一种流延成型膜带厚度的预测方法与流程

本发明涉及流延成型工艺技术，具体为一种流延成型膜带厚度的预测方法。

背景技术：

流延机成型工艺是一种薄膜加工工艺，其加工过程是先把预先粉碎的粉料与粘合剂、增塑剂、分散剂、溶剂混合制成具有特定流变特性的浆料，然后将浆料注入料缸，经基板的拖曳和刮刀剪切后以特定厚度涂敷在专用基板上，再经干燥、固化、剥离成为薄膜状的生坯带，最后经过裁切得到特定的尺寸和形状。此工艺方法具有成本低、质量高、无毒害、生产效率高等优点。

使用流延成型工艺制备薄膜产品时，指标里一般包含薄膜厚度要求，确定生产工艺参数很关键。薄膜产品的厚度不是单一因素决定，是众多工艺参数如流延速度、刮刀间隙、流体初始静压等和浆料流变特性共同作用的结果。目前流延成型工艺制备薄膜产品为了保证薄膜厚度指标，在正式生产前，主要是靠经验调整工艺参数，具体做法是设定一个基准工艺参数，根据流延生产的薄膜厚度，逐次调整各工艺参数，不断逼近指标要求厚度，最终使薄膜厚度值处于指标范围内。但在上述工艺参数确定过程存在效率低、浪费物料以及占用机器等问题。

技术实现要素：

针对上述存在的问题或不足，为解决现有流延成型工艺制备薄膜产品时工艺参数确定过程存在效率低、浪费物料以及占用机器等问题，提出一种流延成型膜带厚度的预测方法。

该流延成型膜带厚度的预测方法，包括以下步骤：

步骤1.获取数据；

浆料的性质数据：一是浆料流变特性，测试使用仪器为具有剪切速率功能的粘度计，得到的数据为浆料的粘度-剪切速率曲线；二是浆料的密度，浆料中溶剂的密度，浆料中溶质的密度。

流延机的数据：一是流延机刮涂组件的储料槽长度、深度和刮刀尺寸；二是流延干燥组件的长度、高度和分区位置。

流延成型工艺参数值：包括刮刀间隙、流延速度、浆料液面高度、干燥温区温度和干燥气氛温度。

步骤2.数据预处理：

由粘度-剪切速率曲线拟合下述公式描述的浆料本构关系：

μ＝k·γⁿ

求解式中k和n；k为粘度系数(pa·s^n)，n为流动指数，是无因次参数，μ表示粘度，γ表示剪切速率。

根据步骤1采集的流延机尺寸使用计算机绘制刮涂组件和干燥组件的图形，保存成通用格式。

步骤3.对步骤2的图形建立物理场模型，然后将步骤1采集的数据和步骤2得到数据输入物理场模型，使用数值计算方法求解偏微分方程组，求解流延成型膜带厚度。

所述物理场模型，分为两个阶段：第一阶段是计算浆料经刮涂作用形成的湿膜厚度，第二阶段是计算湿膜经过流延干燥的干膜厚度。

第一阶段：由绘制的刮涂组件图形，根据流体力学质量守恒和动量守恒方程，建立流体物理场模型，依靠计算机程序，输入浆料本构关系、刮刀间隙、流延速度、浆料液面高度，求解第一阶段的流体力学数值计算结果，即浆料流体的速度矢量图(如图1)。

从速度矢量图中提取刮刀间隙速度分布，使用下面的积分关系式求解体积流量q：

其中，x和y分别表示方向，vx(y)是刮刀间隙y位置速度的x方向分量，h为刮刀间隙，dy表示微分算子。

由体积流量q，使用下述公式计算湿膜厚度：

δthickness＝q/v0

其中，δthickness为湿膜厚度，v0为流延速度。

第二阶段：由绘制的干燥组件的图形，根据流体力学、传热学、组分输运各学科控制方程，建立多物理场模型；然后依靠计算机程序，输入第一阶段计算出的湿膜厚度、浆料本构关系、湿膜密度、溶剂密度、溶质密度、干燥温区温度和干燥气氛温度，并依次求解流延干燥工艺的多个物理场，求解顺序为流体流动场-温度场-组分输运场，计算出干燥流体流动场数值计算结果(如图2)、干燥温度场数值计算结果(如图3)、干燥组分输运数值计算结果(如图4)。

从干燥组分输运数值计算结果可以得到fsolvent(x)的值，由组分质量守恒得出下述计算公式，用于预测这个阶段的薄膜厚度。

其中，δcalculate为计算出的干膜厚度，fsolvent(t)和fsolvent(x)分别为溶剂质量传递通量关于时刻t和位置x的函数，τ为流延的总时长，l为流延总长度，ρsolvent为溶剂密度。

通过更改上述基本公式积分符号的上限l，预测流延成型工艺干燥阶段任何一个位置的厚度(如图5)。当l为干燥的总长度时，计算出的数值结果为流延成型工艺干燥阶段最终厚度δcalculate。

本发明提出的预测方法，通过建立流延成型工艺的多物理场模型，运用流体力学、传热学、传质学原理使用计算机程序，计算在成型工艺过程中浆料的运动行为，从运动行为信息预测流延成型工艺制备流延薄膜的厚度。本发明在确定生产工艺参数过程提高了效率、降低了物料消耗和机器占用。

附图说明

图1是实施例薄膜厚度预测第一阶段的流体力学数值计算结果图；

图2是实施例薄膜厚度预测第二阶段的干燥流体流动场数值计算结果图；

图3是实施例薄膜厚度预测第二阶段的干燥温度场数值计算结果图；

图4是实施例薄膜厚度预测第二阶段的干燥组分输运数值计算结果图；

图5是实施例薄膜厚度预测第二阶段的厚度变化预测与实验对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

表1流延成型工艺薄膜厚度预测第一阶段实验验证纪录

表2流延成型工艺薄膜厚度预测第二阶段实验验证纪录

表1和表2给出了实施例流延成型工艺厚度预测时的工艺条件参数和材料参数，然后运用本发明的技术方案，分两个阶段给出薄膜厚度的预测值。根据图1所示第一阶段的流体力学数值计算结果，使用步骤3第一阶段的体积流量q和湿膜厚度δthickness计算公式，计算出薄膜厚度预测第一阶段的湿膜厚度值，对比试验测试值，数值计算厚度相对试验测量厚度误差为-5.9％；由按步骤3第二阶段所述的流体流动场-温度场-组分输运场求解顺序，依次求解出图2、图3、图4表述的数值计算结果，根据图4所示第二阶段的干燥组分输运数值计算结果图，使用步骤3第二阶段的干膜厚度δcalculate计算公式，计算出薄膜厚度预测第二阶段的干膜厚度值，对比试验测试值，数值计算厚度相对试验测量厚度相对误差为-5.8％。

此外，通过改变步骤3第二阶段的干膜厚度δcalculate计算公式积分符号的上限l，可以预测流延薄膜厚度在第二个阶段的实时变化值，图5描述厚度变化预测值和实验对比结果。在生产流延膜产品时，通常对厚度的检验合格范围为10％以内，例如需要220um的流延膜带厚度，厚度合格范围为200-240um。

综上可见，本发明提出的预测方法切实有效，在确定生产工艺参数过程提高了效率、降低了物料消耗和机器占用，对流延成型工艺生产的薄膜厚度控制有重要意义。