塑料擠出雙向同步拉伸電池膜機(jī)組研發(fā)

孫鳳萍，魯敬

（大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司，遼寧 大連 116039）

塑料擠出雙向同步拉伸電池膜機(jī)組研發(fā)

孫鳳萍，魯敬

（大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司，遼寧 大連 116039）

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)電池膜的設(shè)備多為干法工藝，大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司研制成功濕法工藝生產(chǎn)電池膜的設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)先進(jìn)、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)外進(jìn)口先進(jìn)設(shè)備水平。同步拉伸機(jī)是設(shè)備的關(guān)鍵部位，其中的夾子裝置和熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)更是重中之重。

電池膜；鋰電池；同步拉伸機(jī)；熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)；濕法工藝

電池膜是鋰電池關(guān)鍵的內(nèi)層組件之一。電池膜的性能決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，直接影響電池的容量、循環(huán)性能以及安全性能等特性，是鋰電材料中技術(shù)壁壘最高的一種高附加值材料。電池膜已廣泛應(yīng)用于軍事和民用小型電器中，如手機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、照相機(jī)等。目前隨著電動(dòng)汽車用大容量鋰電池的開(kāi)發(fā)及風(fēng)電行業(yè)儲(chǔ)能鋰電池的應(yīng)用，電池膜的市場(chǎng)需求將大幅增加。由于我國(guó)的電池膜生產(chǎn)起步晚，加上發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)封鎖，目前我國(guó)的電池膜80%依賴進(jìn)口。國(guó)內(nèi)少數(shù)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的電池膜只能用于低端市場(chǎng)，主要表現(xiàn)為工藝落后、精度低、生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品穩(wěn)定性差等。

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)聚烯烴隔膜的生產(chǎn)工藝可分為干法和濕法兩大類。干法的設(shè)備已基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，但由于工藝還不夠成熟，制品的微孔尺寸、分布均勻性、穩(wěn)定性等指標(biāo)差造成合格率不高，主要用于中低端產(chǎn)品。而采用濕法工藝生產(chǎn)的隔膜成品率高，厚度均勻、孔隙率高、收縮率低，一般用于高端市場(chǎng)。受國(guó)外專利保護(hù)方面的制約及國(guó)外對(duì)中國(guó)高新技術(shù)封鎖，國(guó)內(nèi)真正進(jìn)口的電池隔膜生產(chǎn)設(shè)備很少，有些企業(yè)的濕法電池膜設(shè)備是利用其它拉伸膜進(jìn)口設(shè)備改造而成的。

大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司自行研制的雙向同步拉伸電池膜機(jī)組是采用濕法工藝生產(chǎn)鋰電池隔膜的設(shè)備。具有結(jié)構(gòu)先進(jìn)、運(yùn)行平穩(wěn)、性能可靠、電氣控制自動(dòng)化水平高等多方面優(yōu)點(diǎn)。主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)外進(jìn)口先進(jìn)設(shè)備水平。該機(jī)組的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是采用橫、縱雙向同步拉伸的方法對(duì)薄膜進(jìn)行拉伸，利用萃取裝置將拉伸后的膜形成微孔，再利用橫向拉伸干燥機(jī)對(duì)形成微孔的薄膜進(jìn)行干燥定型制得電池膜。設(shè)備價(jià)格遠(yuǎn)低于同類進(jìn)口設(shè)備，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

1 工藝流程

PE和石腦油經(jīng)混料系統(tǒng)混合，由送液泵定量加入到雙螺桿擠出機(jī)，物料經(jīng)擠出機(jī)塑化后輸送到模頭擠出膜片，膜片經(jīng)過(guò)冷卻定型后，牽引至同步拉伸機(jī)，經(jīng)同步拉伸機(jī)雙向拉伸成寬、薄的膜，拉伸后的膜經(jīng)萃取裝置進(jìn)行置換反應(yīng)形成微孔，成孔后的膜經(jīng)過(guò)橫向拉伸干燥機(jī)干燥定型，最后送到卷取機(jī)卷?。ㄒ?jiàn)圖1）。

圖1 塑料擠出同步拉伸電池膜流程圖

2 主要性能及結(jié)構(gòu)介紹

近幾年，大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司先后開(kāi)發(fā)研制了膜寬1.2 m、2.4 m及3 m三種規(guī)格的機(jī)組。各機(jī)組均已進(jìn)入正式生產(chǎn)階段，生產(chǎn)的電池隔膜在厚度偏差、孔隙率、拉伸強(qiáng)度、收縮率等各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，運(yùn)行平穩(wěn)，性能可靠。

2.1 擠出機(jī)

擠出機(jī)的作用是將攪拌后的液態(tài)物料進(jìn)行充分混合、混煉、塑化并輸送到機(jī)組下一部件。本機(jī)組擠出機(jī)采用同向雙螺桿擠出機(jī)，雙螺桿擠出機(jī)主要由主電機(jī)、力矩限制器、減速器、機(jī)筒、螺桿、機(jī)筒冷卻裝置等組成。螺桿采用組合式，由多種螺旋元件組成。螺桿元件與螺桿芯軸采用高精度漸開(kāi)線花鍵配合確保螺旋元件的互換性。專門針對(duì)電池膜獨(dú)特配方設(shè)計(jì)的螺桿結(jié)構(gòu)及超大長(zhǎng)徑比設(shè)計(jì)，保證物料在擠出機(jī)中充分的混合塑化及低溫?cái)D出。主電機(jī)與減速器之間安裝備有力矩限制器，當(dāng)負(fù)載超過(guò)力矩設(shè)定值時(shí)，聯(lián)軸器會(huì)自動(dòng)脫開(kāi)，起到保護(hù)螺桿的作用。

2.2 膜片成型裝置

膜片成型裝置的作用是將從模頭擠出為熔融物料快速冷卻并定型成厚度均勻的膜片。由定型裝置、冷卻裝置、牽引裝置、升降移動(dòng)裝置等組成。為了保證膜片的均勻性，膜片成型裝置采用多輥雙面冷卻的形式。定型輥表面粗糙度達(dá)到Ra0.2 μm，輥筒控溫精度±0.5 ℃；定型輥兩端采用高精度軸承，保證輥筒運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。

2.3 同步拉伸機(jī)

同步拉伸機(jī)是本機(jī)組的關(guān)鍵部分，它的作用是實(shí)現(xiàn)膜片的雙向同步拉伸。

傳動(dòng)裝置由一個(gè)電機(jī)直聯(lián)減速器通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)兩端角減速器，由角減速器出軸將動(dòng)力傳到入口和出口兩側(cè)，再經(jīng)過(guò)同步帶輪帶動(dòng)入口減速器和出口減速器。為了滿足入口和出口的調(diào)幅要求，入口和出口減速器的輸入軸采用滾珠花鍵。傳動(dòng)裝置原理見(jiàn)圖2。

圖2 同步拉伸機(jī)傳動(dòng)裝置原理圖

在傳動(dòng)側(cè)和操作側(cè)各有兩套手動(dòng)盤車裝置。盤車裝置的作用是手動(dòng)調(diào)整夾子位置及各部間隙。當(dāng)設(shè)備最初安裝及出現(xiàn)異常安全銷斷裂時(shí)，能單獨(dú)驅(qū)動(dòng)一側(cè)的減速器將夾子位置調(diào)整正確。在每個(gè)入口和出口鏈輪上都安裝有安全裝置，當(dāng)負(fù)載超過(guò)安全銷的承載能力時(shí)，安全銷剪斷，起到保護(hù)夾子的作用。

夾子裝置是同步拉伸機(jī)的關(guān)鍵部件，夾子裝置的質(zhì)量可以直接影響電池隔膜的性能。夾子裝置為子母結(jié)構(gòu)，一套夾子裝置由一個(gè)大夾子和一個(gè)小夾子組成（見(jiàn)圖3）。通過(guò)夾子并攏和打開(kāi)實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜4.5倍的縱向拉伸。夾子支架和夾子體采用精密鑄造合金鋼。由于夾子縱拉比大，結(jié)構(gòu)緊湊，各零件都非常小巧精致，加工難度大。為保證夾子的互換性，在加工過(guò)程中利用特制工裝保證加工尺寸的一致性。

熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)是同步拉伸機(jī)的一個(gè)非常重要的組成部分。保溫房?jī)?nèi)控溫精度及風(fēng)速均勻性對(duì)膜品的質(zhì)量有很大的影響。熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)由熱風(fēng)循環(huán)裝置、保溫房等組成。 熱風(fēng)循環(huán)裝置由循環(huán)風(fēng)機(jī)、進(jìn)風(fēng)管、靜壓箱等組成。靜壓箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定風(fēng)速的均勻性及控溫精度，靜壓箱采用特殊結(jié)構(gòu)，可使風(fēng)速控制精度達(dá)到30±1 m/s。

圖3 夾子裝置三維圖

2.4 萃取裝置

萃取裝置的作用是使經(jīng)過(guò)拉伸后的薄膜在萃取液中停留一定的時(shí)間，通過(guò)萃取液將薄膜中的溶劑萃取出來(lái)，在薄膜內(nèi)部形成微孔。

由于萃取液一般都有很大的揮發(fā)性，有的還屬于易燃易爆物質(zhì)。所以萃取裝置一般要進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)，在萃取槽膜的入口和出口都設(shè)有水封裝置，萃取槽頂部加蓋密封，防止萃取液揮發(fā)。為了保證所有輥筒轉(zhuǎn)動(dòng)同步及防止輥筒轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)薄膜有拉伸，上、下排所有輥筒全部一個(gè)電機(jī)通過(guò)傘齒輪減速器帶動(dòng)。

2.5 橫向拉伸干燥機(jī)

橫向拉伸干燥機(jī)的作用是對(duì)經(jīng)過(guò)萃取的薄膜進(jìn)行干燥定型，同時(shí)將附著在薄膜表面的萃取劑排入回收裝置。

橫向拉伸干燥機(jī)入口處設(shè)有氣液糾偏裝置，膜片跑偏介質(zhì)為氣體，當(dāng)薄膜跑偏或幅寬發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)糾偏檢出傳感器上小孔的氣體流通量將發(fā)生變化，此信號(hào)通過(guò)伺服閥打開(kāi)與氣體流通量變化對(duì)應(yīng)的液壓通路，在液壓缸的驅(qū)動(dòng)下，入口軌道及夾子作相應(yīng)移動(dòng)，達(dá)到糾偏效果。

導(dǎo)軌為鑄造件，夾子滑動(dòng)的軌道槽內(nèi)裝有非金屬材料的自潤(rùn)滑耐磨條，具有良好的吸音和減磨性能。在導(dǎo)軌的入口，左右兩側(cè)各有一套鏈條漲緊裝置，為了防止工作時(shí)軌道受熱膨脹鏈條變松，漲緊裝置具有熱膨脹自動(dòng)補(bǔ)償功能。

橫向拉伸干燥機(jī)鏈夾為單柄滑動(dòng)式。夾體與夾柄為合金鋼精密鑄造，經(jīng)過(guò)熱處理及精加工，表面鍍鎳。 要求每個(gè)夾子尺寸一致，達(dá)到完全互換，夾子組立后上、下夾口嚙合率可達(dá)到95%以上。

2.6 收卷機(jī)

由于電池隔膜具有特殊的微孔結(jié)構(gòu)，要保證在收卷過(guò)程中，卷取平整并不對(duì)薄膜造成拉伸，就必須使薄膜在收卷過(guò)程中保持恒定的10～40 N的微小張力。為滿足這一要求，收卷機(jī)中所有牽引輥及過(guò)輥全部同步帶傳動(dòng)。為減小各輥的慣性和阻力，所有輥筒采用碳纖維或鋁合金材質(zhì)。

薄膜張力采用浮輥張力調(diào)節(jié)裝置來(lái)設(shè)定，浮輥?zhàn)陨淼闹亓勘黄胶廨伒窒?，浮輥?duì)薄膜的張力只通過(guò)低摩擦氣缸來(lái)給定，通過(guò)比例閥調(diào)節(jié)低摩擦氣缸的氣壓來(lái)設(shè)定薄膜的張力，使薄膜在恒定的張力下卷取。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的隔膜大部分用于計(jì)算機(jī)、通信及消費(fèi)類電子產(chǎn)品鋰電池的生產(chǎn)。隨著新能源電動(dòng)汽車的發(fā)展，未來(lái)鋰電池隔膜將大量用于電動(dòng)汽車鋰電池的生產(chǎn)，市場(chǎng)前景非常方闊。當(dāng)然，汽車動(dòng)力電池在大容量、充放電速度、安全性等各方面有更高度要求。為此國(guó)內(nèi)外各隔膜生產(chǎn)企業(yè)及相關(guān)科研院所都在積極開(kāi)發(fā)新配方、新工藝?？傊?，與生產(chǎn)工藝相匹配、高精度、高可靠性及穩(wěn)定性的設(shè)備是生產(chǎn)高質(zhì)量鋰電池隔膜的關(guān)鍵。

（XS-05）

Elastocon開(kāi)發(fā)出新型硬質(zhì)熱塑性彈性體

新近，美國(guó)Elastocon熱塑性彈性體技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)出一種新型硬質(zhì)熱塑性彈性體，非常適合用來(lái)制備汽車裝飾環(huán)或有柔軟橡膠手感的塑料組件，可卡扣五金家電配件。其中Elastocon 9050的邵氏D硬度為50，用在橡膠觸搭扣配合部件或起機(jī)械鎖作用組件中，具有優(yōu)良的耐用性和好的光潔度。天然色9050X和黑色9050BX為容易上色的和低摩擦系數(shù)熱塑性彈性體牌號(hào)產(chǎn)品，可防御灰塵，制品表面有不黏特性，有除塵的作用。在室溫及寒冷低溫下具有較好的耐沖擊性能。在需要阻燃時(shí)，可調(diào)整定制，使其阻燃級(jí)別達(dá)到UVL-0級(jí)。

燕豐供稿

Research of plastic extruding two-way synchronization stretch cell fi lm unit

Research of plastic extruding two-way synchronization stretch cell fi lm unit

Sun Fengping, Lu Jing
(Dalian Rubber & Plastic Machinery Co., Ltd., Dalian, 116039, Liaoning, China)

At present, most of the domestic production equipment of cell fi lm uses dry process. Dalian Rubber & Plastic Machinery Co., Ltd. successfully develops wet process equipment of cell fi lm, which has advanced structure and reliable performance, and the main technical indicators have reached the level of imported advanced equipment. Simultaneous stretching machine is a key part of the unit, in which the clip device and hot air circulation system are top priorities.

cell film; lithium cell; simultaneous stretching machine; hot air circulation system; wet process

TQ320.663

1009-797X（2015）06-0035-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.06.005

孫風(fēng)萍（1970-），1993年畢業(yè)于青島科技大學(xué)高分子材料加工機(jī)械專業(yè)?，F(xiàn)從事塑料機(jī)械設(shè)計(jì)工作。已發(fā)表過(guò)論文1篇。

2014-08-14