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鋰電池極片涂布過程起皺原因分析及對策

文章作者頭像
發布:liuxianglong 來源: 鋰電前沿
PostTime:25-4-2020 09:50
涂布是將具備特定功能的材料附著在目標基材表面,取代原有基材的固氣界面,以保護基材或改善基材的表面功能

以下為文章全文:(本站微信公共賬號:cartech8)


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涂布是將具備特定功能的材料附著在目標基材表面,取代原有基材的固氣界面,以保護基材或改善基材的表面功能,賦予基材新的功能特性;或直接利用涂層的表面特性,以提高最終產品的使用價值或利于后續加工。

近幾年,隨著涂布基材快速發展、精密電子產業以及新能源產業的迅速崛起,現代工業產品的制造對于涂布技術和涂布環境提出了越來越高的要求,如各種平面顯示器的光學膜、軟性印刷電路板以及新能源相關的鋰離子電池電極等。精密涂布應用范圍不斷擴大使得早期的紡織涂布逐漸被更薄更精密的薄膜涂布所代替。而薄膜相對紡織品,基材更薄,耐溫情況偏差,在涂布過程中更加容易產生起皺情況,給工藝技術帶來較大的挑戰。

文中所描述的涂布,并不是狹義上單指涂布工段,而是廣義上泛指實現涂布產品的整個生產線,包括放卷、涂布上膠、烘道、收卷、牽引、復合等。本文將總結涂布過程中容易發生起皺的原因及解決方案,為技術人員提供一定的參考。

原因分析及解決對策

設備問題

導向輥的不平行

從設備安裝角度來看,不論精度多高的設備,在運行了一段時間后,由于涂布片材在運行各張力的作用下會導致作用包角的導向輥發生偏移,而實際生產過程中發生褶皺,沒有經驗的生產班組以及技術人員,特別是對沒有采取過程零缺陷控制的企業來說,往往第一時間會做導向輥的調整,而忽視了真正引起褶皺的其他幾方面原因,從而導致導向輥的上下或左右不平行變成影響起皺的最主要原因。

解決方案:首先需測量觀察不平行的單根導向輥的左右直徑是否一致,若不一致則需直接更換導輥;若左右直徑一致則需要調整。具體調整方法:選擇好基準點,先目測平行度,觀察導向輥之間的間隙,之后再用輔助工具做測量,工程上最實用的測量方法是用卷尺繞過兩根導向輥形成閉環橢圓讀取周長,根據數據差異做出相應調整。

導向輥的安裝問題

設備在安裝導輥時,若兩根導輥間隙過小,在沒壓合之前容易將薄膜擠成褶皺。生產運行過程中,由于導輥運轉不佳或導輥表面有臟物造成膜不能伸展。

解決方案:增大導輥間隙,減小片路中對導向輥的包角。導輥軸承應按時加潤滑油,及時清理導輥表面臟物,保持導向輥干凈無異物。

復合壓力的問題

設備上,存在氣缸、結構、膠輥設計不合理以及安裝不到位的情況,導致復合輥兩側的壓力不一致。

工藝上,存在膠輥壓力設置過大的問題,導致薄膜過輥面時被壓成褶皺印。

生產計劃上,不同門幅產品之間的生產切換,主要是門幅窄的產品切換成門幅寬的產品,特別是門幅窄的產品生產時間越長,從橡膠輥剖面微觀上分析,越容易在窄門幅對應尺寸上形成一定的凹印,成為“啞鈴”形狀,見圖1。此時切換成寬門幅產品時,該凹印處會出現受力不均的情況,輕的形成壓痕印,嚴重的導致起皺。

(a)正常橡膠輥狀態

(b)變形后的橡膠輥狀態

圖1 橡膠輥狀態

解決方案:設備定期做復寫紙測試,兩張A4紙夾著復寫紙,抬輥各自放置在輥子的兩頭,然后壓輥,取出,根據復寫紙壓痕的深度來判定兩側的復合壓力是否一致,若不一致需要做調整;工藝方面可以適當地減少復合壓力;生產線最好安排生產同一種門幅的產品,或盡量避免長時間只安排生產窄幅產品,寬窄產品可穿插安排生產。

強制性糾偏

基材運行時,其邊緣位置由于不能穩定地固定在一個位置上行走,會出現“蛇形”現象,因此需要設定糾偏裝置來防止偏歪。但若糾偏位置匹配不當或校正不合理,則會發生強制性糾偏,此現象不是因為涂布過程中的自然走形,而是因為放卷位置與收卷位置不在一條線上而發生的強制性糾偏。該情況對于生產線長度偏短的生產線而言更加敏感,而對于長度稍長的生產線由于緩沖空間較大,會在生產過程中發生累計糾正,最終不影響整體生產狀態。

解決方案:關掉放卷或收卷糾偏,讓其通過自然走位到穩定位置后打開糾偏,做好位置標識,并作為放卷和收卷的固定位置。

氣漲軸偏心

氣漲軸一旦發生一邊有氣一邊沒氣的情況,整體的卷姿便會發生偏心。從側向微觀上來看,是由長方形變成了“子彈頭形”,見圖2。生產受力在緊的一頭,扁的一頭處于松弛狀態,從而形成受力松緊不一的情況導致褶皺。

解決方案:更換氣漲軸。

(a)正常狀態

(b)偏心狀態

圖2 氣漲軸形態

基材問題

基材自身的張力不均勻

涂布過程中,基材不論是自產或者外購,都已是成卷的材料,會存在基材放卷出來有本文描述的這些情況。有橫向的寬幅單邊松緊差異,生產過程中張力作用在緊的一邊,收卷時松的一邊成為蓬松狀態而產生起皺;有縱向的松緊波動,生產過程中由于跟蹤輥的速度差導致涂布過程上膠不均勻。

解決方案:可以直接更換基材或適當加大基材的放卷張力,但不可過大。

基材在生產時發生的形變

基材在生產中發生變形主要受溫度、受張力以及遇水收縮的影響。

如PET膜,其正常的軟化溫度為150 ℃~180 ℃,當原膜粒子混有雜質或使用回收膜拉延出來的PET膜,其軟化溫度不足150 ℃,靜態時的熱收縮測量暫無好的方法,生產在一定的工藝參數下會導致薄膜在烘箱中由于受溫度作用而產生收縮起皺。

如熱熔膠膜,在受溫度及張力的作用下會產生展平,收卷后由于熱脹冷縮及自身彈性的作用使得膠膜自身產生收縮,會導致收卷的產品產生起皺,特別是兩種不同基材復合的情況,上基材與下基材的收縮情況不一致將產生鼓起或橘皮情況。

如全棉布,當所涂膠的膠黏劑為水性膠時,全棉布會遇水收縮,由于涂膠寬度是按照收縮前進行設定的,若沒有定形設備,涂膠烘干后會在收縮處形成膠皮。同時全棉布也有遇熱收縮的特性,生產過程中受溫度影響會發生收縮。因此,當與其他基材復合經過有溫度的熱輥時,會產生一定的形變。合理的工藝條件下,由于涂布過程中有張力的作用,這種形變發生的不明顯,當卷材成卷后,若上下基材結合力不夠,或者上膠不勻,會在結合力不夠或上膠不勻處產生收縮差,由于這種形變發生是不可逆的,便出現了橘皮、鼓起等起皺現象。

解決方案:保證產品復合牢度及烘干的前提下,降低熱輥或烘箱溫度,保證產品正常涂布中減小或無放卷張力,同時使收卷張力盡量偏大。

基材張力不匹配

該原因引起的褶皺主要為豎向和斜向。豎向褶皺原因:過程張力過大,復合時無法展平,上下基材復合后起皺。斜向褶皺原因:過程張力過大、糾偏不當,造成基材本身松緊不一,受力不均勻,有規律地向松的一邊皺疊。

解決方案:基材厚度越小則張力越小,基材門幅越窄則張力越小。若沒有遵循該原則,張力不匹配則容易出現起皺;恒張力放卷、錐度張力收卷是一般生產中采用的張力設定原則,若設定不合理則容易在生產過程中隨著卷徑的變化而出現褶皺。

工藝問題

張力波動引起的變化

實際生產過程中,牽引輥運行速度一般要比前工段速度偏大,從而發揮牽引的作用,若設定不合理,便會產生起皺。同時如果基材存在縱向的松緊,在涂布過程中由于張力輥(跟蹤輥)的作用會存在松緊變化,引起起皺。設備方面電機運行頻率波動大也會影響整個生產過程中的松緊變化,從而引起起皺。

解決方案:若是基材自身的問題則直接更換基材;若是工藝上張力設定過大則適當降低張力;若是設備問題則需要維護或更換備用配件。

加熱溫度過高

當工藝有對涂布后薄膜進行復合的設定時,由于加熱溫度過高,在復合時薄膜橫向被燙成橫向褶皺,或者由于溫度過高而產生變形起皺。

解決方案:降低溫度。

膠層過厚

膠層過厚,特別是膠黏劑的黏度偏大時,兩種基材經復合擠壓后容易產生滑動而引起起皺。

解決方案:適當降低涂層厚度,或者涂層厚度不變而降低固含量,或選擇膠黏劑黏度偏小的原材料。

總之涂布過程出現起皺現象將會影響產品的外觀、性能及最終用戶的體驗。本文從導向輥不平行、導向輥安裝、復合壓力以及強制性糾偏、氣漲軸偏心等設備問題,從基材自身的張力不均勻、基材在生產時發生的形變、基材張力不匹配等基材問題,從生產過程張力波動引起的變化、加熱溫度過高、膠層過厚等工藝問題,即三個方面分別做了起皺原因分析并提出了解決方案。涂布過程防止起皺是需要一線技術人員和生產人員結合現場經常總結的工作。實際生產中,產品不同或者涂布方式不同都會引起起皺現象,甚至也有可能出現超出本文描述的起皺范疇,這就要求操作人員平時細心觀察、及早發現,技術人員及時分析案例、做好總結,從而避免各類原因造成的起皺問題,保證產品質量穩定。

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