聚乙烯農(nóng)用薄膜吹塑工藝冷卻定型機理的研究

史民強，冷貴海，金洪波

（1.哈爾濱塑四塑膠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150038；2.哈爾濱軸承集團公司 動能公司，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，對薄膜產(chǎn)量和質量都有很大的影響。目前吹塑系統(tǒng)采用直接驅動方式，為提高擠出機的速度和產(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)量的關鍵因素,包括膜泡表面和冷卻空氣之間的熱傳導。通過分析冷卻條件、聚乙烯物理性能指標與薄膜成型穩(wěn)定性之間的關系，找到了改進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)：在膜泡外表面進行冷卻的外冷系統(tǒng)和在膜泡內表面冷卻的內冷系統(tǒng)，還有對薄膜內外表面同時進行冷卻的雙冷系統(tǒng)。

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

（1）保證風環(huán)口的風量均勻，使薄膜冷卻均勻，泡管穩(wěn)定，薄膜的厚薄均勻度良好，且能對薄膜厚度的不均勻性進行一定的調整，保證薄膜的透明度、外觀質量及機械性能良好。如果出風量不均勻，就會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）要有與擠出機生產(chǎn)能力相適應的冷卻效率，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）易于調整，便于操作，盡量適應多種幅寬的薄膜生產(chǎn)。

3 冷卻機理

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

當熔融（粘流態(tài)）膜泡受對流和結晶放熱的影響與剛從風環(huán)出來的冷卻介質相接觸，在薄膜與冷卻介質的溫度差的作用下，薄膜的大量熱量通過冷卻介質被帶走，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（對流換熱過程）如圖1 所示，可用下面的計算式來表示。

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——機頭出口處的物料溫度/℃，

T2——薄膜經(jīng)冷卻后的溫度/℃，

t1——離開風環(huán)出口時，冷卻介質的溫度/℃，

t2——薄膜冷卻后，冷卻介質的溫度/℃。

根據(jù)1、2 式，增強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。增大導熱系數(shù)K，外風環(huán)空冷流動風速加大，能使膜泡變形（細頸），如圖2 所示。空冷流動風速過大，會引起膜泡不穩(wěn)定，而導致薄膜的厚度不均。在這種情況下可從膜泡內部加大氣體流動進行有效冷卻，并且在膜泡外表面和內部形成壓力，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)的基礎上上引入了內冷系統(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。從離開口模到結晶時平均膜泡溫度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溫多超過40℃，加工聚乙烯時，平均膜泡溫度多為110℃～135℃。若使用冷凍裝置可以使冷卻風溫下降到15℃以下，然后再送入風環(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，增加設備投資，不符合當前節(jié)能減排要求。如果把風機放到地下，利用地下溫度低于地上溫度的特點，能提高冷卻效率。

另一種方法是減小圖1 中長度L，即減小引起導熱的界面層厚度。如圖2 所示，風環(huán)吹出的空氣接觸膜泡，若空氣沿著膜泡長時間流動，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），進而提高口模出口附近的冷卻效率。減小L對于增大整體導熱系數(shù)和提高生產(chǎn)率是很重要的。

圖1 換熱過程

圖2 外風環(huán)空冷流動風速加大使膜泡變形（細頸）示意圖

圖3 內外氣流平衡后膜泡形狀示意圖

4 各種風環(huán)結構

4.1 雙向進風冷卻風環(huán)

根據(jù)減小L理念設計的雙向逆流冷卻結構如圖4所示。與過去的風環(huán)相比較，這種上吸氣下吹氣中間有圓形護罩帶排氣孔的裝置，上風環(huán)可移動調節(jié)。逆流雙向風環(huán)在膜泡位置處導熱系數(shù)大得多，而且也不會降低口模附近的導熱系數(shù)，冷卻效率可提高20-30%。此風環(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，調整操作困難，不宜使用。

圖4 雙向逆流冷卻結構

4.2 帶有多個出風口間隙的風環(huán)

對于單風環(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，對膜泡的冷卻效率會越來越低。如圖5 所示，用速度矢量表示膜泡附近風速曲線的數(shù)據(jù)，可算出各位置上表示冷卻效果的導熱系數(shù)K，導熱系數(shù)通常用無因次數(shù)來表示。若采用了3個出風口間隙的風環(huán)，自下而上，各個出風口的吹出角逐漸增大，下面出風口吹出的氣流受到上面出風口吹出的氣流沖擊，沖亂了下風口的滯留層，使冷卻氣體層產(chǎn)生湍流，強化了熱量傳播過程，同時上風口吹出的氣流對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 自動風環(huán)

圖5 膜泡表面的距離（cm）

為了使風環(huán)更好地控制薄膜橫向厚度的均勻性，采用自動風環(huán)。自動風環(huán)也是雙風口風環(huán)，它是薄膜厚度自動控制系統(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風環(huán)，只能對厚點調節(jié)（提高段溫），對薄點難以調節(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 分段式風控自動風環(huán)，在圓周上分為若干個風道,每個風道由風室、閥門和步進電機組成,由步進電機驅動閥門調整風道開口度,控制每個風道風量的大小。控制過程中,由測厚探頭將薄膜厚薄信號送到PLC,PLC把厚薄信號與當前設定的平均厚度進行比較，根據(jù)厚度偏差量以及曲線變化的趨勢進行數(shù)據(jù)處理，控制電機驅動閥門移動，當薄膜偏厚時，風口關小；相反風口增大。通過改變風環(huán)圓周各點風量大小，調整各點的冷卻速度，使薄膜橫向厚薄偏差控制在目標范圍內，一般均勻度達到±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)生應變速率和拉伸應力）取決于在雙軸拉伸下的自由邊界流動狀態(tài)，產(chǎn)生雙軸取向。聚乙烯薄膜物理性能及光學特性與成型溫度、吹脹比、擠出量、冷卻線高度的關系很大。

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，增加擠出量可使LLDPE薄膜沖擊強度稍有提高。

5.4 冷凝線的高度

當熔體從口模內擠出后，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Tm溫度以下為止。此時沿著縱向拉伸方向，熔體粘度和形變不再發(fā)生變化的部位稱為冷凝線，它標志著熔體從熔融狀態(tài)到固態(tài)的轉變。因為吹膜生產(chǎn)中最重要的過程發(fā)生在機頭和冷凝線之間，因此這段中膜泡的外形尺寸、力學和光學性質決定著冷凝后膜泡的質量，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，透明度急劇降低（霧度增大），如圖6 所示。這是因為冷凝線增高，冷卻速度慢，結晶過程中容易形成晶核，使薄膜的結晶度增加、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，表面質量得到改善，力學性能得以增強。

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系

6 結束語

通過從理論及實際生產(chǎn)兩方面對聚乙烯農(nóng)用薄膜冷卻定型機理的研究，進一步明確了為提高薄膜產(chǎn)量和質量、降低材料成本和能源消耗應采取的方法及注意事項，對提高企業(yè)競爭力和經(jīng)濟效益、生產(chǎn)用戶滿意的產(chǎn)品具有參考作用。

[1] 北京化工學院，華南工學院.塑料機械設計[M].北京：輕工業(yè)出版社，1983.

[2] 占國榮，周南橋.國外多層共擠吹塑薄膜技術[J].塑料制造, 2007.

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