靜電吸附裝置在薄膜拉伸領域的應用和改進

（北京機械工業自動化研究所 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方式的兩種常見工藝。

在上述膜成型生產方法中，目前應用最多的是管膜法吹塑薄膜生產技術用于生產農用膜、地膜及通用包裝材料；平膜雙向拉伸法生產的薄膜厚度均勻、拉伸強度高，主要用來生產用于制造高級包裝膜、光學膜、電池隔膜、太陽能背板膜等高端產品的薄膜。以上兩種成型方法是目前薄膜成型技術的主流方式。

圖1 薄膜成型生產方法

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。管膜法具有設備簡單、投資少、占地小、無邊料損失、操作簡單等優點，但由于存在生產效率低、產品厚度公差大等缺點，自20世紀80年代以來幾乎沒有發展，目前僅用于生產PP、PVC熱收縮膜等特殊品種。平膜雙向一步拉伸法制得的產品縱橫向性能均衡，拉伸過程中幾乎不破膜，但因設備復雜、制造困難、價格昂貴、邊料損失多、難于高速化、產品厚度受限制等問題，目前尚未得到大規模采用。而雙向兩步拉伸法設備成熟、生產效率高、適于大批量生產，被絕大多數企業所采用。

1.2 平膜拉伸工藝簡介

典型單/多層擠出-雙向二次拉伸法薄膜生產工藝流程圖如圖2所示。

1.3 擠出和鑄片系統

擠出與鑄片是指在平膜拉膜生產線上物料經過配料與混合以及結晶與干燥的過程后，物料經擠出機形成熔融體，通過計量泵前后粗、精過濾器，在計量泵壓力的推動下，強行通過模頭的長形口膜，并在外力（靜電、氣流、真空）作用下，使熔融體迅速貼附在冷鼓（也稱急冷輥）表面上冷卻結晶制成固態片材的過程。

擠出鑄片工藝流程如圖3所示。

1.4 塑料薄膜平膜拉伸設備中的附片技術

附片裝置是擠出和鑄片系統的關鍵一環，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品質量不穩定易造成產品質量缺陷。附片技術的成熟與否，直接關系到薄膜生產的成與敗。

圖2 典型單/多層擠出-雙向二次拉伸法薄膜生產工藝流程圖

圖3 擠出鑄片工藝流程圖

常見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中的應用

靜電吸附裝置附片是平膜拉伸工藝生產中應用較普遍的附片方法，特別適合于生產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，防止急冷輥快速轉動時卷入空氣，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）、高壓發生器及電極絲卷曲電機等組成。其工作原理是：利用高壓發生器產生的數千至上萬伏直流電壓（6～12kV），使電極絲、鑄片輥分別變成負極和正極（鑄片輥接地），膜材在此高壓靜電場中因靜電感應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，達到排除空氣和均勻冷卻膜片的目的。由于電極絲在生產過程中容易吸附膜材的揮發物而影響吸附效果，故而須將靜電絲設計成按一定速度運動的狀態而保持電極絲實時更新。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、高壓發生器以及三維位置調節機構等相關部件。

2 靜電吸附裝置的結構和改進

下面著重靜電吸附裝置的結構和改進的過程。

2.1 靜電吸附裝置的結構和工作原理

靜電絲（0.15～0.18mm的鉬絲或鎢絲）被接入高壓電源（6～12kV），在收絲端伺服電機的驅動下，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。通過三維調節機構，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

阻尼裝置為靜電絲保持平直的工作狀態提供適宜、穩定的張力，現對以下兩種提供收絲張力的裝置進行比較。

2.2.1 永磁鐵手調張力阻尼器

為了使靜電吸附絲始終處于緊繃狀態而又不至于被拉斷，需要在收放絲輪之間建立一定的張力，最初的設計是在放絲軸上安裝一只永磁鐵制動器，可根據經驗判斷靜電絲的張緊程度而進行手動調節制動器的扭矩，但隨著放絲輪外徑的遞減，靜電絲的張力也隨之衰減，這樣就要經常對永磁鐵制動器進行調節，這樣的設計不僅增加了操作人員的勞動強度，而且對操作人員的操作經驗提出了較高的要求。

圖5 放絲端手調張力阻尼器示意圖

2.2.2 磁滯自動張力阻尼器

鑒于永磁鐵手調張力阻尼器的諸多缺陷，我們將永磁制動器換成磁滯制動器，可通過電流調節制動器扭矩，并在收絲端安裝張力傳感器，在上位機上設定張力，根據設定張力，系統自動調節磁滯制動器的電流，閉環控制扭矩，達到張力自動調節的效果。改進后的靜電絲運行平穩，張力基本保持恒定，貼附效果顯著提高。

圖6 放絲端磁滯制動器示意圖

2.3 收絲輪排線機構的改進

靜電絲在釋放靜電的同時，還要以非常緩慢的速度行走，以達到實時更新的目的，這個過程是由收絲端伺服電機帶動收絲輪旋轉實現的。收絲輪的外徑×內徑×高度為：Φ90×Φ60×15；如果靜電絲總在收絲輪寬度的一個位置纏繞的話，勢必形成一個尖點，很容易造成垮塌現象從而引起靜電絲的張力瞬時波動，影響貼附效果，甚至造成靜電絲與膜片接觸放電、擊穿膜片的現象，因此必須在收絲端設計靜電絲的排線裝置，使靜電絲在收絲輪的寬度方向上有序排列，這樣對靜電絲的張力穩定是十分有益的。靜電絲的排線機構我們也是經過多次改進而形成今天的設計效果。

以下為改進過程。

2.3.1 圓錐齒輪傳動導輪游動排線

圖7 圓錐齒輪傳動導輪

最初的設計是在收絲主軸上安裝一圓錐齒輪副，通過圓錐齒輪副帶動凸輪軸的旋轉和垂直換向運動，通過凸輪副的運動，帶動直線導軌上的導向輪進行上下往復運動，從而達到靜電絲在收絲輪上的有序排布。通過生產過程的實踐，發現以上設計存在諸多缺陷，首先，結構復雜安裝精度難以保證；其次，由于結構的限制，圓錐齒輪的速比無法做到很大（目前是1:2），絲輪軸每轉2周，導輪就要游動一個周期，不僅造成靜電絲張力波動，而且排線間隙過大，造成收絲輪空隙過大，更換收絲輪過于頻繁。

3.2 往復螺紋導輪排線

為了簡化結構，我們借鑒了電線生產行業的布線機構，利用帶有往復螺紋的槽筒作為導向輪，實現靜電絲在收絲輪上的排布。雖然結構大大簡化了，但槽筒外徑受結構的限制無法做到大直徑，往復螺紋也難以做到多匝結構，以上的缺陷也無法有效克服。

3.3 蝸桿傳動槽輪機構收絲輪游動排線

通過以上兩種排線機構的缺陷分析，我們確定了需要突破的兩個關鍵問題：其一是導輪游動屬于強制排線，會引起靜電絲的張力波動；其二排線游動的速度如果與收絲輪轉動速度過于接近，會造成排線間隙過大，靜電絲在收絲輪上空隙過大，更換收絲輪過于頻繁。

圖8 往復螺紋導向輪示意圖

抓住以上的關鍵點，我們的研發有了明確的方向，通過參考類似機構（釣魚竿收線輪等），我們設計出第三套方案：主傳動軸設計成花鍵軸，在花鍵軸上套一個單頭蝸桿，與蝸桿配套的蝸輪端面上安裝一個偏心滾輪，偏心滾輪帶動直線導軌上的滑體做上下往復游動，滑體上裝有撥輪機構，撥輪帶動與花鍵軸配合的花鍵套往復運動，而與花鍵套剛性連接的收絲輪同時進行往復運動。由于導輪是不做往復運動的，而收絲輪的運動不會造成對靜電絲的強制移動，又能讓靜電絲整齊地在收絲輪的寬度空間上有序排列，也不會造成靜電絲的張力劇烈波動，這樣第一個問題就迎刃而解了。至于第二個問題，由于是蝸輪蝸桿傳動，其特點是可實現大速比，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定為0.2mm，這樣收絲輪寬度上排滿為：15mm/0.2mm=75匝；也就是說收絲輪旋轉75轉，由上到下游動一個周期，也就是裝有偏心滾輪的蝸輪旋轉1/2圈；這樣我們計算出蝸輪蝸桿的傳動比需要1:150（75×2），這樣收絲輪（蝸桿）每轉動150轉，蝸輪旋轉一周，而蝸輪上的偏心滾輪一個輪回。由速比可知，蝸輪的齒數需要150齒，模數為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，我們取蝸輪分度圓直徑d=φ58，齒數z=58，外徑φ60mm，速比=1:58，也就是蝸輪旋轉0.5圈收絲輪排滿一個高度，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 蝸桿傳動槽輪機構收絲輪游動排線示意圖

3 結束語

通過生產現場實踐檢驗，經過不斷改進的靜電吸附裝置，達到了一定的預期效果，得到了用戶的肯定。由于我們在拉膜生產線的項目起步較晚，比起國外先進技術還處于學習、消化的階段，因此本文中涉及的有些問題還有待進一步的研究和學習。

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