电池隔膜生产过程中熔体过滤器的技术改进

2022-09-12

在电池隔膜生产过程中, 为使原材料中的杂质不影响产品质量, 挤出机上均设有熔体过滤器, 以分离去除浆料中的炭化粒子和金属氧化物等杂质, 提高产品质量, 保证生产正常进行。由于隔膜在正常生产过程中需要切除边角料而导致大量的废膜产生, 为变废为宝, 解决经过处理后的废膜投入生产时所产生的熔体过滤器频繁污堵、断膜次数频发等问题, 需对熔体过滤器进行技术改进。

一、熔体过滤器的工作原理及类型

熔体过滤器按过滤材料可分为表面型、深度型过滤器两种。它们对固体杂质的过滤作用是通过直接阻截和吸附来完成的。

1. 表面型过滤器

在表面型过滤器中, 被滤除的颗粒污染物几乎全部阻截在过滤元件表面上游的一侧。滤芯材料上具有均匀的标定小孔, 可以滤除大于标定小孔的固体颗粒。属于这一类的过滤器有线隙式、网式和片式。

2. 深度型过滤器

深度型过滤器的滤芯为多孔可透性材料, 内部具有曲折迂回的通道。大于孔径的污染颗粒直接被阻截在靠熔体上游的外表面, 而较小的颗粒进入滤芯内部通道时, 由于受表面张力 (分子附力、静电力等) 的作用偏离熔体流束, 而被吸附在过滤通道的内壁上。故深度型过滤器的过滤原理既有直接阻截, 又有吸附作用。这种滤芯材料有纸芯、烧结金属、毛毡和各种纤维等【1】。

二、生产过程中出现的问题

由于电池隔膜性能的优劣直接影响着电池内阻、放电容量、循环使用寿命以及电池使用的安全性能, 故电池隔膜在生产过程中的要求十分苛刻。

由于在生产过程中, 隔膜两边的厚度一般比中间厚, 在正常生产中需要先切除厚边后再收卷, 产生边料约占35%左右, 如无法回收利用, 这边角料就成了废料, 为了降低生产成本, 变废为宝, 需要对生产过程中产生的废料 (边料和断膜料) 进行回收, 废料经过设备进行处理后可回收利用, 简称回收料。在回收料的生产过程中, 隔膜表面的疵点率明显上升, 产品质量下降。尝试更换高一级过滤精度的过滤网片300目 (原250目) , 过滤器污堵加快, 使得熔体过滤器更换频率由原来的4-5天/次缩短至2天/次, 劳动强度增加;换网时压力不稳定常导致断膜, 废膜量明显增多;

三、熔体过滤器结构及问题分析

1. 熔体过滤器结构

熔体过滤器主要由壳体、滤芯和加热夹套等部分组成, 滤芯是过滤的核心部分。本公司挤出机自带的熔体过滤器为常见的手动换网器 (见图1) , 滤网滤片式结构, 椭圆形, 过滤精度为250目, 过滤面积为0.0044m2 (见图2) 。

2. 问题分析

本公司挤出机的过滤精度为250目 (58um) , 据查有关文献资料, 要滤掉注塑级PE、PP熔体中的微小杂质及凝胶粒子、提高熔体纯净度, 其过滤精度至少为500目 (25um) , 如简单的提高过滤精度至500目, 污堵会越来越严重, 需要频繁更换过滤网片, 这不仅增加了工人劳动强度, 还提高了生产成本。为此, 在提高熔体过滤器过滤精度的同时, 降低更换熔体过滤器的频率是迫切需要解决的难题。

四、改进方案

当用原料投入生产时, 由于原料比较干净, 杂质非常少, 故250目过滤精度的过滤网就够使用了。但当用处理后的回收料投入生产时, 由于回收料经过几道工序处理, 含杂质明显增多, 现使用的过滤器, 不仅过滤面积小, 精度又低, 已无法满足要求。为了彻底解决问题, 改造方案从以下几方面考虑:

1.选择合适的过滤芯, 考虑不易堵塞、耐压、耐温和耐腐蚀等;

2.过滤面积增大30倍以上, 熔体过滤器更换频率至少1次/月;

3.采用双级过滤, 不同级别的杂质分级过滤, 减轻过滤器的负担;

4.改造后的安装连接尺寸尽量与目前过滤器前后的连接尺寸一致, 方便替换;

5.熔体过滤器滤芯更换仍采用手动更换;

6.考虑设备改造后与现有生产线排布不冲突。

通过以上6方面的考虑, 结合现有设备布置空间, 我们选择双级过滤器来彻底解决问题, 一级过滤器精度为250目, 截留较大的颗粒杂质, 二级过滤器精度为500目, 截留较小的颗粒杂质、未溶解的或胶体颗粒杂质, 过滤器采用深度型过滤器, 外形为打褶式, 简称为打褶式滤芯, 材质为SS304, 过滤面积比表面型过滤器大得多。

五、熔体过滤器改进

1. 滤芯材质选择及结构改进

过滤效果是选择过滤材料的唯一依据, 它将直接影响产品质量、过滤芯在线使用寿命和操作成本。所以, 在选择熔体过滤器的滤芯时, 首先必须选择合适的过滤材料。由于本公司在生产中需加入一定配比的溶剂, 故熔体过滤器的滤芯一般选用金属过滤材质, 金属过滤材质的特性通常有孔隙率, 透气率, 除杂质能力等。金属过滤材料一般有3种:钢丝网布, 烧结粉末金属和烧结金属纤维。其特性见表1。

通过对上述3种过滤材料的特性比较, 可以看出, 在相同过滤精度下, 烧结金属纤维是最佳选择。因为它具有深层过滤的特点, 过滤精度高, 压降小, 除杂效果好, 较长的在线使用寿命, 故滤网材料选择烧结金属纤维。

要实现连续化生产, 至少1个月以上更换一次过滤器。目前的单片式过滤网面积仅为0.0044m2, 1天更换一次显然不能满足要求, 必须增大过滤面积。结合3种过滤材料特性的比较, 由单片式钢丝网片改为烧结金属纤维滤芯, 圆柱形中空结构, 外网为打褶式 (见图3) , 称之为打褶式滤芯, 也有称之为折叠式滤芯。通过结构设计, 单支滤芯过滤面积可达0.08m2, 比原来的单片滤网滤片面积 (0.0044m2) 大18倍, 浆液过滤为外压式。

2. 结构改进

由单级过滤改为双级过滤。由于在生产过程中, 物料的杂质大小分布不均匀, 针对过滤杂质和未溶解及分散的胶体类, 按过滤精度不同, 过滤分等级处理。去除较大杂质采用250目滤芯 (58um) , 放在前一级过滤 (简称一级熔体过滤器) ;去除较小杂质或胶体类杂质采用500目滤芯 (25um) , 放在后一级过滤 (简称二级熔体过滤器) , 这样不同精度的过滤器承担不同的过滤杂质, 过滤器的滤芯负担会明显减轻, 可延长过滤器的在线使用寿命, 这就需要把原来的一道熔体过滤器改进设计为二道熔体过滤器。由于增加了一道熔体过滤器, 两道过滤器间为了使物料能顺畅地输送, 这就需要在两道熔体过滤器中间增加一台同流量的熔体泵, 同时还需要增加二级熔体过滤器前后的压力传感器, 增加新的加热器和温度传感器, 以及加长机座支架等相关配套部件。

每一道过滤器均设计2支滤芯, 单级过滤面积为0.16m2, 比原来的过滤面积 (0.0044m2) 大36倍。

六、效果

挤出机的熔体过滤器结构及滤芯经过改进设计后, 熔体过滤器的更换频率由原来的2天/次延长至35天/次, 隔膜的连续化生产得到保障, 隔膜表面质量和成品率也大幅度提高, 生产过程断膜现象明显改善。下图为挤出机的熔体过滤器改进前后的结构示意图。

结语

综上所述, 通过对挤出机熔体过滤器及滤芯结构的改进设计, 并增加一级熔体过滤器后, 隔膜连续化生产得到保障, 隔膜的表面质量也大幅度提升, 生产过程消耗也明显减少, 隔膜成本明显降低, 疵点率和废膜率也大幅减少, 仅一天断膜一次计算, 每断膜一次浪费的膜面积至少为250m2, 按10元/m2计算, 断一次膜至少浪费2500元, 设备改造费用约4万元, 通过熔体过滤器的改进, 每年至少可节约90万。

摘要：公司隔膜生产线回收料投入使用时, 熔体过滤器频繁污堵, 断膜次数频发, 严重影响生产。本文结合生产实际, 经过对过滤组件和滤芯结构的改进, 延长了过滤器滤芯的使用寿命, 降低了生产成本和工人的劳动强度, 使得隔膜生产连续化, 隔膜产品质量明显提升。

关键词：挤出机,熔体过滤器,滤芯,改进。