【糊料挤出法制备PTFE纤维技术现状分析4400字】

糊料挤出法制备PTFE纤维技术现状分析目录TOC\o"1-3"\h\u12965糊料挤出法制备PTFE纤维技术现状分析 1235521.1糊料挤出法制备PTFE纤维的工艺流程 1250441.2各工序的作用与现状 2272291.1.1配料、混料工序 2255101.1.2熟化工序 2236271.1.2制坯工序 3115991.1.3挤条工序 341231.1.4牵伸、烧结工序 446331.3工艺及控制方法改进 5187311.4系统的控制要求 6307861.5总体设计方案 830171.5.1控制系统的组成 8219501.5.2Modbus通信协议 81.1糊料挤出法制备PTFE纤维的工艺流程糊料挤出法制备PTFE纤维的工艺流程如图1.1所示，主要可以分为以下工序：图1.1工艺流程图（1）配料、混料：分别称取一定质量的PTFE分散树脂和润滑剂（如航空煤油等）在混料筒中混合一定时间。（2）熟化：将混合均匀的料放在适宜的温湿度环境下静置一定时间，使混合更加均匀、完全，得到糊料。（3）制坯：将熟化好的糊料放到打坯筒中，加压，制成圆柱形坯体。（4）挤条：将圆柱形坯体放到挤压缸中，加压，糊料受压从模口处挤出，形成较粗的纤维。（5）拉伸：经高温牵伸，润滑剂被挥发，纤维细度得到提高。（6）烧结：经烧结后纤维基本定型，卷绕收集，得到最终产品。1.2各工序的作用与现状1.1.1配料、混料工序配料工序作为工艺的第一个环节，对产品质量至关重要，配料比的轻微差异，就会造成产品质量的较大变化，若混料比发生较大误差，甚至会影响后续工艺的进行。目前采用人工分别称取PTFE粉料和润滑剂，将称好的两种料倒入混料筒中进行混合，采用定时器对混料筒进行混料时间的控制，混料筒的实物图如图1.2所示。图1.2混料机实物图1.1.2熟化工序熟化工序是指将混好的料放置在恒温恒湿环境中静置一定时间，影响因素包括温度、湿度和时间，基本没有对自动化控制方面的要求，在此不详细介绍。1.1.2制坯工序制坯工序的目的是制备预制坯体，为后续挤条工序做准备。制坯工序的示意图如图1.3所示。图1.3打坯结构示意图具体操作内容为：将PTFE糊料倒入圆柱形打坯筒内并关闭筒盖，启动运行后，液压缸的活塞杆顶出，挤压制坯筒内的PTFE糊料，当达到适当压力后，活塞杆停止顶出并停留在当前位置保压，保压一定时间后，即可打开筒盖，取出成型的圆柱形坯体。1.1.3挤条工序挤条工序是整个工艺流程中对控制要求较高的一道工序，它的主要作用是将打坯制得的圆柱形坯体经过挤出机活塞的推压，在指定的模口处挤出，形成特定形状的纤维，柱塞式挤出机的内壁直径应与制坯筒的内壁直径相匹配。挤条工序的示意图如图1.4所示。图1.4挤条工序示意图具体操作内容为：将制坯工序制得的圆柱形坯体放入到柱塞式挤出机中，上紧挤出机模头后启动运行，液压缸开始工作，活塞杆向上顶出，柱塞式挤出机的活塞与液压缸的活塞杆刚性连接，推动着挤出机中的物料从模头模口处挤出。在液压缸装有位移传感器，当液压缸活塞上升到设定位置上限时，挤出机停止工作，保障液压缸不会因超量程而损坏。1.1.4牵伸、烧结工序牵伸和烧结工序的内容基本是一致的，都是在高温环境下，使纤维经过多组牵伸辊的牵引。但两工序的目的不同，因此各自的控制量（温度和牵伸速度）有所差异。受PTFE自身性能和挤出机硬件水平的制约，挤条工序得到的纤维较粗，不能直接用于生产，需要进一步牵伸细化，因此设置牵伸工序。牵伸后为了以及进一步提高纤维强度以及防止纤维回缩，设置烧结工序。两种工序所需的装置示意图如图1.5所示。图1.5牵伸烧结箱示意图如上图所示，工作开始时或纤维发生断头时，将箱门打开，将纤维依次绕到各牵伸辊上，引过牵伸箱和烧结箱后，关闭箱门，待高温箱中的温度稳定后，即可启动电机进行生产。每个牵伸辊都由单独的电机控制，可以按照工艺要求，控制各牵伸辊的转速，以调整牵伸速度和牵伸倍数。温控箱中的温度对牵伸效果具有较大影响，采用具有模糊自整定PID调节功能的温控仪控制。在温控箱的入口处，有放卷电机，出口处，有卷取电机。1.3工艺及控制方法改进在糊料挤出法制备PTFE纤维时，当前部分工艺相对落后，影响生产效率及产品质量，在此列出并提出改进方案。（1）配料、混料工序现有的配料工序，靠人工称重，分别称好一定比例的PTFE粉料和润滑剂后倒入混料机内进行混料，整个流程操作繁琐，费时费力，不能保证配料比的准确度，一定程度上降低了生产效率。本文采用自动称量装置，并设计了对应的电气控制系统，实现配料以及混料的高效、准确进行。（2）制坯工序现有的制坯工艺没有定量的压力控制系统，在制坯过程中的坯体的压力大小由工人经验决定，不能准确控制制坯压力。因此在现有的设备的基础上，在打坯筒的筒盖上增加压力传感器，实时检测坯体的压力，进而达到精准控制打坯压力的目的。（3）挤条工序挤条工序是整个工艺流程中控制难度最大的一道工序，它的主要控制目标是挤出的压力。挤出的压力由液压控制系统提供，由于液压系统是一个渐变的、非线性的系统，所以很难保证液压系统提供的压力的稳定性，另外，压力经过柱塞式挤出机由活塞向模口处传递时，存在压力损失，其随着挤出机内物料的变化而变化，这些因素都会导致压力的波动，不利于纤维的成型。目前国内PTFE纤维挤出机的液压控制系统大多是开环的，不能实现对挤出压力的精准控制，制备的纤维质量水平较低。为此，本文重点研究了挤出压力的控制方法，采用闭环压力控制策略，并引入智能算法保证挤出压力的稳定。（4）牵伸、烧结工序牵伸烧结工序的参数对PTFE纤维成型的影响较大，在纤维需要接头时，传统的牵伸烧结箱需要打开箱门，手动将纤维引过各牵伸辊后关上箱门，待温度稳定后重新启动，继续进行牵伸烧结工序。这种做法的缺点是箱门的开闭会导致箱内温度骤降，箱内温度重新稳定在设定温度需要一定时间，影响生产效率，且工人高温操作具有一定的危险性。为此，本文采用一种纤维断头无需开箱门即可实现接头的牵伸烧结箱，其结构示意图如图1.6所示。牵伸辊2、牵伸辊4和牵伸辊6可以上下运动，当纤维发生断头时，将牵伸辊2、4、6由位置1沿虚线垂直上升到位置2，位置2位于纤维入口和纤维出口水平线以上，将纤维端头引过牵伸烧结箱后，降下牵伸辊2、4、6，此时纤维按次序依次缠绕在各牵伸辊上，这种方法保证牵伸烧结箱内的温度波动不大，可以继续进行纤维的牵伸烧结，较传统的接头方式具有更高的生产效率。图1.6新型牵伸烧结箱示意图1.4系统的控制要求在糊料挤出法制备PTFE纤维的工艺中：柱塞机挤出前，需要将原料与润滑剂混合、熟化为糊料，并将糊料制成预制坯；经过柱塞机挤出后，需要对纤维进行高温牵伸烧结。这是PTFE纤维特有的工艺流程，可以说糊料挤出法是一种专门用来生产制备PTFE纤维的方法，因此具有某些独特的工艺要求。对工艺的要求如下：（1）混料要求：PTFE分散树脂不能直接用于生产，需要与润滑剂混合，减小挤出时的阻力。混料比设定为100：18，每次配料称取1000gPTFE分散树脂与180g润滑剂，误差不超过2‰，混料比与混料重量可以修改。（2）压力要求：在制坯和挤条工序中，控制目标主要是压力值，特别是挤条工序中，需要采取一定的控制策略，来保证压力值的动态稳定。当预制坯体的润滑剂低于标准时，挤出的压力会大大增加，压力上升到一定程度后会导致模头的损毁，甚至发生人身危险，因此要设定安全的压力上限并确认机械部件的可靠性。在制坯工序中，压力达到0.7Mp时停止加压，并保压10min；在挤条工序中，需要保证挤出压力稳定在1Mp，误差不超过1%。制坯压力及挤出压力可以调节以满足生产不同规格产品的要求。（3）温度要求：在牵伸和烧结工序中，温控箱中的温度对产品质量影响较大：在牵伸工序中，温度过低时，纤维各颗粒之间仅靠物理作用相连接，在牵伸辊的牵伸作用下易发生断头；温度过高时，纤维被烧透，纤维流动性增加，亦易发生断头。在烧结工序中，温度过低，达不到烧结定型的目的，温度过高，会导致材料中的氟离子脱离，进入到空气中，危害环境甚至人身健康。另外，温度的稳定性也至关重要，在生产中温度的波动会导致同一批次的产品质量不一。设定拉伸温度在280℃-320℃之间，烧结温度在320℃-380℃之间。采用带有模糊自整定PID控制功能的温控仪来控制温控箱的温度，使温度稳定保持在预设值。实际上，在整个生产过程中都存在对温度的要求。熟化工序中，要将混好的糊料放置在恒温恒湿室中熟化24h；挤出工序中，挤条时的温度不能过低，否则挤出的纤维会出现皲裂的现象。但是这些工序的温度控制较简单，在此不作重点说明。（4）牵伸要求：纤维进行牵伸烧结时，需要设定合适的牵伸倍数和牵伸速度。温控箱内的各牵伸辊由单独的电机控制，以满足不同牵伸倍数的要求。牵伸的倍数由放卷电机和收卷电机的转速差决定，牵伸倍数过大，纤维断头率会显著提高，倍数过小，会降低牵伸的效果。牵伸速度会影响生产效率，更为重要的是，牵伸和烧结工序是在高温环境下进行的，牵伸速度决定了纤维处于高温环境下的时间，换言之，温控箱内的牵伸速度和温度对纤维的影响并不是独立的，需要综合考虑两个参数对纤维的影响。设定牵伸工序的牵伸倍数为5-7倍，牵伸速度为1-3m/min，烧结工序的牵伸倍数为1.2-1.5倍，牵伸速度为5-20m/min。烧结工序的参数受牵伸工序的参数影响。除了对生产工艺的要求外，对控制系统的要求如下：（1）自动、手动切换：控制系统应具有手动、自动切换功能，当自动运行出现故障时，可以切换为手动模式进行控制。（2）报警功能：上位机应实时监控各控制参数，如压力、温度、时间等，当监测到的参数值达到报警界限时，系统报警并控制执行机构作出相应动作，防止发生故障，甚至产生危险。（3）配方功能：由于生产的PTFE纤维具有不同的规格，如品种不同（空心与实心纤维）、细度不同、原料不同等，因此生产工艺参数有所差别。应具有配方功能，记录每种产品需要的参数值，以方便下次生产或进行数据分析。（4）安全性：当发生短路、过载等故障时，电气系统应具备保护功能，避免发生人身危险。在系统的运行前应具有自检功能，确保各工艺参数正常。1.5总体设计方案1.5.1控制系统的组成通过对糊料挤出法制备PTFE纤维工艺流程的分析研究，确定控制系统的硬件组成：采用人机交互界面（HMI）作为上位机，实现对整个控制系统的监控。采用PLC作为控制器，这是整个控制系统的核心，它接收上位机的控制信号及传感器的反馈信号，驱动执行机构。执行机构包括步进电机，变频器，蠕动泵，温控仪等。传感器将采集到的信号传输到到PLC中，在PLC中与设定值进行比较、运算，得到控制信号进一步控制执行机构。控制系统的原理如图1.7所示：图1.7控制结构示意图1.5.2Modbus通信协议Modbus通讯协议作为一种串行通讯方式，具有开放性、标准化、可扩充性和通俗易懂等优点，已经广泛地应用在工业控制中，成为一种通用的工业标准。它可以将不同厂商支持Modbus的产品接入同一个网络，实现集中监控。Modbus通讯协议的主从模式为一主多从，只能存在一个主站，每一个从站都有唯一的站地址，