靜電吸附裝置在薄膜拉伸領(lǐng)域的應(yīng)用和改進(jìn)

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所 自控中心，北京 100120）

1 概述

1.1 塑料薄膜成型工藝簡(jiǎn)介

目前塑料薄膜的成型方法基本分為壓延法、流延法、平膜拉伸法、管膜法、真空射濺法等，如圖1所示。其中平膜拉伸法與管膜法為雙向拉伸生產(chǎn)方式的兩種常見(jiàn)工藝。

在上述膜成型生產(chǎn)方法中，目前應(yīng)用最多的是管膜法吹塑薄膜生產(chǎn)技術(shù)用于生產(chǎn)農(nóng)用膜、地膜及通用包裝材料；平膜雙向拉伸法生產(chǎn)的薄膜厚度均勻、拉伸強(qiáng)度高，主要用來(lái)生產(chǎn)用于制造高級(jí)包裝膜、光學(xué)膜、電池隔膜、太陽(yáng)能背板膜等高端產(chǎn)品的薄膜。以上兩種成型方法是目前薄膜成型技術(shù)的主流方式。

圖1 薄膜成型生產(chǎn)方法

管膜法屬雙向一步拉伸法；平膜法又分為雙向一步拉伸、雙向兩步拉伸以及雙向三步拉伸三種方法。管膜法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少、占地小、無(wú)邊料損失、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但由于存在生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品厚度公差大等缺點(diǎn)，自20世紀(jì)80年代以來(lái)幾乎沒(méi)有發(fā)展，目前僅用于生產(chǎn)PP、PVC熱收縮膜等特殊品種。平膜雙向一步拉伸法制得的產(chǎn)品縱橫向性能均衡，拉伸過(guò)程中幾乎不破膜，但因設(shè)備復(fù)雜、制造困難、價(jià)格昂貴、邊料損失多、難于高速化、產(chǎn)品厚度受限制等問(wèn)題，目前尚未得到大規(guī)模采用。而雙向兩步拉伸法設(shè)備成熟、生產(chǎn)效率高、適于大批量生產(chǎn)，被絕大多數(shù)企業(yè)所采用。

1.2 平膜拉伸工藝簡(jiǎn)介

典型單/多層擠出-雙向二次拉伸法薄膜生產(chǎn)工藝流程圖如圖2所示。

1.3 擠出和鑄片系統(tǒng)

擠出與鑄片是指在平膜拉膜生產(chǎn)線上物料經(jīng)過(guò)配料與混合以及結(jié)晶與干燥的過(guò)程后，物料經(jīng)擠出機(jī)形成熔融體，通過(guò)計(jì)量泵前后粗、精過(guò)濾器，在計(jì)量泵壓力的推動(dòng)下，強(qiáng)行通過(guò)模頭的長(zhǎng)形口膜，并在外力（靜電、氣流、真空）作用下，使熔融體迅速貼附在冷鼓（也稱(chēng)急冷輥）表面上冷卻結(jié)晶制成固態(tài)片材的過(guò)程。

擠出鑄片工藝流程如圖3所示。

1.4 塑料薄膜平膜拉伸設(shè)備中的附片技術(shù)

附片裝置是擠出和鑄片系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)，是它將擠出的片材緊密地貼附在急冷輥上，如果薄膜不能緊密貼合急冷輥，膜與輥之間將混入空氣造成薄膜局部冷卻不均產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定易造成產(chǎn)品質(zhì)量缺陷。附片技術(shù)的成熟與否，直接關(guān)系到薄膜生產(chǎn)的成與敗。

圖2 典型單/多層擠出-雙向二次拉伸法薄膜生產(chǎn)工藝流程圖

圖3 擠出鑄片工藝流程圖

常見(jiàn)的鑄片附片裝置有靜電吸附裝置、真空吸附裝置、氣刀貼附裝置、接觸輥貼附裝置等。

1.5 靜電吸附原理在塑料拉薄膜生產(chǎn)中的應(yīng)用

靜電吸附裝置附片是平膜拉伸工藝生產(chǎn)中應(yīng)用較普遍的附片方法，特別適合于生產(chǎn)PET（聚酯）、PA（尼龍）等材料的拉伸工藝，其作用是使鑄片與急冷輥緊密接觸，防止急冷輥快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)卷入空氣，以保證傳熱、冷卻效果。靜電吸附裝置由金屬絲電極（0.15～0.18mm的鉬絲或鎢絲）、高壓發(fā)生器及電極絲卷曲電機(jī)等組成。其工作原理是：利用高壓發(fā)生器產(chǎn)生的數(shù)千至上萬(wàn)伏直流電壓（6～12kV），使電極絲、鑄片輥分別變成負(fù)極和正極（鑄片輥接地），膜材在此高壓靜電場(chǎng)中因靜電感應(yīng)而帶上與鑄片輥極性相反的靜電荷，在異性相吸的作用下，膜材與急冷輥表面緊密吸附在一起，達(dá)到排除空氣和均勻冷卻膜片的目的。由于電極絲在生產(chǎn)過(guò)程中容易吸附膜材的揮發(fā)物而影響吸附效果，故而須將靜電絲設(shè)計(jì)成按一定速度運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)而保持電極絲實(shí)時(shí)更新。靜電吸附裝置主要由以下部分組成：電極絲收絲端、電極絲放絲端、高壓發(fā)生器以及三維位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等相關(guān)部件。

2 靜電吸附裝置的結(jié)構(gòu)和改進(jìn)

下面著重靜電吸附裝置的結(jié)構(gòu)和改進(jìn)的過(guò)程。

2.1 靜電吸附裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理

靜電絲（0.15～0.18mm的鉬絲或鎢絲）被接入高壓電源（6～12kV），在收絲端伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，以緩慢的速度（約0.5m～1m/min）由放絲端的放絲輪卷入收絲端的收絲輪。為了使靜電絲保持平直，靜電絲需要保持一定的張力。通過(guò)三維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使靜電絲與鑄片輥保持正確的工作位置。

圖4 靜電吸附裝置

2.2 阻尼裝置的改進(jìn)

阻尼裝置為靜電絲保持平直的工作狀態(tài)提供適宜、穩(wěn)定的張力，現(xiàn)對(duì)以下兩種提供收絲張力的裝置進(jìn)行比較。

2.2.1 永磁鐵手調(diào)張力阻尼器

為了使靜電吸附絲始終處于緊繃狀態(tài)而又不至于被拉斷，需要在收放絲輪之間建立一定的張力，最初的設(shè)計(jì)是在放絲軸上安裝一只永磁鐵制動(dòng)器，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷靜電絲的張緊程度而進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)制動(dòng)器的扭矩，但隨著放絲輪外徑的遞減，靜電絲的張力也隨之衰減，這樣就要經(jīng)常對(duì)永磁鐵制動(dòng)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣的設(shè)計(jì)不僅增加了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且對(duì)操作人員的操作經(jīng)驗(yàn)提出了較高的要求。

圖5 放絲端手調(diào)張力阻尼器示意圖

2.2.2 磁滯自動(dòng)張力阻尼器

鑒于永磁鐵手調(diào)張力阻尼器的諸多缺陷，我們將永磁制動(dòng)器換成磁滯制動(dòng)器，可通過(guò)電流調(diào)節(jié)制動(dòng)器扭矩，并在收絲端安裝張力傳感器，在上位機(jī)上設(shè)定張力，根據(jù)設(shè)定張力，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)磁滯制動(dòng)器的電流，閉環(huán)控制扭矩，達(dá)到張力自動(dòng)調(diào)節(jié)的效果。改進(jìn)后的靜電絲運(yùn)行平穩(wěn)，張力基本保持恒定，貼附效果顯著提高。

圖6 放絲端磁滯制動(dòng)器示意圖

2.3 收絲輪排線機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

靜電絲在釋放靜電的同時(shí)，還要以非常緩慢的速度行走，以達(dá)到實(shí)時(shí)更新的目的，這個(gè)過(guò)程是由收絲端伺服電機(jī)帶動(dòng)收絲輪旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的。收絲輪的外徑×內(nèi)徑×高度為：Φ90×Φ60×15；如果靜電絲總在收絲輪寬度的一個(gè)位置纏繞的話，勢(shì)必形成一個(gè)尖點(diǎn)，很容易造成垮塌現(xiàn)象從而引起靜電絲的張力瞬時(shí)波動(dòng)，影響貼附效果，甚至造成靜電絲與膜片接觸放電、擊穿膜片的現(xiàn)象，因此必須在收絲端設(shè)計(jì)靜電絲的排線裝置，使靜電絲在收絲輪的寬度方向上有序排列，這樣對(duì)靜電絲的張力穩(wěn)定是十分有益的。靜電絲的排線機(jī)構(gòu)我們也是經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)而形成今天的設(shè)計(jì)效果。

以下為改進(jìn)過(guò)程。

2.3.1 圓錐齒輪傳動(dòng)導(dǎo)輪游動(dòng)排線

圖7 圓錐齒輪傳動(dòng)導(dǎo)輪

最初的設(shè)計(jì)是在收絲主軸上安裝一圓錐齒輪副，通過(guò)圓錐齒輪副帶動(dòng)凸輪軸的旋轉(zhuǎn)和垂直換向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)凸輪副的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)直線導(dǎo)軌上的導(dǎo)向輪進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到靜電絲在收絲輪上的有序排布。通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)以上設(shè)計(jì)存在諸多缺陷，首先，結(jié)構(gòu)復(fù)雜安裝精度難以保證；其次，由于結(jié)構(gòu)的限制，圓錐齒輪的速比無(wú)法做到很大（目前是1:2），絲輪軸每轉(zhuǎn)2周，導(dǎo)輪就要游動(dòng)一個(gè)周期，不僅造成靜電絲張力波動(dòng)，而且排線間隙過(guò)大，造成收絲輪空隙過(guò)大，更換收絲輪過(guò)于頻繁。

3.2 往復(fù)螺紋導(dǎo)輪排線

為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，我們借鑒了電線生產(chǎn)行業(yè)的布線機(jī)構(gòu)，利用帶有往復(fù)螺紋的槽筒作為導(dǎo)向輪，實(shí)現(xiàn)靜電絲在收絲輪上的排布。雖然結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化了，但槽筒外徑受結(jié)構(gòu)的限制無(wú)法做到大直徑，往復(fù)螺紋也難以做到多匝結(jié)構(gòu)，以上的缺陷也無(wú)法有效克服。

3.3 蝸桿傳動(dòng)槽輪機(jī)構(gòu)收絲輪游動(dòng)排線

通過(guò)以上兩種排線機(jī)構(gòu)的缺陷分析，我們確定了需要突破的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：其一是導(dǎo)輪游動(dòng)屬于強(qiáng)制排線，會(huì)引起靜電絲的張力波動(dòng)；其二排線游動(dòng)的速度如果與收絲輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度過(guò)于接近，會(huì)造成排線間隙過(guò)大，靜電絲在收絲輪上空隙過(guò)大，更換收絲輪過(guò)于頻繁。

圖8 往復(fù)螺紋導(dǎo)向輪示意圖

抓住以上的關(guān)鍵點(diǎn)，我們的研發(fā)有了明確的方向，通過(guò)參考類(lèi)似機(jī)構(gòu)（釣魚(yú)竿收線輪等），我們?cè)O(shè)計(jì)出第三套方案：主傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)成花鍵軸，在花鍵軸上套一個(gè)單頭蝸桿，與蝸桿配套的蝸輪端面上安裝一個(gè)偏心滾輪，偏心滾輪帶動(dòng)直線導(dǎo)軌上的滑體做上下往復(fù)游動(dòng)，滑體上裝有撥輪機(jī)構(gòu)，撥輪帶動(dòng)與花鍵軸配合的花鍵套往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而與花鍵套剛性連接的收絲輪同時(shí)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于導(dǎo)輪是不做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的，而收絲輪的運(yùn)動(dòng)不會(huì)造成對(duì)靜電絲的強(qiáng)制移動(dòng)，又能讓靜電絲整齊地在收絲輪的寬度空間上有序排列，也不會(huì)造成靜電絲的張力劇烈波動(dòng)，這樣第一個(gè)問(wèn)題就迎刃而解了。至于第二個(gè)問(wèn)題，由于是蝸輪蝸桿傳動(dòng)，其特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)大速比，前面我們提到收絲輪的高度是15mm；靜電絲的直徑是0.15～0.18mm；我們將靜電絲的排列間隙設(shè)定為0.2mm，這樣收絲輪寬度上排滿為：15mm/0.2mm=75匝；也就是說(shuō)收絲輪旋轉(zhuǎn)75轉(zhuǎn)，由上到下游動(dòng)一個(gè)周期，也就是裝有偏心滾輪的蝸輪旋轉(zhuǎn)1/2圈；這樣我們計(jì)算出蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比需要1:150（75×2），這樣收絲輪（蝸桿）每轉(zhuǎn)動(dòng)150轉(zhuǎn)，蝸輪旋轉(zhuǎn)一周，而蝸輪上的偏心滾輪一個(gè)輪回。由速比可知，蝸輪的齒數(shù)需要150齒，模數(shù)為1的蝸輪分度圓直徑d=m×z=150×1=φ150mm，由于空間的限制，蝸輪的外徑最好限制在φ60mm以內(nèi)，我們?nèi)∥佪喎侄葓A直徑d=φ58，齒數(shù)z=58，外徑φ60mm，速比=1:58，也就是蝸輪旋轉(zhuǎn)0.5圈收絲輪排滿一個(gè)高度，58/2=29匝，反算，靜電絲間距約等于0.5mm。這樣就大大縮小了靜電絲的排列間隙，使收絲輪使用效率得到有效提高。

圖9 蝸桿傳動(dòng)槽輪機(jī)構(gòu)收絲輪游動(dòng)排線示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐檢驗(yàn)，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)的靜電吸附裝置，達(dá)到了一定的預(yù)期效果，得到了用戶的肯定。由于我們?cè)诶どa(chǎn)線的項(xiàng)目起步較晚，比起國(guó)外先進(jìn)技術(shù)還處于學(xué)習(xí)、消化的階段，因此本文中涉及的有些問(wèn)題還有待進(jìn)一步的研究和學(xué)習(xí)。

[1]（日）Toshita Kanai，（美）Gregory A. Campbell .塑料薄膜加工技術(shù)[M].王建偉,等譯.化學(xué)工業(yè)出版社.