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    計量泵在聚酰亞胺薄膜生產線中的應用研究

    聚酰亞胺(PI)薄膜是目前耐熱性能最好的有機薄膜,長期使用溫度可達200℃ 以上,其電氣性能、耐輻射性能和耐火性能也同樣突出。在航天、電工電器和信息產業的發展中發揮著重要作用。 
    流涎拉伸法是目前生產PI薄膜的主要加工工藝之一:將聚酰胺酸(PAA)溶液流延到光滑的基材表面上,經脫溶劑,在拉伸過程中用加熱環化法制備PI薄膜。  
    在生產過程中,PAA膜的厚度均勻性對薄膜最終的性能有著顯著的影響。目前國內生產的PI薄膜產品性能與國外生產的PI薄膜仍然有較大差異,主要體現在厚度均勻性較差等方面,如美國杜邦公司產品的指標為5%,實測僅為2%,而國內生產的均苯型PI薄膜厚度公差約8%~10%。 
    因此提高PI薄膜厚度均勻性對聚酰亞胺薄膜的制造水平具有重要的實用意義,同時伴隨而來的是經濟效益。在聚酰亞胺(PI)薄膜生產線中增加計量裝置及自動化在線測量裝置,以此控制PI薄膜厚度均勻性,有效地改善了PI薄膜的厚度公差。 
    PI薄膜的生產方式 
    流涎法生產PI薄膜是用流涎嘴(包括刮板式和擠出式)將樹脂流涎到鋼帶上成膜。但用壓縮空氣輸送時壓力波動對擠出量的影響比較敏感,對流涎嘴中樹脂液位或擠出量有直接影響,影響到流涎樹脂在鋼帶上成膜的厚度均勻性。 
    在流涎法生產聚酰亞胺薄膜時,對于刮板式(也稱重力式流涎嘴),其樹脂液是靠樹脂的重力流向鋼帶的,鋼帶上樹脂液膜的厚度受到流涎嘴里樹脂液位高度、鋼帶運行速度的波動、鋼帶的厚度公差、流涎嘴支撐點的振動、前鼓的加工精度、流涎嘴唇口的平面度和直線度等因素的影響,但除流涎嘴里樹脂液位高度的因素之外,其他因素在生產過程中都是無法補償的。而對于擠出式(也稱壓力式流涎嘴)而言,其液膜的厚度同樣取決于擠出壓力的穩定、鋼帶運行速度的波動、鋼帶的厚度公差、流涎嘴支撐點的振動、前鼓的加工精度、流涎嘴唇口的平面度和直線度等因素的影響,但主要是擠出壓力的影響。 
    流涎一拉伸法生產薄膜時流涎嘴放在前鼓上,它可以隨前鼓同步浮動,宏觀上保證了流涎嘴刮板與鋼帶之間的距離恒定,但隨著流涎嘴中聚酰胺酸樹脂液位高低變化或機頭壓力變化會引起流量不恒定,不能確保聚酰胺酸薄膜的厚度均勻性。所以刮板式流涎嘴對樹脂液位的高度、擠壓式流涎嘴對擠出壓力的穩定等要求都很高。 
    因此采用恒定壓力擠出流涎系統可以使聚酰胺酸樹脂恒量地流到鋼帶上,對改善薄膜厚度均勻性起重要的作用。
    計量泵的應用 
    流涎一雙向拉伸生產聚酰亞胺薄膜,關鍵問題之一就是要保持聚酰胺酸樹脂輸出壓力均勻、穩定,為了實現樹脂的穩定輸送,可以安裝一臺高精度的齒輪計量泵。
    工作原理 
    流體計量泵是一種高精度的齒輪泵,計量泵內只有3個運動部件(驅動齒輪、被動齒輪、驅動軸),而且齒輪是被高精度的驅動系統帶動。常用的齒輪泵為外嚙合二齒輪的泵,其運轉時,齒輪嚙合脫開處為自由空間,構成泵的進料側,而進入的樹脂被齒輪強制帶入泵體的嚙合區間, 此區的高壓液體只能壓入出料管,不會帶入進料區。齒輪計量泵是一種容積計量泵,可以通過實際操作,使計量泵處于最優的工作狀態。 
    計量泵的輸液量取決于齒輪的齒形間隙與泵的轉速。物料每轉的擠出量都是恒定的,泵的轉速可用變頻調速電機的傳動系統控制。 
    在使用齒輪泵計量的過程中,瞬間輸液量是由小到大,再由大到小不停的變化著,即存在周期性微小的波動。波動的大小與齒輪參數有關,例如與齒輪的齒數、齒頂高系數、齒輪嚙合角、重疊系數等因素有關,但樹脂輸送過程中可以吸收這些微小的波動。 
    為了進一步提高計量精度,也可以采用三齒輪的計量泵。三齒輪計量泵輸液量的波動較二齒輪要小些。在實際生產使用過程中,系統有著很大的阻力,可以起到緩沖的作用,因此,二齒輪泵基本能夠滿足生產要求。
    縱向厚度均勻性的控制 
    在實際生產應用過程中,通過調節計量泵,提高聚酰亞胺薄膜產品厚度均勻性: 
    (1)一般的流涎方法是通過壓縮空氣將聚酰胺酸樹脂輸送到流涎嘴,靠空氣壓力維持刮板流涎嘴的液位,所使用的壓縮空氣的壓力控制維持在10%誤差范圍內。導致樹脂液位控制結果為目標液位值的±12% ,其結果會造成聚酰亞胺薄膜縱向的厚度公差較大。 
    但實際生產過程中應用計量泵裝置時,通過調節計量泵轉速,可以有效的控制流涎嘴中樹脂液位的高低,當樹脂液位在目標控制限之上,說明計量泵轉數太高,這時可將計量泵轉數向低調整,相反當液位在目標控制線之下,則可將計量泵的轉數向高調整,重復調整數次,樹脂液位最終可以穩定控制在目標液位值的±2%以內,從而大大改善聚酰亞胺薄膜產品的縱向厚度均勻性。 
    (2)在聚酰亞胺薄膜生產線中使用擠出機頭時,在唇口位置有時出現堆料現象,使聚酰胺酸薄膜留下縱向拖痕,這時通過將計量泵轉數向高調整,就可以在很短時間內消除該現象,計量泵調整的大小與堆料現象的消除時間長短成比例。 
    (3)在生產過程中,計量泵進出口的壓力是決定擠出壓力穩定性最重要的因素。實踐證明只要計量泵前壓力(P )基本穩定,并且泵速穩定,則進入機頭的樹脂壓力(P:)的變化就十分平緩。根據這一原理,生產中就可以通過觀察P 壓力值變化,實現P:值穩定的目的。利用這種薄膜縱向厚度控制方法在體系阻力不高的情況下使用,效果很好。 
    (4)為了提高雙向拉伸聚酰亞胺薄膜縱向厚度均勻性,在生產過程中,需要根據薄膜的厚度變化情況,利用生產系統的測厚反饋系統,自動調節鋼帶的線速度或計量泵的轉速,從而調節薄膜厚度,在生產中是行之有效的方法。 
    聚酰亞胺薄膜生產常常采用2種控制制膜厚度的方法,一種是計量泵速度不變,調節鋼帶速度的方式來達到調節厚度的目的。另一種方法是調節計量泵的速度,保證進入流涎嘴的樹脂量要適合目標厚度的要求。這兩種控制方法在自動化較高的雙向拉伸聚酰亞胺薄膜生產線上都可以實現,操作人員可以任意選擇。
    橫向厚度均勻性的控制實際應用過程中,在流延一拉伸法傳統生產線上加裝計量泵和薄膜擠出機頭,并與測厚系統組合成生產線,通過這種系統組合可以調節計量泵轉速,提高聚酰亞胺薄膜產品厚度均勻性,從而有效地提高流涎聚酰亞胺薄膜產品質量。  
    薄膜產品的橫向厚度均勻性較差,通過對計量泵參數作相應的調節,在一定范圍內(如0.2~0.6 r/min)提高計量泵轉速,產品厚度均勻性就可以達到圖1(c)所示效果。從圖1中比較可以看出,聚酰亞胺薄膜產品的厚度公差降低到3%~5%,有效地控制了薄膜產品的厚度均勻性,明顯地改善了聚酰亞胺薄膜的厚度公差。  
    在生產聚酰亞胺薄膜過程中,計量泵主要功能一是給樹脂增加輸送壓力,二是方便地調節其輸送量,三是確保穩定的輸送量,這些功能優于各種類型的空壓法輸送樹脂。將它與壓力反饋控制裝置聯合使用時,PI薄膜產品的厚度均勻性相對提高,從而提高產品的質量水平。實際應用齒輪計量泵的主要優點表現在: 
    (1)用于聚酰胺酸樹脂的特定計量泵,其特殊的結構使聚酰胺酸樹脂輸出時具有精度高、無脈動、重復性能好的特性。其精密的結構同時使它在條件(如:壓力、溫度等)變化的情況下仍能提供高效率和高精度的流體輸出,滿足生產工藝所需。  
    (2)計量泵應用在聚酰亞胺薄膜生產線上,工作狀態不同于其他聚合物類薄膜,生產是在常溫條件下使用,而不是在較高溫度下進行的,可以減小因溫度波動引起的影響。 
    (3)將流涎薄膜的尺寸公差降至最小, 提高產品性能。在流延薄膜的厚度公差要求較高時,使用齒輪計量泵很有必要。 
    (4)在流涎系統生產線添加壓力反饋控制裝置與計量泵組合,其流涎質量比沒有使用計量泵的流涎生產線大幅提高。 
    (5)在流涎一拉伸PI薄膜生產線上配置計量泵,擠出樹脂量可隨意調節,實際生產過程中操作方便,并有效地控制了聚酰亞胺薄膜產品的厚度均勻性,明顯地改善了聚酰亞胺薄膜的厚度公差,提高產品性能。 
    在擠出生產線中增配計量泵系統輔助聚酰亞胺薄膜的生產,在工業發達國家已日益廣泛,而國內因聚酰亞胺薄膜生產工業發展水平所限,過去應用則較少。隨著市場競爭的日益激烈,提高了對聚酰亞胺薄膜品質和精度的要求。通過在生產線中增配計量泵系統輔助薄膜生產,可以使聚酰亞胺薄膜產品的厚度公差從8% ~10%降低到3%~5%,有效地控制了薄膜產品的厚度。


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