聚乙烯農(nóng)用薄膜吹塑工藝?yán)鋮s定型機(jī)理的研究

史民強(qiáng)，冷貴海，金洪波

（1.哈爾濱塑四塑膠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150038；2.哈爾濱軸承集團(tuán)公司 動(dòng)能公司，黑龍江 哈爾濱150036）

1 前言

冷卻定型裝置是吹塑薄膜工藝裝備中很重要的組成部分，對(duì)薄膜產(chǎn)量和質(zhì)量都有很大的影響。目前吹塑系統(tǒng)采用直接驅(qū)動(dòng)方式，為提高擠出機(jī)的速度和產(chǎn)量，就必須克服因冷卻不充分而使產(chǎn)量受到限制的問題。因此，冷卻定型裝置的冷卻效率已成為影響產(chǎn)量的關(guān)鍵因素,包括膜泡表面和冷卻空氣之間的熱傳導(dǎo)。通過分析冷卻條件、聚乙烯物理性能指標(biāo)與薄膜成型穩(wěn)定性之間的關(guān)系，找到了改進(jìn)聚乙烯吹塑薄膜冷卻效果的方法。

2 冷卻定型裝置的分類極其作用

聚乙烯吹塑薄膜冷卻定型裝置的種類較多，但按其冷卻部位分類，大致可分為三大系統(tǒng)：在膜泡外表面進(jìn)行冷卻的外冷系統(tǒng)和在膜泡內(nèi)表面冷卻的內(nèi)冷系統(tǒng)，還有對(duì)薄膜內(nèi)外表面同時(shí)進(jìn)行冷卻的雙冷系統(tǒng)。

按冷卻方式的不同可分為自然風(fēng)冷和人工風(fēng)冷兩種。雖然冷卻部位及方式不同，但作用是一致的，都要滿足以下幾點(diǎn)要求。

（1）保證風(fēng)環(huán)口的風(fēng)量均勻，使薄膜冷卻均勻，泡管穩(wěn)定，薄膜的厚薄均勻度良好，且能對(duì)薄膜厚度的不均勻性進(jìn)行一定的調(diào)整，保證薄膜的透明度、外觀質(zhì)量及機(jī)械性能良好。如果出風(fēng)量不均勻，就會(huì)引起泡管冷卻快慢不一，使冷卻快的地方厚，冷卻慢的地方薄。

（2）要有與擠出機(jī)生產(chǎn)能力相適應(yīng)的冷卻效率，使薄膜能充分冷卻，避免薄膜在牽引和卷曲過程中產(chǎn)生粘連、摩擦形變和起皺現(xiàn)象。

（3）易于調(diào)整，便于操作，盡量適應(yīng)多種幅寬的薄膜生產(chǎn)。

3 冷卻機(jī)理

為很好地達(dá)到上述質(zhì)量要求，有必要對(duì)塑料薄膜的冷卻機(jī)理進(jìn)行研究，主要包括成型條件和薄膜物理性能的關(guān)系；在成型過程中（熔融樹脂形變）應(yīng)變速度和拉伸應(yīng)力之間的關(guān)系；大膜泡表面和冷卻空氣之間的熱傳導(dǎo)之間的關(guān)系；冷卻條件、成型穩(wěn)定性與薄膜物理性能之間的關(guān)系等。

當(dāng)熔融（粘流態(tài)）膜泡受對(duì)流和結(jié)晶放熱的影響與剛從風(fēng)環(huán)出來的冷卻介質(zhì)相接觸，在薄膜與冷卻介質(zhì)的溫度差的作用下，薄膜的大量熱量通過冷卻介質(zhì)被帶走，從而使薄膜得以冷卻，其溫度明顯降低的過程，即產(chǎn)生熱交換的過程（對(duì)流換熱過程）如圖1 所示，可用下面的計(jì)算式來表示。

式中：

Q——傳熱速率/kcal/h，

Δtm——傳熱平均溫度差/℃，

S——傳熱面積，冷卻介質(zhì)與薄膜接觸面積（m2），

K——傳熱總系數(shù)/kcal/m2℃·h。

根據(jù)1式，傳熱效率Q與K?S?Δtm成正比。

T1——機(jī)頭出口處的物料溫度/℃，

T2——薄膜經(jīng)冷卻后的溫度/℃，

t1——離開風(fēng)環(huán)出口時(shí)，冷卻介質(zhì)的溫度/℃，

t2——薄膜冷卻后，冷卻介質(zhì)的溫度/℃。

根據(jù)1、2 式，增強(qiáng)冷卻過程的傳熱速度可通過增大Δtm和降低t1與t2的溫度來實(shí)現(xiàn)。吹塑薄膜成型中有效冷卻膜泡的方法可考慮如下。

（1） 降低冷卻空氣溫度（t1，t2），

（2）增大冷卻面積（S），

（3）增加導(dǎo)熱總系數(shù)（K）。

首先，增大膜泡的冷卻面積（S）就是增大膜泡直徑。增大導(dǎo)熱系數(shù)K，外風(fēng)環(huán)空冷流動(dòng)風(fēng)速加大，能使膜泡變形（細(xì)頸），如圖2 所示?？绽淞鲃?dòng)風(fēng)速過大，會(huì)引起膜泡不穩(wěn)定，而導(dǎo)致薄膜的厚度不均。在這種情況下可從膜泡內(nèi)部加大氣體流動(dòng)進(jìn)行有效冷卻，并且在膜泡外表面和內(nèi)部形成壓力，抵消了彼此的沖擊力，作用力平衡后膜泡形狀如圖3 所示，就可以正常生產(chǎn)。由于在外冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上上引入了內(nèi)冷系統(tǒng)，使得冷卻面積增加1倍。降低冷卻空氣的溫度可提高冷卻效率。從離開口模到結(jié)晶時(shí)平均膜泡溫度T平均和冷卻空氣溫度t1的差ΔT=T平均-t1。夏季膜泡表面附近的冷卻風(fēng)溫多超過40℃，加工聚乙烯時(shí)，平均膜泡溫度多為110℃～135℃。若使用冷凍裝置可以使冷卻風(fēng)溫下降到15℃以下，然后再送入風(fēng)環(huán)中冷卻，冷卻效率可望提高20%，這種辦法是可行，但要消耗一定的功，增加設(shè)備投資，不符合當(dāng)前節(jié)能減排要求。如果把風(fēng)機(jī)放到地下，利用地下溫度低于地上溫度的特點(diǎn)，能提高冷卻效率。

另一種方法是減小圖1 中長(zhǎng)度L，即減小引起導(dǎo)熱的界面層厚度。如圖2 所示，風(fēng)環(huán)吹出的空氣接觸膜泡，若空氣沿著膜泡長(zhǎng)時(shí)間流動(dòng)，則界面層增厚，意味著冷卻效果降低。因此通過增大膜泡的表面積，在能夠進(jìn)行有效冷卻的位置附近，減小界面層的厚度，加大冷卻效果（減小L），進(jìn)而提高口模出口附近的冷卻效率。減小L對(duì)于增大整體導(dǎo)熱系數(shù)和提高生產(chǎn)率是很重要的。

圖1 換熱過程

圖2 外風(fēng)環(huán)空冷流動(dòng)風(fēng)速加大使膜泡變形（細(xì)頸）示意圖

圖3 內(nèi)外氣流平衡后膜泡形狀示意圖

4 各種風(fēng)環(huán)結(jié)構(gòu)

4.1 雙向進(jìn)風(fēng)冷卻風(fēng)環(huán)

根據(jù)減小L理念設(shè)計(jì)的雙向逆流冷卻結(jié)構(gòu)如圖4所示。與過去的風(fēng)環(huán)相比較，這種上吸氣下吹氣中間有圓形護(hù)罩帶排氣孔的裝置，上風(fēng)環(huán)可移動(dòng)調(diào)節(jié)。逆流雙向風(fēng)環(huán)在膜泡位置處導(dǎo)熱系數(shù)大得多，而且也不會(huì)降低口模附近的導(dǎo)熱系數(shù)，冷卻效率可提高20-30%。此風(fēng)環(huán)冷裝置在小膜和包裝膜上用還可以，但在大規(guī)格農(nóng)膜上使用外形過大，調(diào)整操作困難，不宜使用。

圖4 雙向逆流冷卻結(jié)構(gòu)

4.2 帶有多個(gè)出風(fēng)口間隙的風(fēng)環(huán)

對(duì)于單風(fēng)環(huán)來說，在膜泡外表面形成了一氣層，使靠近膜泡外表面的溫度越來越高，形成滯流邊界層，吹出的空氣流幾乎與膜泡縱向平行，對(duì)膜泡的冷卻效率會(huì)越來越低。如圖5 所示，用速度矢量表示膜泡附近風(fēng)速曲線的數(shù)據(jù)，可算出各位置上表示冷卻效果的導(dǎo)熱系數(shù)K，導(dǎo)熱系數(shù)通常用無因次數(shù)來表示。若采用了3個(gè)出風(fēng)口間隙的風(fēng)環(huán)，自下而上，各個(gè)出風(fēng)口的吹出角逐漸增大，下面出風(fēng)口吹出的氣流受到上面出風(fēng)口吹出的氣流沖擊，沖亂了下風(fēng)口的滯留層，使冷卻氣體層產(chǎn)生湍流，強(qiáng)化了熱量傳播過程，同時(shí)上風(fēng)口吹出的氣流對(duì)下面的氣流還起到攜帶作用（空氣密度不同），使較多的冷卻空氣不斷地高速流過膜泡表面，使冷卻效率有很大的提高。

4.3 自動(dòng)風(fēng)環(huán)

圖5 膜泡表面的距離（cm）

為了使風(fēng)環(huán)更好地控制薄膜橫向厚度的均勻性，采用自動(dòng)風(fēng)環(huán)。自動(dòng)風(fēng)環(huán)也是雙風(fēng)口風(fēng)環(huán)，它是薄膜厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分。目前有兩種型式：一種是分段式加熱自動(dòng)風(fēng)環(huán)，只能對(duì)厚點(diǎn)調(diào)節(jié)（提高段溫），對(duì)薄點(diǎn)難以調(diào)節(jié)，既加熱又散熱，降低了冷卻效率和產(chǎn)量，耗能大；另一種是 分段式風(fēng)控自動(dòng)風(fēng)環(huán)，在圓周上分為若干個(gè)風(fēng)道,每個(gè)風(fēng)道由風(fēng)室、閥門和步進(jìn)電機(jī)組成,由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥門調(diào)整風(fēng)道開口度,控制每個(gè)風(fēng)道風(fēng)量的大小?？刂七^程中,由測(cè)厚探頭將薄膜厚薄信號(hào)送到PLC,PLC把厚薄信號(hào)與當(dāng)前設(shè)定的平均厚度進(jìn)行比較，根據(jù)厚度偏差量以及曲線變化的趨勢(shì)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥門移動(dòng)，當(dāng)薄膜偏厚時(shí)，風(fēng)口關(guān)??；相反風(fēng)口增大。通過改變風(fēng)環(huán)圓周各點(diǎn)風(fēng)量大小，調(diào)整各點(diǎn)的冷卻速度，使薄膜橫向厚薄偏差控制在目標(biāo)范圍內(nèi)，一般均勻度達(dá)到±4%～±5%。

5 熔融聚乙烯物理性能與成型條件

在吹塑成型過程中熔融樹脂的粘流形變（產(chǎn)生應(yīng)變速率和拉伸應(yīng)力）取決于在雙軸拉伸下的自由邊界流動(dòng)狀態(tài)，產(chǎn)生雙軸取向。聚乙烯薄膜物理性能及光學(xué)特性與成型溫度、吹脹比、擠出量、冷卻線高度的關(guān)系很大。

5.1 成型溫度

LLDPE成型溫度升高，使得薄膜的霧度降低，光學(xué)性能提高。

5.2 吹脹比

LLDPE幾乎不受吹脹比的影響。

5.3 擠出量

加工同樣規(guī)格的薄膜時(shí)，增加擠出量可使LLDPE薄膜沖擊強(qiáng)度稍有提高。

5.4 冷凝線的高度

當(dāng)熔體從口模內(nèi)擠出后，在冷卻和拉伸作用下，其粘度和形變隨開口模的高度而發(fā)生變化，直到膜泡降低至熔點(diǎn)Tm溫度以下為止。此時(shí)沿著縱向拉伸方向，熔體粘度和形變不再發(fā)生變化的部位稱為冷凝線，它標(biāo)志著熔體從熔融狀態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變。因?yàn)榇的どa(chǎn)中最重要的過程發(fā)生在機(jī)頭和冷凝線之間，因此這段中膜泡的外形尺寸、力學(xué)和光學(xué)性質(zhì)決定著冷凝后膜泡的質(zhì)量，所以冷凝線以下區(qū)域是吹膜生產(chǎn)過程研究的主要地方。

在加工LLDPE過程冷凝線增高時(shí)，透明度急劇降低（霧度增大），如圖6 所示。這是因?yàn)槔淠€增高，冷卻速度慢，結(jié)晶過程中容易形成晶核，使薄膜的結(jié)晶度增加、透明性下降，因此降低冷凝線高度，可以使得薄膜透明性提高，表面質(zhì)量得到改善，力學(xué)性能得以增強(qiáng)。

圖6 線性低密度聚乙烯的冷卻線高度和薄膜物理性能的關(guān)系

6 結(jié)束語

通過從理論及實(shí)際生產(chǎn)兩方面對(duì)聚乙烯農(nóng)用薄膜冷卻定型機(jī)理的研究，進(jìn)一步明確了為提高薄膜產(chǎn)量和質(zhì)量、降低材料成本和能源消耗應(yīng)采取的方法及注意事項(xiàng)，對(duì)提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)效益、生產(chǎn)用戶滿意的產(chǎn)品具有參考作用。

[1] 北京化工學(xué)院，華南工學(xué)院.塑料機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：輕工業(yè)出版社，1983.

[2] 占國(guó)榮，周南橋.國(guó)外多層共擠吹塑薄膜技術(shù)[J].塑料制造, 2007.

[3] 史民強(qiáng).塑料擠出機(jī)多層螺旋模頭設(shè)計(jì)分析[J].哈爾濱軸承，2014,35（1）：47～48.