CN1202160C - 聚四氟乙烯微孔薄膜生产工艺技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜生产工艺及自动控制技术，包括原料混合，预压成型，挤压延伸，高温脱脂，双向扩幅拉伸，高温固化定型和成品收卷。为了生产微孔比较均匀的聚四氟乙烯(PTFE)薄膜，本发明在聚四氟乙烯(PTFE)树脂+溶剂+分散剂混合原料中采用了航空3号喷气燃料为溶剂，1501抗静电剂为分散剂，在40℃下进行充分、均匀混合，同时辅以实时在线检测，计算机控制，从而生产成高质量(均匀度误差小于5%)、大门幅(门幅可大于2米)、连续长度可超过800米的聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜(厚度可根据要求从10微米到80微米)，满足了不同场合的使用需求。

Description

聚四氟乙烯微孔薄膜生产工艺技术

技术领域

本发明涉及一种聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜生产工艺及自动控制技术，属氟塑料制造技术领域。

背景技术

聚四氟乙烯(PTFE)材料在所有高分子材料中，耐温特别高，又具有耐酸、硷的特点，是塑料中的佼佼者，俗称塑料王。聚四氟乙烯(PTFE)制成的微孔薄膜可以是单层面料或层压复合面料，其使用范围非常广阔，可用作化工过滤，电气绝缘等。然而，聚四氟乙烯(PTFE)材料却具有极窄的液相温度范围，以及疏松弹性体特点，从而使其难以加工成微孔孔径比较均匀，薄膜厚度均匀的大面积形状材料。国际上，至今只有少数国家，为数不多的公司能够生产这样的薄膜，且生产技术保密。例如美国GORE公司生产的聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜。在国内，至今还只能以手动操作方式少量进行生产，且生产的薄膜面积小，均匀度差，无法保证质量。例如，国内无自动控制系统只能生产的门幅宽1.2米以下的产品。其实，在生产聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜中，影响薄膜微孔孔径均匀，厚度均匀，大面积聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜连续生产的关键技术主要是，传统的生产工艺材料配方以及缺乏生产过程的在线实时测量和控制。为了满足市场需要，连续、均匀、大面积自动化生产聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜材料，必须改变现有的材料配方工艺和生产技术。为此，本发明改进了聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜生产的材料工艺配方，引入了自动控制技术，从而提供了一种连续、均匀、大面积自动化生产聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜的方法。

发明内容

本发明的目的是，通过改进原料配方工艺以及在生产过程中配置在线连续测量和控制技术，从而生产出高质量(均匀度误差小于5％)、大门幅(门幅可大于2米)、连续长度可超过800米的聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜(厚度可根据要求从10微米到80微米不等)，满足了不同使用场合的要求。

本发明聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜自动化生产工艺技术主要包括原料混合，预压成型，挤压延伸，高温脱脂，双向扩幅拉伸，高温固化定型和成品收卷等工艺。其中，在原料混合生产工艺中，本发明改进了原料混合前的原材料配方。鉴于可使用的聚四氟乙烯(PTFE)含有多种牌号，不同牌号的聚四氟乙烯(PTFE)具有不同的分子量分布及其它特性，本发明通过筛选，选择使用分子量在230万-500万、粒径在0.2-0.4微米的聚合物，并配以不同的溶剂组分，构成3元或大于3元的混合组分，并针对不同用途，确定不同的工艺配方与相对应的工艺操作条件。微孔薄膜制作的工艺过程如下：

1.原料混合：将聚四氟乙烯(PTFE)树脂+溶剂+分散剂按一定的比例进行充分混合。本发明改进采用的溶剂为航空3号喷气燃料，是一种烃类有机物，占配方混合原料的25％-43％重量百分比；分散剂为1501抗静电剂(烷基水氧酸铬与丁二酸异辛脂磺酸钙复合物)，其组份随溶剂变化而变化，占溶剂的0.1％-0.25％重量百分比。配方原料在40℃下进行充分、均匀混合，混合搅拌器转速低于2转/分。

2.混合后的原材料进入模具进行预压，预压油压缸压力为0.4兆帕(MPa)，预压温度为65℃，形成直径12厘米的柱型模胚。

3.模胚进入挤压机进行挤压，挤压缸温度为85-95℃，挤压形成片状长带(片膜宽度大于250毫米，厚度0.1-0.4毫米)。

4.挤压后的膜片进入脱脂箱进行脱脂。脱脂温度为180℃，停留时间为0.2-1.0秒。

5.脱脂后的聚四氟乙烯(PTFE)基带进入扩幅机，经扩幅机双向拉伸，生成高质量(均匀度误差小于5％)、大门幅(门幅可大于2米)的聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜，厚度为10-80微米。在本工艺中，配置了生产过程的在线实时测量和控制，并采用了温度、拉伸速度挑速的计算机控制。

6.最后，在320-360℃高温下，经固化定型，制成聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜产品。

与传统工艺比较，本发明混合原料配方使用的溶剂为航空喷气燃料，不同于传统溶剂石蜡油，这样既改进了聚四氟乙烯(PTFE)薄膜微孔孔径的均匀度，又方便了薄膜产品的工艺处理。混合原料配方中的分散剂也根据溶剂组分比例的变化而相应变化。其次，从上述生产工艺可知，聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜系采用双向拉伸方法制作。为保证获得均匀薄膜，本发明在聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜自动化生产过程中，配置了在线薄膜厚度连续快速测定，并在拉伸力和薄膜回弹力之间找到最佳平衡点，由计算机控制，从而制造成均匀、合格的大面积薄膜。本发明中使用的计算机控制，其硬件为分布式计算机控制系统(DCS)，这种控制系统已广泛应用于各种工业过程，但将分布式计算机控制系统(DCS)运用于聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜的制造，关键是要编制合适的控制软件。分布式计算机控制系统(DCS)采样周期在5秒到0.5秒之间自由选择。考虑到薄膜生产过程中整个薄膜厚度是互相关联的，难以获得理想的效果。本发明将多变量解耦控制成功地引入微孔薄膜的生产，获得了优良的控制效果。此外，本发明控制系统采用前馈+反馈的控制方式，有效地克服了扰动的影响。分布式计算机控制系统(DCS)的使用给操作人员带来了极大的方便，具有直观、清晰的屏幕显示及完整的操作结果打印。

解耦控制原理简述如下：

对现代控制系统一般有状态方程式：

X＝AX+Bu，Y＝CX

X：状态变量；A：状态矩阵；B：输入矩阵；U：输入变量；

Y：输出变量；C：输出矩阵

C＝{1  0  0  …  0}

在此，假设X表示为薄膜的厚度变量，当对某一个厚度Xi进行调整时，会对旁边的厚度造成干扰，用简单的控制系统无法获得满意的效果，这就需要我们采用先进的控制方法克服状态变量之间的相互耦合，实现精确控制才能获得满意的控制效果。为此，采用了下面的解耦控制方法：

在原系统中信号A的变化将通过耦合关系影响到状态B的变化，好象存在一个通过干扰通道传递函数Gf2起作用的干扰信号。同样，信号B的变化通过耦合影响到状态A。在全部膜厚度控制中，互相影响难以获得理想的控制质量。通过引入解耦矩阵D，正确选择D₁₁，D₁₂，D₂₁，D₂₂，就可以进行补偿，消除相互之间的耦合影响，如果能够在传递函数中使X₁(或X₂)与X_s2(或X_s1)之间的影响为零(即分子项为零)，则达到了消除耦合的影响。对解耦控制来说，选择D₁₁，D₁₂，D₂₁，D₂₂是关键，但基础是要准确了解对象系统的传递函授，这样才能使补偿有效，获得满意的控制质量。

解藕控制补偿原理如下：

一.原系统的传递函数为：

$X_1=\frac{G_1{G}_{11}}{1-G_1{G}_{11}-G_2{G}_{22}+G_1{G}_{11}{G}_2{G}_{22}}{X}_{s1}+\frac{G_2{G}_{12}}{1-G_1{G}_{11}-G_2{G}_{22}+G_1{G}_{11}{G}_2{G}_{22}}{X}_{s2}$

$X_2=\frac{G_2{G}_{22}}{1-G_1{G}_{11}-G_2{G}_{22}+G_1{G}_{11}{G}_2{G}_{22}}{X}_{s2}+\frac{G_1{G}_{21}}{1-G_1{G}_{11}-G_2{G}_{22}+G_1{G}_{11}{G}_2{G}_{22}}{X}_{s1}$

从上面传递函数的式子里可以看到，由于G12及G21的存在不等于零，式子中第二项不为零，出现交叉耦合现象。

G_f1，G_f2为干扰通道传递函数，对状态之间耦合造成的影响，也可以认为是其它状态变量的变化对该对象造成的干扰。通过引入解耦矩阵D，并通过合适的解耦矩阵元素，对状态之间的相互干扰进行补偿，使当发生某一状态超出要求范围时，改变控制作用，可对这一状态进行控制而不对其它状态现场干扰，具体对偶矩阵中的元素计算方法，下面进一步予以说明。

二.解耦系统的传递函数为

其中：

特征式＝1-G₁D₁₁G₁₁-G₂D₁₁G₂₂-G₁D₁₁G₂₁G₂D₂₂G₁₂-G₁D₂₁G₂₂G₂D₁₂G₁₁-G₂D₁₂G₁₁G₁D₂₁G₂₂-G₂D₂₂G₁₂G₁D₁₁G₂₁+G₁D₁₁G₁₁G₂D₂₂G₂₂

在上面二个式子中，如果选择合适的D₁₁，D₁₂，D₂₁，D₂₂，就可以进行补偿，消除相互之间的耦合影响，即D₁₁，D₁₂，D₂₁，D₂₂的选择使上二式中后一项的分子为零。即：

G₂D₁₂G₁₁+G₂D₂₂G₁₂＝0与G₂D₁₂G₁₁+G₂D₂₂G₁₂＝0

这个设置是通过计算机控制系统中的参数软件编制设定。

本发明的优点是，改进、完善了制造聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜的工艺技术。提供的三元原料配方以及将分布式计算机控制系统(DCS)运用于聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜制造，不但获得了具有良好延伸性能的基础材料，而且已制成厚度在10-80微米可调的，大幅度(宽1.5-2.4米)，连续长度达800米以上的均匀微孔薄膜。生产的聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜均匀度误差小于5％。是一种聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜自动化连续生产的实用工艺技术。

附图说明

图1是本发明生产工艺过程框图，其中，1是原料混合，2是预压成型，3是挤压延伸，4是高温脱脂，5是双向扩幅拉伸，6是高温固化定型，7是成品收卷。

图2是本发明挤压延伸，高温脱脂工艺示意图。其中，8是油压汽缸，9是挤压活塞缸，10是挤压轮，11是聚四氟乙烯(PTFE)基带，12是导向辊，13是脱脂烘箱。

图3是本发明双向拉伸扩幅，固化定型及自动控制工艺示意图。其中，14是计算机控制台，15是电气操作控制柜，16是电气连接线缆，17是加热控制区，18是高温固化区，19是纵向拉伸，20是连续双向拉伸，21是横向拉伸。

图4是采用本发明方工艺技术造的高质量大门幅聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜显微照片。其中，22是聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜。

具体实施方式

下面结合附图说明符合本发明主题的实施例

鉴于聚四氟乙烯(PTFE)有多种牌号，不同牌号的聚四氟乙烯(PTFE)具有不同的分子量分布及其它特性，本实施例通过筛选，选择使用分子量在230万-500万、粒径为0.2-0.4微米的聚合物，并配以不同的溶剂组分，构成3元混合组分，并针对不同用途，确定不同的工艺配方与相对应的工艺操作条件。主要工艺包括：原料混合1，预压成型2，挤压延伸3，高温脱脂4，双向扩幅拉伸5，高温固化定型6，成品收卷7。下面按工艺实施制造聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜22。

1.首先进行配料原材料混合，将聚四氟乙烯(PTFE)树脂+溶剂+分散剂按30∶10∶1比例配料混合。其中，溶剂为航空3号喷气燃料，分散剂为1501抗静电剂(烷基水氧酸铬与丁二酸异辛脂磺酸钙复合制成)，配方原料在40℃下进行充分、均匀混合，混合用搅拌器转速低于2转/分。

2.混合后的原料进入模具进行预压，预压油压缸8压力为0.4兆帕(MPa)，预压温度为65℃，形成直径12厘米的柱型模胚。

3.模胚进入挤压机进行挤压，挤压缸9温度为85-95℃，经挤压轮10挤压形成片状长基带11(宽度大于250毫米，厚度0.1-0.4毫米)。

4.挤压后生产出来的膜片由导向棍12导入脱脂箱13进行脱脂。脱脂温度为180℃，停留时间为0.2-1.0秒。

5.脱脂后的聚四氟乙烯(PTFE)基带11进入扩幅机，经过纵向19和横向21连续双向拉伸20以及工艺过程在线实时厚度、温度测量，由电气连接线缆16输入计算机控制台14，并由电气操作控制柜15通过电气连接线缆16控制加热控制区17温度及涉及生成过程温度、油压、纵向19和横向21拉伸速度挑速电机调速的计算机控制，从而生成高质量(均匀度误差小于5％)、大门幅(门幅可大于2米)的四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜22，厚度为10-80微米。

6.最后，在320-360℃高温固化区18，将生成的四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜22固化定型成产品。

在上述实施制造中，聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜22采用双向拉伸方法制作。为了获得均匀薄膜，本实施例配置连续在线快速测定薄膜厚度，并在拉伸力和薄膜回弹力之间找到最佳平衡点，由计算机控制。本实施例计算机控制的硬件为分布式计算机控制系统(DCS)，将分布式计算机控制系统(DCS)运用于微孔薄膜制造，关键在于编制控制软件。分布式计算机控制系统(DCS)其采样周期在5秒到0.5秒之间自由选择。考虑到薄膜生产过程中整个薄膜厚度是互相关联的，难以获得理想的效果。本发明将多变量解耦控制成功地引入微孔薄膜的生产，获得了优良的控制效果。分布式计算机控制系统(DCS)还采用了前馈+反馈的控制方式，有效地克服了扰动的影响，分布式计算机控制系统(DCS)的使用给操作人员带来了极大的方便。计算机操作系统还具有直观、清晰的屏幕显示及完整的操作结果打印。

Claims (2)

1、一种聚四氟乙烯微孔薄膜的制造方法，包括原料混合，预压成型，挤压延伸，高温脱脂，双向扩幅拉伸，高温固化定型和成品收卷工艺，其特征在于制造聚四氟乙烯微孔薄膜的方法包括：

a：原料混合：将聚四氟乙烯树脂+溶剂+分散剂在40℃下进行混合，混合时搅拌器转速低于2转/分；

b.混合后的原料进入模具进行预压，预压油压缸压力为0.4兆帕，预压温度为65℃，形成直径12厘米的柱型模胚；

c.模胚进入挤压机进行挤压，挤压缸温度为85-95℃，挤压形成宽度大于250毫米，厚度0.1-0.4毫米的片状长带；

d.挤压后的膜片进入脱脂箱进行脱脂，脱脂温度为180℃，时间为0.2-0.1秒；

e.脱脂后的聚四氟乙烯基带进入扩幅机，在线实时测量和控制膜厚和温度，并由分布式计算机控制系统，通过计算机控制系统参数软件编制设定的多变量解耦控制设置以及前馈+反馈控制，对温度，拉伸速度挑速进行控制，双向拉伸片状长带后，生成均匀度误差小于5％、门幅大于2米的聚四氟乙烯微孔薄膜，薄膜厚度为10-80微米；

f.在320-360高温下，固化定型聚四氟乙烯微孔薄膜，成品收卷。

2、根据权利要求1所述的聚四氟乙烯微孔薄膜制造方法，其特征在于采用的溶剂为航空喷气燃料，占混合配料25％-43％重量百分比；分散剂为烷基水氧酸铬与丁二酸异辛脂磺酸钙复合物抗静电剂，组份配比：占溶剂的0.1％-0.25％重量百分比。

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