CN110877448A - 具有三维约束的聚乙烯微多孔膜的铸片系统 - Google Patents

Abstract

具有三维约束的聚乙烯微多孔膜的铸片系统，铸片系统主要包括：熔体挤出用平模头；辊面两端毛化的主冷却大辊，铸片时至少宽度方向两边各有20‑30毫米宽被压边，主冷却大辊的辊面中间部分仍然呈光滑镜面、目视没有油膜或油层；风刀附片装置；风刀后面有压边用小冷却压辊，将熔体或片材的两端压附在主冷却大辊的毛化区、中间部分悬空不压；张力隔离辊的辊面直径通体一样、压延前片材已经实现基本凝固、温度降低到140℃以下，张力隔离辊和剥离辊之间仍然含有压边用小冷却压辊，保证片材继续均匀贴附在主冷却大辊的辊面冷却结晶、片材表面温度降低到90℃以后再进入剥离辊。

Description

具有三维约束的聚乙烯微多孔膜的铸片系统

技术领域

本发明属于聚乙烯微多孔膜制造领域，尤其属于锂电池隔膜领域。

背景技术

聚乙烯微多孔膜作为锂电池隔膜或过滤用多孔膜，常规采用热致相分离法制造，采用聚乙烯和造孔用的工艺溶剂---石蜡油溶剂，在180-210℃混炼均匀后，经熔体过滤、熔体齿轮泵稳压后经熔体管道输送到平模头挤出，挤出后的高温熔体需要先冷却、凝固、结晶，行业常称为“铸片”，即铸造成片材的意思；铸片后一般继续采用同步双拉或分步双拉继续将片材热拉伸成薄膜，经二氯甲烷萃取干燥后，继续采用横向热拉伸、热定型后冷却收卷成膜。

聚乙烯微多孔膜作为锂电池隔膜等应用，要求极高的厚度精度和材料组织均匀性，目前厚度精度希望控制极差优于正负0.5微米，成品膜展开后不能有波浪变形、弓形、凝胶、黑点、亮点、黑道、亮条等外观不一致缺陷，而很多这些缺陷与铸片的质量和片材的组织形成的均匀性关系很大。

常规铸片采用说明书附图7所示的方式，熔体经平模头挤出后直接采用压延辊挤压在主冷却大辊上，熔体在主冷却大辊表面经过冷却后剥离再进入下面的拉伸等工序，该方法铸片具有如下缺点：

1、平模头挤出后的熔体在宽度方向存在厚度不均匀，由于压延辊的强制压延平整作用，测厚仪测试片材的厚度不能有效反映模头的出料状态、因此不能通过测厚仪的反馈来控制模头的热膨胀螺栓、不能有效调节熔体从模头挤出后在宽度方向的厚度均匀性；拉膜过程不稳定、膜的均匀度不佳。

2、熔体在压延时温度仍然近200℃、局部较厚的熔体在压延处容易出现局部积料，积料处的熔体一边冷却一边微旋转，冷却到一定程度后这种夹生料可能会通过压延区带到后面，在后面的拉伸时容易出现黑点、黑斑甚至拉伸破膜。

3、该方法铸片还容易在主冷却大辊的辊面对应熔体厚度较薄处出现油道现象，较薄处不能形成有效压延作用，熔体冷却后凝固收缩会有石蜡油在辊面的析出现象，在辊面出现油道处的片材的冷却状态与附近的无油道处的片材会有较大差异、与光滑干净的金属镜面辊相比、油道的存在会导致熔体的冷却、凝固、结晶变慢、材料的凝固结晶等出现较大变异，在后面的拉膜后会出现局部薄亮条带型低孔隙率区域，厚度极差甚至会大于4微米。

4、该方法铸片时，熔体在主冷却大辊冷却凝固过程中贴附在辊面处先凝固、随着辊子的转动，在金属辊面对熔体及片材的传热作用下，凝固层逐渐加厚直至熔体在厚度方向全部凝固、由于先凝固的部分会出现局部收缩、加之熔体及片材两侧没有采用有效的约束，局部收缩后的熔体不能保证很好地均匀贴附在主冷却大辊表面，冷却半凝固后的片材甚至会出现局部从镜面辊微剥离、导致后续地传热出现不均匀现象，继而导致厚度方向未凝固地部分熔体的凝固速度和结晶均出现较大变异、另外凝固后的片材在90-125℃高温下还会继续结晶、贴附不均匀导致传热不均匀、会导致凝固后的片材在辊面冷却结晶不均匀、材料组织和力学性能也会出现不一致，在随后的拉膜过程中，还容易出现波浪形、弓形、厚度精度不足等不一致缺陷。

为克服现有聚乙烯微多孔膜常规铸片系统的缺点，特提出本发明。

发明内容

本发明的的铸片系统在熔体冷却、凝固结晶及凝固后的继续冷却结晶的三段温度下降全过程采用了纵向、横向、厚度三个维度的约束系统，纵向约束的实现：首先采用风刀对熔体施加风压贴附于主冷却大辊的辊面、通过设定主冷却大辊的线速度高于模头出口处熔体的线速度，首先实现熔体从模头挤出后的梯形拉伸减薄，可以降低模头出口处熔体的厚度不均匀的影响，这对提高微多孔膜的制造精度有利；然后在主冷却大辊的水平线位置或前后采用张力隔离辊对片材在宽度方向整体均匀加压，张力隔离辊采用主动方式驱动，其线速度可以设定略高于主冷缺大辊的线速度，采用风刀压附和张力隔离辊这两者的前后组合可以将冷却凝固过程中的片材在纵向风刀压附线与张力隔离辊之间实现等效微拉伸的防止收缩状态、为了防止张力隔离辊对片材压延时出现冷隔或层间撕裂缺陷，控制压延前的片材已经实现基本凝固、温度降低到140℃以下；横向约束的实现：采用多个小冷却压辊在熔体及片材的宽度方向两个边缘处分别压边一定宽度，对熔体及冷却凝固后的片材在横向实现约束，防止熔体凝固或片材冷却过程中在横向出现热收缩而导致的从主冷却大辊的光滑镜面辊面局部微剥离现象；厚度方向约束的实现：通过对熔体及片材在主冷却大辊的中心线水平以上辊面利用熔体自身重力作用实现合适的包附贴辊及纵向走料方向施加一定的微张力，在厚度方向实现熔体及片材与主冷却大辊的辊面均匀有效贴紧接触，传热均匀性得以提高，这样熔体在冷却、凝固、结晶的三个不同的温度进程中的均匀性都得到保证和改善提高，采用本发明的三维约束铸片系统，可以得到高均匀度的凝固及结晶组织状态，在后面的热拉伸成膜时微多孔膜的质量均一性得到提高。

本发明的铸片系统主要包括：(1)、熔体挤出用平模头，模唇线与主冷却大辊的中心轴线平行、模头中心线/熔体出料方向与水平线之间的夹角介于0-90°，模头带有热膨胀螺栓，可以通过测厚仪对片材在宽度方向在线实时测厚后有效反馈自动调节模唇开度，从而有效调节从模头挤出时熔体的厚度均匀性；(2)、主冷却大辊，主冷却大辊的辊面两端采用具有防止熔体凝固收缩及片材热收缩的毛化处理工艺，毛化部分对凝固后的熔体起到锚固作用、毛化部分辊面的表面粗糙度Ra介于5至100微米，毛化部分的辊面宽度介于30-200毫米，毛化部分的表面粗糙度过大会影响后续的拉膜过程，后续热拉伸夹子夹持处容易破膜，毛化部分表面粗糙度太小，锚固作用不充分，冷却后的熔体及片材容易从光滑辊面局部剥离，对后续的冷却过程的传热不利；毛化部分的宽度保证至少宽度方向两边各有20-30毫米宽的熔体及片材被压边、过宽的压边量浪费材料、过窄的压边量在横向的压力不够，横向约束不充分；主冷却大辊的辊面中间部分仍然呈光滑镜面，表面粗糙度Ra小于等于0.1微米，这有利于熔体在镜面金属辊面的均匀冷却、凝固、结晶，后续拉膜精度可以保证；主冷却大辊内部有冷却用液体介质的流道，液体介质经大辊一端的旋转接头强制流动进入大辊的内部流道，熔体的热量从熔体与其紧密接触的金属辊面传递至内部强制流动的液体介质，然后经旋转接头再强制流动到外部的散热系统；主冷却大辊的辊面直径介于500至2000毫米；直径太小的主冷却大辊，熔体及片材在从主冷却大辊剥离时冷却不充分，在过程张力作用下会继续热拉伸，过程稳定性不佳、产品均匀度也得不到保证；直径过大的主冷却大辊加工精度不容易保证、设备成本也高；冷却用的液体介质的进液温度介于50-90℃，流量大于8立方米每小时，主冷却大辊的冷却介质的进液温度如果低于50℃，贴附于辊面的熔体凝固后收缩量过大、容易析出油，辊面如果出现油膜或明显的油层、后续的传热过程变差、冷却均匀性变差，铸片后的片材的组织和力学性能均匀性变差，拉膜的厚度精度和孔隙率的分布等一致性变差；主冷却大辊的冷却介质的进液温度如果高于90℃或者进液量太小，熔体及片材冷却变慢，片材晶粒容易长大，膜的成孔均匀度不佳，另外高于90℃的片材在剥离后还会在过程张力作用下存在热拉伸变形和继续结晶，不利于产品一致性；(3)、风刀附片装置，熔体从模头挤出后本发明采用风刀将熔体在风压作用下压附在主冷却大辊的辊面，防止气体卷入熔体与主冷却辊之间，风刀的唇线与主冷却大辊的中心线平行；(4)、风刀后面跟随有采用内部液冷的1至n个压边用小冷却压辊，压边用小冷却压辊的中心轴线与主冷却大辊的中心轴线平行，小冷却压辊在宽度方向将熔体或片材的两端压附在主冷却大辊的辊面的毛化区、对应熔体或片材的中间部分、小冷却压辊与之保持2-5毫米的适当间距、悬空不压，小冷却压辊的辊面两端直径相对较大、中间悬空不压的部分直径相对略小，小冷却压辊采用内部液冷、全部采用主动驱动方式、保证线速度与主冷却大辊基本同步；相邻的两个小冷却压辊将熔体或片材压边后、接触点之间的弧长介于60-400毫米、更优选介于 130-260毫米，过密的小冷却压辊布置不容易制造、传动等变得复杂、成本高，过疏的小冷却压辊布置则不利于将片材两边均匀压附于主冷却大辊的辊面；小冷却压辊的压边可以抑制熔体及片材在横向的热收缩；(5)、张力隔离辊，在小冷却压辊后面，主冷却大辊的水平线或前后位置布置有内部液冷的张力隔离辊，张力隔离辊的中心轴线与主冷却大辊的中心轴线平行、张力隔离辊的辊面直径通体一样、在熔体宽度方向将熔体或片材整体平行压附在主冷却大辊的辊面上、张力隔离辊采用主动驱动；本发明的铸片系统在张力隔离辊后面还布置有剥离辊，在张力隔离辊和剥离辊之间，片材可以贴附于主冷却大辊的辊面继续冷却结晶，剥离辊的中心轴线与主冷却大辊的中心轴线平行，剥离辊的辊面直径通体一样，将冷却后的片材从主冷却大辊的表面剥离，调整走向，片材继续流向后续的加工环节；本发明的铸片系统在张力隔离辊和剥离辊之间仍然可以采用压边用小冷却压辊，防止片材热收缩、保证片材继续均匀贴附在主冷却大辊的辊面冷却结晶、在130℃以下90℃以上的温度区间片材仍然在结晶，结晶程度的差异和均匀度也影响后续的拉膜均匀度，90℃以下聚乙烯/石蜡油的复合材料片材的结晶速度相对变慢，片材的力学强度相对提高，本发明控制片材的表面温度降低到90℃以后再进入剥离辊；本发明的铸片系统，在熔体冷却、凝固结晶过程中，主冷却大辊的辊面中间镜面部分保持干净整洁、目视没有油膜或油层，这有利于熔体的冷却速度，因为辊面油膜或油层的存在会导致热传导速率变差，油层的厚度分布不均也会导致冷却均匀性变差，对后续拉膜的厚度精度和孔隙率分布均匀性不利，因此本发明更优选控制主冷却大辊的冷却介质的进液温度介于65-75℃，冷却介质的流量优选介于15-30立方每小时。

结合以上本发明的核心思想，采用说明书附图1-7进一步解释本发明。

附图说明

说明书附图1为本发明的一种实施方式的原理图，其中主视图中1为熔体挤出用平模头，2为风刀，3-7为压边用小冷却辊，8为张力隔离辊，9为直径1600 毫米的主冷却大辊，10为剥离辊，11为冷却后剥离继续走向下道工序的片材，其中平模头1的中心线与水平线之间的夹角为30°，出料处基本位于主冷却大辊的正上方中央位置，在风刀2的高压风作用下，贴服于辊面；压边用小冷却辊在将熔体及片材压边后的弧长间隔基本保持209毫米，压边用小冷却辊详见说明书附图3，两端压边处的直径为120毫米，中间悬空不压部分的直径为115毫米，每个压边用小冷却辊均采用主动驱动，内部通有冷却介质，小冷却辊两端压边处的辊面保持镜面防止熔体与压边接触处粘附；张力隔离辊8和剥离辊 10的辊面直径通体一样，都为300毫米，详见说明书附图4，辊面也设计保持镜面；说明书附图1中的俯视图可见主冷却大辊的辊面两端12、13处各有100 毫米宽采用了毛化处理工艺、辊面中间700毫米宽仍然保持镜面；14处为主冷却大辊的冷却介质进出用的旋转接头，15为压边用小冷却辊的冷却介质的进出用旋转接头。

说明书附图2为本发明的另一种实施方式的原理图，其中1为熔体挤出用平模头，模头中心线与水平线之间的夹角为30°，2为风刀，3、4、5、7、9、 10为压边用小冷却辊，6为张力隔离辊，12为剥离辊，13为主冷却大辊，8为剥离辊后的转向导辊，其中张力隔离辊6和剥离辊12和转向导辊8的辊面直径均为300毫米，详见说明书附图4，辊面保持镜面；主冷却大辊13的辊面直径为1200毫米，辊面结构同样类似于说明书图一，辊面两端各100毫米宽采用毛化处理；小冷却辊压边之后的间隔弧长基本为235.5毫米，小冷却压辊详见说明书附图3。

说明书附图3为压边用小冷却辊的原理图，其中1为驱动电机，2为连轴器， 3为辊面，两端各100毫米宽直径为120毫米，中间悬空不压部分的直径为115 毫米，4为进出冷却介质用的旋转接头。

说明书附图4为张力隔离辊和剥离辊的一种设计示例，其中1为驱动电机， 2为连轴器，3为通体直径为300毫米的辊面，4为冷却介质进出用的旋转接头。

说明书附图5为本发明的一种实施例原理图，其中1为挤出用平模头，模头中心线水平，出料呈水平方向，2为风刀，3-11为压边用小冷却辊，12为张力隔离辊，13为剥离辊，14为剥离后的片材，15为主冷却大辊，辊面直径为 1600毫米，辊面两端各有100毫米采用毛化处理；小冷却辊压边后的弧长间隔基本为209.3毫米。

说明书附图6为本发明的一种实施例，其中1为挤出用平模头，模头中心线与水平线之间的夹角为30°；2为风刀，3为压边用小冷却辊详见说明书附图 3；4为张力隔离辊，5为张力隔离辊，8为剥离辊，6为片材转向导辊，4、5、 6、8详见说明书附图4；9为主冷却大辊，辊面直径1200毫米，两端同样各有毛化区。

说明书附图7为对比图例，其中1为铸片用压延辊，2为挤出用平模头，3 为主冷却大辊，4为冷却后的片材，5为剥离辊，其中剖面视图A-A表示熔体从模头挤出后存在的局部厚的示例。

Claims (3)

1.具有三微约束的聚乙烯微多孔膜的铸片系统，其特征在于，该铸片系统主要包括：(1)、熔体挤出用平模头，模唇线与主冷却大辊的中心轴线平行，模头带有热膨胀螺栓，可以通过测厚仪反馈自动调节模唇开度；(2)、主冷却大辊，主冷却大辊的辊面两端采用具有防止熔体收缩的毛化处理工艺，毛化部分的表面粗糙度Ra介于5至100微米，毛化部分的辊面宽度介于30-200毫米，熔体及片材至少宽度方向两边各有20-30毫米宽被压边，主冷却大辊的辊面中间部分仍然呈光滑镜面，表面粗糙度Ra小于等于0.1微米，主冷却大辊的辊面直径介于500至2000毫米，主冷却大辊内部有冷却用液体介质的流道，冷却用的液体介质的进液温度介于50-90℃，本系统运行时，主冷却大辊的辊面中间镜面部分干净整洁、目视没有油膜或油层；(3)、风刀附片装置，熔体从模头挤出后采用风刀将熔体压附在主冷却大辊的辊面，防止气体卷入熔体与主冷却辊之间，风刀唇线与主冷却大辊的中心线平行；(4)、风刀后面跟随有采用内部液冷的1至n个压边用小冷却压辊，压边用小冷却压辊的中心轴线与主冷却大辊的中心轴线平行，小冷却压辊在宽度方向将熔体或片材的两端压附在主冷却大辊的辊面的毛化区、对应熔体或片材的中间部分、小冷却压辊与之保持2-5毫米的适当间距、悬空不压，小冷却压辊的辊面两端直径相对较大、中间悬空不压的部分直径相对略小，小冷却压辊采用内部液冷、全部采用主动驱动方式、保证线速度与主冷却大辊基本同步；两个小冷却压辊将熔体或片材压边后、前后相邻压边的接触点之间的弧长介于60-400毫米、更优选介于130-260毫米；(5)、张力隔离辊，在小冷却压辊后面，主冷却大辊的水平线或前后位置布置有内部液冷的张力隔离辊，张力隔离辊的中心轴线与主冷却大辊的中心轴线平行、张力隔离辊的辊面直径通体一样、在熔体宽度方向将熔体或片材整体平行压附在主冷却大辊的辊面上、张力隔离辊采用主动驱动、控制进入张力隔离辊、压延前的片材已经实现基本凝固、温度降低到140℃以下。

2.根据权利要求1所述具有三微约束的聚乙烯微多孔膜的铸片系统，其特征在于，该铸片系统在张力隔离辊后面还布置有剥离辊，剥离辊的中心轴线与主冷却大辊的中心轴线平行，剥离辊的辊面直径通体一样，将冷却后的片材从主冷却大辊的表面剥离，调整走向，片材继续流向后续的加工环节。

3.根据权利要求1所述具有三微约束的聚乙烯微多孔膜的铸片系统，其特征在于，该铸片系统在张力隔离辊和剥离辊之间仍然含有压边用小冷却压辊，保证片材继续均匀贴附在主冷却大辊的辊面冷却结晶、片材表面温度降低到90℃以后再进入剥离辊。

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