在线测量装置,以此控制PI薄膜厚度均匀性,有效地改善了PI薄膜的厚度公差。

  2 PI薄膜的生产方式

  流涎法生产PI薄膜是用流涎嘴(包括刮板式和挤出式)将树脂流涎到钢带上成膜。但用压缩空气输送时压力波动对挤出量的影响比较敏感,对流涎嘴中树脂液位或挤出量有直接影响,影响到流涎树脂在钢带上成膜的厚度均匀性。

  在流涎法生产聚酰亚胺薄膜时,对于刮板式(也称重力式流涎嘴),其树脂液是靠树脂的重力流向钢带的,钢带上树脂液膜的厚度受到流涎嘴里树脂液位高度、钢带运行速度的波动、钢带的厚度公差、流涎嘴支撑点的振动、前鼓的加工精度、流涎嘴唇口的平面度和直线度等因素的影响,但除流涎嘴里树脂液位高度的因素之外,其他因素在生产过程中都是无法补偿的。而对于挤出式(也称压力式流涎嘴)而言,其液膜的厚度同样取决于挤出压力的稳定、钢带运行速度的波动、钢带的厚度公差、流涎嘴支撑点的振动、前鼓的加工精度、流涎嘴唇口的平面度和直线度等因素的影响,但主要是挤出压力的影响。

  流涎一拉伸法生产薄膜时流涎嘴放在前鼓上,它可以随前鼓同步浮动,宏观上保证了流涎嘴刮板与钢带之间的距离恒定,但随着流涎嘴中聚酰胺酸树脂液位高低变化或机头压力变化会引起流量不恒定,不能确保聚酰胺酸薄膜的厚度均匀性。所以刮板式流涎嘴对树脂液位的高度、挤压式流涎嘴对挤出压力的稳定等要求都很高。

  因此采用恒定压力挤出流涎系统可以使聚酰胺酸树脂恒量地流到钢带上,对改善薄膜厚度均匀性起重要的作用。

  3 计量泵的应用

  流涎一双向拉伸生产聚酰亚胺薄膜,关键问题之一就是要保持聚酰胺酸树脂输出压力均匀、稳定,为了实现树脂的稳定输送,可以安装一台高精度的齿轮计量泵。

  3.1 工作原理

  流体计量泵是一种高精度的齿轮泵,计量泵内只有3个运动部件(驱动齿轮、被动齿轮、驱动轴),而且齿轮是被高精度的驱动系统带动。常用的齿轮泵为外啮合二齿轮的泵,其运转时,齿轮啮合脱开处为自由空间,构成泵的进料侧,而进入的树脂被齿轮强制带入泵体的啮合区间, 此区的高压液体只能压入出料管,不会带入进料区。齿轮计量泵是一种容积计量泵,可以通过实际操作,使计量泵处于最优的工作状态。

  计量泵的输液量取决于齿轮的齿形间隙与泵的转速。物料每转的挤出量都是恒定的,泵的转速可用变频调速电机的传动系统控制。

  在使用齿轮泵计量的过程中,瞬间输液量是由小到大,再由大到小不停的变化着,即存在周期性微小的波动。波动的大小与齿轮参数有关,例如与齿轮的齿数、齿顶高系数、齿轮啮合角、重叠系数等因素有关,但树脂输送过程中可以吸收这些微小的波动。

  为了进一步提高计量精度,也可以采用三齿轮的计量泵。三齿轮计量泵输液量的波动较二齿轮要小些。在实际生产使用过程中,系统有着很大的阻力,可以起到缓冲的作用,因此,二齿轮泵基本能够满足生产要求。

  3.2 纵向厚度均匀性的控制

  在实际生产应用过程中,通过调节计量泵,提高聚酰亚胺薄膜产品厚度均匀性:

  (1)一般的流涎方法是通过压缩空气将聚酰胺酸树脂输送到流涎嘴,靠空气压力维持刮板流涎嘴的液位,所使用的压缩空气的压力控制维持在10%误差范围内。导致树脂液位控制结果为目标液位值的±12% ,其结果会造成聚酰亚胺薄膜纵向的厚度公差较大。

  但实际生产过程中应用计量泵装置时,通过调节计量泵转速,可以有效的控制流涎嘴中树脂液位的高低,当树脂液位在目标控制限之上,说明计量泵转数太高,这时可将计量泵转数向低调整,相反当液位在目标控制线之下,则可将计量泵的转数向高调整,重复调整数次,树脂液位最终可以稳定控制在目标液位值的±2%以内,从而大大改善聚酰亚胺薄膜产品的纵向厚度均匀性。

  (2)在聚酰亚胺薄膜生产线中使用挤出机头时,在唇口位置有时出现堆料现象,使聚酰胺酸薄膜留下纵向拖痕,这时通过将计量泵转数向高调整,就可以在很短时间内消除该现象,计量泵调整的大小与堆料现象的消除时间长短成比例。

  (3)在生产过程中,计量泵进出口的压力是决定挤出压力稳定性最重要的因素。实践证明只要计量泵前压力(P )基本稳定,并且泵速稳定,则进入机头的树脂压力(P:)的变化就十分平缓。根据这一原理,生产中就可以通过观察P 压力值变化,实现P:值稳定的目的。利用这种薄膜纵向厚度控制方法在体系阻力不高的情况下使用,效果很好。

  (4)为了提高双向拉伸聚酰亚胺薄膜纵向厚度均匀性,在生产过程中,需要根据薄膜的厚度变化情况,利用生产系统的测厚反馈系统,自动调节钢带的线速度或计量泵的转速,从而调节薄膜厚度,在生产中是行之有效的方法。

  聚酰亚胺薄膜生产常常采用2种控制制膜厚度的方法,一种是计量泵速度不变,调节钢带速度的方式来达到调节厚度的目的。另一种方法是调节计量泵的速度,保证进入流涎嘴的树脂量要适合目标厚度的要求。这两种控制方法在自动化较高的双向拉伸聚酰亚胺薄膜生产线上都可以实现,操作人员可以任意选择。

  3.3 横向厚度均匀性的控制实际应用过程中,在流延一拉伸法传统生产线上加装计量泵和薄膜挤出机头,并与测厚系统组合成生产线,通过这种系统组合可以调节计量泵转速,提高聚酰亚胺薄膜产品厚度均匀性,从而有效地提高流涎聚酰亚胺薄膜产品质量。

  图1(a)所示聚酰亚胺薄膜产品显示值为24.5m , 与所需目标值25.0 m相差0.5 m,可以将计量泵的转速提高一定转数,通过这种改变,可以将产品厚度目标值从24.5 m调节至图1(c)所示的目标值25.0 m,相反显示值比所需目标值大,则可以通过降低计量泵转速来实现。

  从图1中可以看出,薄膜产品的横向厚度均匀性较差,通过对计量泵参数作相应的调节,在一定范围内(如0.2~0.6 r/min)提高计量泵转速,产品厚度均匀性就可以达到图1(c)所示效果。从图1中比较可以看出,聚酰亚胺薄膜产品的厚度公差降低到3%~5%,有效地控制了薄膜产品的厚度均匀性,明显地改善了聚酰亚胺薄膜的厚度公差。


计量泵在聚酰亚胺薄膜生产线中的应用研究

  4 结论

  在生产聚酰亚胺薄膜过程中,计量泵主要功能一是给树脂增加输送压力,二是方便地调节其输送量,三是确保稳定的输送量,这些功能优于各种类型的空压法输送树脂。将它与压力反馈控制装置联合使用时,PI薄膜产品的厚度均匀性相对提高,从而提高产品的质量水平。实际应用齿轮计量泵的主要优点表现在:

  (1)用于聚酰胺酸树脂的特定计量泵,其特殊的结构使聚酰胺酸树脂输出时具有精度高、无脉动、重复性能好的特性。其精密的结构同时使它在条件(如:压力、温度等)变化的情况下仍能提供高效率和高精度的流体输出,满足生产工艺所需。

  (2)计量泵应用在聚酰亚胺薄膜生产线上,工作状态不同于其他聚合物类薄膜,生产是在常温条件下使用,而不是在较高温度下进行的,可以减小因温度波动引起的影响。

  (3)将流涎薄膜的尺寸公差降至最小, 提高产品性能。在流延薄膜的厚度公差要求较高时,使用齿轮计量泵很有必要。

  (4)在流涎系统生产线添加压力反馈控制装置与计量泵组合,其流涎质量比没有使用计量泵的流涎生产线大幅提高。

  (5)在流涎一拉伸PI薄膜生产线上配置计量泵,挤出树脂量可随意调节,实际生产过程中操作方便,并有效地控制了聚酰亚胺薄膜产品的厚度均匀性,明显地改善了聚酰亚胺薄膜的厚度公差,提高产品性能。

  在挤出生产线中增配计量泵系统辅助聚酰亚胺薄膜的生产,在工业发达国家已日益广泛,而国内因聚酰亚胺薄膜生产工业发展水平所限,过去应用则较少。随着市场竞争的日益激烈,提高了对聚酰亚胺薄膜品质和精度的要求。通过在生产线中增配计量泵系统辅助薄膜生产,可以使聚酰亚胺薄膜产品的厚度公差从8% ~10%降低到3%~5%,有效地控制了薄膜产品的厚度。

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