塑料擠出雙向同步拉伸電池膜機組研發(fā)

孫鳳萍，魯敬

（大連橡膠塑料機械股份有限公司，遼寧 大連 116039）

塑料擠出雙向同步拉伸電池膜機組研發(fā)

孫鳳萍，魯敬

（大連橡膠塑料機械股份有限公司，遼寧 大連 116039）

目前國內(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、性能可靠等優(yōu)點，主要技術(shù)指標達到國外進口先進設(shè)備水平。同步拉伸機是設(shè)備的關(guān)鍵部位，其中的夾子裝置和熱風循環(huán)系統(tǒng)更是重中之重。

電池膜；鋰電池；同步拉伸機；熱風循環(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、便攜式計算機、攝像機、照相機等。目前隨著電動汽車用大容量鋰電池的開發(fā)及風電行業(yè)儲能鋰電池的應(yīng)用，電池膜的市場需求將大幅增加。由于我國的電池膜生產(chǎn)起步晚，加上發(fā)達國家的技術(shù)封鎖，目前我國的電池膜80%依賴進口。國內(nèi)少數(shù)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的電池膜只能用于低端市場，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)備已基本實現(xiàn)了國產(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。受國外專利保護方面的制約及國外對中國高新技術(shù)封鎖，國內(nèi)真正進口的電池隔膜生產(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口設(shè)備改造而成的。

大連橡膠塑料機械股份有限公司自行研制的雙向同步拉伸電池膜機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、運行平穩(wěn)、性能可靠、電氣控制自動化水平高等多方面優(yōu)點。主要技術(shù)指標達到國外進口先進設(shè)備水平。該機組的主要創(chuàng)新點是采用橫、縱雙向同步拉伸的方法對薄膜進行拉伸，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對形成微孔的薄膜進行干燥定型制得電池膜。設(shè)備價格遠低于同類進口設(shè)備，填補了國內(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，物料經(jīng)擠出機塑化后輸送到模頭擠出膜片，膜片經(jīng)過冷卻定型后，牽引至同步拉伸機，經(jīng)同步拉伸機雙向拉伸成寬、薄的膜，拉伸后的膜經(jīng)萃取裝置進行置換反應(yīng)形成微孔，成孔后的膜經(jīng)過橫向拉伸干燥機干燥定型，最后送到卷取機卷?。ㄒ妶D1）。

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，大連橡膠塑料機械股份有限公司先后開發(fā)研制了膜寬1.2 m、2.4 m及3 m三種規(guī)格的機組。各機組均已進入正式生產(chǎn)階段，生產(chǎn)的電池隔膜在厚度偏差、孔隙率、拉伸強度、收縮率等各項指標均能達到國際先進水平，運行平穩(wěn)，性能可靠。

2.1 擠出機

擠出機的作用是將攪拌后的液態(tài)物料進行充分混合、混煉、塑化并輸送到機組下一部件。本機組擠出機采用同向雙螺桿擠出機，雙螺桿擠出機主要由主電機、力矩限制器、減速器、機筒、螺桿、機筒冷卻裝置等組成。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線花鍵配合確保螺旋元件的互換性。專門針對電池膜獨特配方設(shè)計的螺桿結(jié)構(gòu)及超大長徑比設(shè)計，保證物料在擠出機中充分的混合塑化及低溫擠出。主電機與減速器之間安裝備有力矩限制器，當負載超過力矩設(shè)定值時，聯(lián)軸器會自動脫開，起到保護螺桿的作用。

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，保證輥筒運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。

2.3 同步拉伸機

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

傳動裝置由一個電機直聯(lián)減速器通過傳動軸帶動兩端角減速器，由角減速器出軸將動力傳到入口和出口兩側(cè)，再經(jīng)過同步帶輪帶動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。傳動裝置原理見圖2。

圖2 同步拉伸機傳動裝置原理圖

在傳動側(cè)和操作側(cè)各有兩套手動盤車裝置。盤車裝置的作用是手動調(diào)整夾子位置及各部間隙。當設(shè)備最初安裝及出現(xiàn)異常安全銷斷裂時，能單獨驅(qū)動一側(cè)的減速器將夾子位置調(diào)整正確。在每個入口和出口鏈輪上都安裝有安全裝置，當負載超過安全銷的承載能力時，安全銷剪斷，起到保護夾子的作用。

夾子裝置是同步拉伸機的關(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大夾子和一個小夾子組成（見圖3）。通過夾子并攏和打開實現(xiàn)對薄膜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，在加工過程中利用特制工裝保證加工尺寸的一致性。

熱風循環(huán)系統(tǒng)是同步拉伸機的一個非常重要的組成部分。保溫房內(nèi)控溫精度及風速均勻性對膜品的質(zhì)量有很大的影響。熱風循環(huán)系統(tǒng)由熱風循環(huán)裝置、保溫房等組成。 熱風循環(huán)裝置由循環(huán)風機、進風管、靜壓箱等組成。靜壓箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定風速的均勻性及控溫精度，靜壓箱采用特殊結(jié)構(gòu)，可使風速控制精度達到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)過拉伸后的薄膜在萃取液中停留一定的時間，通過萃取液將薄膜中的溶劑萃取出來，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行防爆設(shè)計，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)動同步及防止輥筒轉(zhuǎn)動對薄膜有拉伸，上、下排所有輥筒全部一個電機通過傘齒輪減速器帶動。

2.5 橫向拉伸干燥機

橫向拉伸干燥機的作用是對經(jīng)過萃取的薄膜進行干燥定型，同時將附著在薄膜表面的萃取劑排入回收裝置。

橫向拉伸干燥機入口處設(shè)有氣液糾偏裝置，膜片跑偏介質(zhì)為氣體，當薄膜跑偏或幅寬發(fā)生變化時，通過糾偏檢出傳感器上小孔的氣體流通量將發(fā)生變化，此信號通過伺服閥打開與氣體流通量變化對應(yīng)的液壓通路，在液壓缸的驅(qū)動下，入口軌道及夾子作相應(yīng)移動，達到糾偏效果。

導(dǎo)軌為鑄造件，夾子滑動的軌道槽內(nèi)裝有非金屬材料的自潤滑耐磨條，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，為了防止工作時軌道受熱膨脹鏈條變松，漲緊裝置具有熱膨脹自動補償功能。

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

2.6 收卷機

由于電池隔膜具有特殊的微孔結(jié)構(gòu)，要保證在收卷過程中，卷取平整并不對薄膜造成拉伸，就必須使薄膜在收卷過程中保持恒定的10～40 N的微小張力。為滿足這一要求，收卷機中所有牽引輥及過輥全部同步帶傳動。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)裝置來設(shè)定，浮輥自身的重量被平衡輥抵消掉，浮輥對薄膜的張力只通過低摩擦氣缸來給定，通過比例閥調(diào)節(jié)低摩擦氣缸的氣壓來設(shè)定薄膜的張力，使薄膜在恒定的張力下卷取。

3 結(jié)束語

目前國內(nèi)外生產(chǎn)的隔膜大部分用于計算機、通信及消費類電子產(chǎn)品鋰電池的生產(chǎn)。隨著新能源電動汽車的發(fā)展，未來鋰電池隔膜將大量用于電動汽車鋰電池的生產(chǎn)，市場前景非常方闊。當然，汽車動力電池在大容量、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開發(fā)出新型硬質(zhì)熱塑性彈性體

新近，美國Elastocon熱塑性彈性體技術(shù)有限公司開發(fā)出一種新型硬質(zhì)熱塑性彈性體，非常適合用來制備汽車裝飾環(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，可調(diào)整定制，使其阻燃級別達到UVL-0級。

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

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

2014-08-14