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    涂布機設設計原理和操作使用基礎

    來源:洪邦機械 發表于:2020-05-25 點擊量:

    一.涂布工藝基礎

    1.輥式涂布工作原理
     所示是我們涂布機的涂布工作原理,我們涂布機的工作原理由兩個過程:(1)順轉輥定厚過程(2)逆轉輥涂層轉移過程
    三輥涂布
    (1)順轉輥涂布及其涂布窗口:
    先介紹涂布技術中的術語-涂布窗口
    任何涂布形式(方法)都有一個適用范圍,在一定操作條件(范圍)內能進行無弊病的涂布,也就是將流體薄層均勻地涂布到支持體上,這個涂布操作的范圍在涂布技術中稱為涂布窗口。
    在我們的涂布機中,是靠調節順轉輥涂布中由兩根轉動方向相同的涂布輥和計量輥之間的計量間隙來控制,在涂布輥上的形成的需要厚度的涂層。我們的涂布方式是順轉輥的特殊形式,即其中一根計量輥不轉動即轉速為零,計量輥的截面做成逗號形狀,也叫逗號刮刀。我們的涂層厚度可以通過改變逗號刮刀和涂布輥之間的距離來調節。
    ?在我們這種特殊的順轉輥涂布形式中,在操作不當,刀口位置偏離工作位置,涂布參數和漿料參數不在某一范圍內,可能會出現豎條道弊病,見圖3.7,稱為豎條道,其表觀現象如燈心絨布。 

    式中:H 兩輥間的間隙,R—兩輥的當量半徑,μ—流體黏度, U—輥的表面線速度,σ—流體的表面張力。
      圖中在曲線下部的均勻涂布區域,也就是H –兩輥間的間隙,R—兩輥的當量半徑,μ—流體黏度, U—輥的表面線速度,σ—流體的表面張力。
    它們的相互關系滿足圖中的條件時,也就是在毛細準數Ca=μU/σ數值較小的范圍,間隙/輥徑比H/R較大時,能進行均勻涂布,涂布條件進入了涂布窗口。
    在極片涂布中,漿料黏度比較大,因此涂布速度受到限止,只能在較低的速度涂布。另外,如果在輥筒直徑已經確定的情況下,較大的間隙,有利于均勻涂布。
    (2)逆轉輥涂布及其涂布窗口
    在我們的極片布機中,在涂布輥上的漿料涂層是在亮輥間隙區轉移到轉動方向相反背輥上包繞的銅箔或鋁箔上。因此其涂布過程也必須滿足逆轉棍涂布的規律。
    ?逆轉輥涂的涂布窗口
    圖中,速度比= Vm/Va, 毛細準數Ca=μU/σ,  式中Vm—背輥表面速度, Va—涂布輥表面速度,μ—流體黏度, U—輥的表面線速度,σ—流體的表面張力
     圖3.14 中的穩定區,也就是逆轉輥涂布窗口??梢钥吹侥孓D輥涂布窗口比較小。
    圖中的豎條道區出現的弊病類似圖3.7豎條道涂布弊病。
         圖中所指噴涌現象見圖3.13,這種現象在極片涂布過程中,在涂布速度比較高,間隙比較大的情況下會出現。也就是漿料不能轉移到基片上,流到下部料盤中。這也就是高黏度漿料涂布速度受限制的原因之一。    
       在逆轉輥涂布過程中,如果兩輥間隙比較小,毛細準數足夠低,也就是在黏度或速度比較小情況下,在比較寬的速度比率范圍內的的流動比較穩定。能得到比較好的涂布表觀質量。如果間隙比較大,在涂布速度較高時,就容易出現空氣夾帶,在涂層表面有許多微小氣泡。 
    有時為了增加產量,采取提高涂布速度,有可能出現出現空氣夾帶弊病,為了消除這種弊病,采取減小間隙的操作方法。過小的間隙,使涂布輥和背輥相互擠壓,額外地增加了電機和減速機的負載,造成不正常的磨損。這也是漿料在逆轉輥轉移涂布速度受限止的原因之二。 
    二.干燥的工藝基礎
    1.涂布和干燥的相互關系
    干燥過程和涂布過程各自獨立,又相互聯系。
    ?涂層的性質,影響到干燥工藝的設計和操作
    ?涂布速度、涂層的厚度-決定干燥長度
    ?干燥過程中涂層有流平過程
    因此一臺涂布在設計過程中能否準確地運用最佳的涂布、干燥工藝,平衡兩者的關系,最終影響到涂布機的綜合技術性能。
    2.極片干燥的方式
    極片干燥有多種方式,目前應用的有如下幾種:
    (1)遠紅外輻射干燥特點和應用
     遠紅外干燥是用遠紅外發射元件將熱能輻射到干燥物體表面,使液體蒸發汽化進行干燥。特點:
    ?其干燥速度主要取決于輻射溫度,溫度高,干燥速度快。
    ?其優點是設備比較簡單,因此都在比較低擋的涂布機中應用。
    ?其缺點是干燥效率低,干燥不均勻,容易產生干燥弊病。
    (2)熱傳導熱鼓干燥特點和應用
    熱鼓干燥是干燥物體背面緊貼于加熱的轉鼓表面,熱能通過傳導傳遞到干燥物體,使液體蒸發汽化進行干燥。起特點是:
    ?干燥速度取決于熱鼓的溫度
    ?設備比較笨重,
    通常應用于紙張和布匹干燥,因此在極片涂布機中應用很少見。
    (3)雙面送風飄浮干燥的特點和應用
    漂浮干燥是在干燥片材雙面設置特殊設計的風嘴,送高速噴射的氣流,在空氣流動附壁效應的作用下,垂直作用到干燥片材上,在氣流的作用下,干燥片材呈漂浮狀態進行干燥。形成漂浮干燥的條件及其特點:
    ?在干燥片材的雙面設置風嘴
    ?風嘴設計能產生附壁效應
    ?有足夠高的噴射風速
    ?干燥時片狀干燥物料呈漂浮狀態
    ?能進行雙面干燥,干燥效率高
    其缺點是:
    ?雙面送風動力消耗大
    ?干燥設備結構復雜龐大
    漂浮干燥在紙張涂布機的干燥中廣泛采用。紙張是滲透性材料,濕涂層中的水分(溶劑)可以滲透到背面,因此可以進行雙面干燥,具有干燥效率高的優點。但是鋰離子電池極片的基材是銅箔和鋁箔,漿料的溶劑不能滲透到背面干燥,干燥過程只發生在涂布漿料的一面。因此漂浮干燥的優點不能在極片干燥中發揮出來,反而造成干燥能源(加熱、送風)的浪費。因此日本平野的設備機構比較復雜,價格昂貴,而且能源消耗大,設備運行成本高。
    國內有的公司生產的極片涂布機,在形式上模仿日本涂布機的雙面送風,但他們的風嘴結構不能產生附壁效應,風嘴的風速不足以托起干燥的極片,根本形成不了漂浮狀態。這種盲目模仿漂浮干燥的雙面送風不但不具備漂浮干燥的優點,反而帶來了高能耗的弊病。
    (4)常規對流熱風干燥
      對流干燥是比較傳統的干燥技術。加熱的干燥空氣送入烘道,干燥空氣中的熱能通過空氣的對流傳導到被干燥物體,使液體蒸發汽化進行干燥。其優點是設備簡單。其缺點是干燥效率低。在現代干燥設備中逐漸被高效熱風沖擊干燥所取代。
    (5)循環熱風沖擊干燥特點和應用
    熱風沖擊干燥技術是利用空氣噴射流體力學原理發展起來的高效干燥技術。干燥空氣通過特殊設計的風嘴,以高速噴射到被干燥物體表面,在干燥物體表面阻礙干燥靜止空氣層在沖擊作用下被破壞,從而加快了干燥過程,使干燥效率大大提高。形成沖擊干燥的條件是:
    ?有噴射空氣噴射口(可以是氣嘴、條縫或圓孔)
    ?噴射口氣嘴的形式、排列、結構及數量要經過優化設計
    ?在噴射口的噴射速度足夠大,能破壞干燥表面的靜止空氣層
    循環熱風沖擊干燥的特點是:
    干燥速度和溫度有關,而且和干燥風量有關??梢酝ㄟ^部分循環干燥空氣送風加大風量提高干燥速度,大大提高干燥空氣的熱量的利用,因此循環熱風沖擊干燥具有高效節能的特點。經過優化設計的沖擊干燥的干燥效率比普通的熱風干燥效率高一倍。特別適用干燥片狀或帶狀物料的干燥,因此在膠片干燥中得到廣泛的應用。另外用增大送風量來提高干燥速度,可以避免采用高溫干燥可能產生的龜裂干燥弊病。
    目前有的廠家生產的涂布機用的熱風干燥,也用風嘴送風,從形式上看和沖擊干燥類似,但是其風嘴的結構設計和風量及風速都起不到沖擊效果,干燥過程仍屬對流干燥,干燥效率不高。
    3.熱風干燥的基本過程
    涂布后的漿料的干燥由下面二種熱量和質量的傳遞過程組成:
    (1)表面液體的蒸發汽化過程
    濕涂層通過和干燥熱氣的熱交換,吸收干燥空氣的熱量,在涂層表面的液體不斷地蒸發為蒸汽進入空氣,并由干燥空氣將蒸汽帶走。
    在濕涂層的液體含量比較多(臨界濕含量以上)的時候,的表面汽化速度的快慢,取決于如下因素:
    ?表面空氣流動速度
    ?干燥空氣的濕度
    ?干燥空氣的溫度
    當涂層干燥到其濕含量到達臨界濕含量后,表面的汽化速度取決于涂層內部的液體的擴散速度。
    (2)內部液體擴散過程    
        由于在涂層表面的汽化,使涂層表面的液體的濃度變小,涂層內部的液體不斷地向表面擴散。
    4.干燥過程的階段
    物料的干燥過程分如下幾個階段:見圖7.3
    (1)過渡階段—圖7.3干燥開始時的膜溫度下降的部分。
    涂布后的涂層進入干燥箱,膜的表面由于發生溶劑或水的汽化吸熱而使其溫度逐漸下降。有流平過程。
    (2)恒速干燥階段——圖7.4中溫度保持不變的幾個部分。溫度圖7。4中干燥速度不變的部分。


    恒速干燥階段的特點:
    ①涂層表面有足夠的水分或溶劑,
    ②干燥的速度受外部條件-氣化速度的控制。
    ③干燥速度恒定
    ④大部分水分或熔劑在這個階段氣化。
    ⑤涂層的表面溫度等于干燥空氣的濕球溫度
    (3)降速干燥階段—圖7.3中溫度升高的部分,圖7。4的降速部分。
    ①干燥速度受內部擴散速度控制
    ②干燥速度下降
    ③涂層溫度升高干燥時間長
    (1)干燥控制(7.5)
    在恒速干燥階段,干燥控制的基本參數:
    ?干燥空氣的干球溫度
    ?空氣中濕含量(溶劑含量)
    ?空氣的速度
    4.極片干燥出現的干燥弊病
    (7.6.3 皺皮)
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