在特定溫控系統下PLA和PE-LD吹膜過程的溫度場研究

彭義波,張玉清,張旭浩,付曉蓉*,楊鳴波

(1.四川大學化學工程學院, 四川 成都 610065；2.四川大學高分子科學與工程學院，四川 成都 610065)

加工與應用

在特定溫控系統下PLA和PE-LD吹膜過程的溫度場研究

彭義波1,張玉清1,張旭浩1,付曉蓉1*,楊鳴波2

(1.四川大學化學工程學院, 四川 成都 610065；2.四川大學高分子科學與工程學院，四川 成都 610065)

經過合理的假設，使用Fluent軟件分別對聚乳酸(PLA)和低密度聚乙烯(PE-LD)擠出吹塑薄膜過程在特定加熱溫控系統內的溫度場進行了數值模擬，并通過PE-LD吹膜實驗對PE-LD的模擬溫度場進行了驗證，進而驗證了PLA的模擬溫度場。結果表明，PE-LD在加熱溫控系統中溫度場的模擬值和實測值在距薄膜中軸線徑向距離(y)為70～110 mm區域內吻合較好，在y為50～70 mm區域中距薄膜進入溫控系統處軸向高度(x)為100、240 mm處存在一定誤差，但整體趨勢相同；因此，可通過模擬對不同工藝參數下PLA薄膜的溫度場進行預測，為加工過程提供有力地指導。

聚乳酸；溫控系統；溫度場；數值模擬；Fluent軟件

0 前言

由于通過不可再生的石油和天然氣加工而成的傳統塑料制品的大量使用，造成了嚴重的環境問題。隨著環境污染壓力的增大，可持續發展戰略的政策要求，環保意識的提高，發展利用可再生環保材料迫在眉睫，越來越多的環保型新材料受到了更多學者的重視和研究。PLA以生物資源為原料，并最終降解為二氧化碳和水[1],由于PLA具有良好的生物相容性和生物降解性，是良好的替代不可降解石油基塑料的候選材料之一[2-3]。

在塑料制品污染中，包裝等用途的塑料薄膜造成的污染尤為突出，PLA優良的環境友好性特別適用于塑料薄膜。然而由于PLA本身結晶速率較低，若采用傳統吹膜工藝會導致制品脆性明顯、韌性差，同時在吹膜過程中加工窗口也比較窄，極大的限制了其在包裝等領域的應用[4-5]。聚合物分子鏈的結晶不僅與本身結構有關，也與加工過程中受到的剪切場和溫度場息息相關[6]。陳哲峰等[7]研究表明，PLA試樣在不同溫度和拉伸速率的混合場中，在研究范圍的任何一個拉伸速率下，當溫度為80 ℃左右時，PLA試樣都能發生最大程度的結晶；除此之外，不論是在晶區還是非晶區，其分子鏈都能獲得良好的取向。所以一個最佳的溫度對于PLA薄膜的加工具有非常重要的意義。然而，當薄膜加工中主要工藝參數[8](如擠出溫度、熔體流速、吹脹比、牽引比等)發生改變時，其溫度場也會隨之發生變化，僅依靠實驗探索吹膜溫度場的控制不僅實驗量大，而且有些實驗甚至還無法實現。隨著計算機領域的發展，數值模擬能較快且較準確的反應溫度場。Zhang等[9]基于計算流體力學軟件(CFD)對于擠出吹塑薄膜的加工過程進行了研究，利用Fluent求解，準確的獲得了在不同加工條件下的薄膜的溫度場。絕大部分傳統的擠出吹塑薄膜都會采用冷風來加快其薄膜的冷卻速率，陳歷波等[5]研究了冷卻風量及吹脹比對PLA吹膜過程中對流 - 輻射聯合傳熱的影響。但采用特殊溫控系統的PLA擠出吹膜溫度場的研究，目前幾乎未見報導。

為了進一步探究如何提供PLA在吹膜過程中適宜的特殊溫度場，本文采用了商業軟件ICEM CFD進行網格劃分和Fluent進行求解，對采用特殊溫控系統的擠出吹塑薄膜過程進行了數值模擬。由于PLA在擠出吹塑成膜過程中還存在不穩定現象，因此選取了PE-LD為實驗原料，并將其實驗結果與PE-LD模擬結果(模擬方法與PLA相同，僅將模擬中PLA的相關參數替換為PE-LD的)進行了模擬的準確性驗證。最后通過模擬對PLA加工過程中的溫度場進行預測，進而為PLA薄膜加工提供一個最合適的溫度提供指導與參考。

1 數學模型的建立與求解

1.1 模型描述

PLA在吹膜過程中需要特定的溫度場，因此實驗自主設計了一個帶封口的圓筒體溫控系統，如圖1所示，圓筒體尺寸為φ220 mm×960 mm，均分為6段，封口寬度為50 mm。

圖1 溫控系統示意圖Fig.1 Schematic of temperature control system

溫控系統控溫方式采用比例積分微分(PID)控制，控溫誤差為±2 ℃，且每一段可獨立調控其溫度。由于加熱壁面和PLA薄膜都是圓筒面，于是可將整個圓筒傳熱空間視為矩形截面圍繞薄膜中軸線這一對稱軸旋轉而成，則將三維的旋轉體傳熱空間簡化為二維的矩形傳熱平面，其物理模型示意圖如圖2所示。

圖2 物理模型結構示意圖Fig.2 Schematic of the physical model

1.2 模型假設

(1)忽略控溫壁面溫度的波動，視溫度恒定為設置溫度。

(2)控溫套內PLA薄膜牽引向上移動的過程中無徑向運動(即為固定直徑的空心圓筒體向上運動)，并將這一過程視為具有一定壓力的超低黏度PLA流體在上述空心圓筒體內向上流動。

(3)擠出吹塑薄膜操作穩定后，傳熱過程視為穩態傳熱。

1.3 網格劃分

根據物理模型用ICEM CFD畫出幾何模型建立相應的邊界條件。由于整個傳熱空間包含空氣、PLA薄膜、壓縮空氣3種不同的介質，所以本模擬一共劃分3個材料塊。其中膜泡吹脹比為2，牽引比為10(實驗條件)。

1.4 主要控制方程

能量方程，如式(1)所示：

(1)

式中ρ——密度，kg/m3

t——時間，s

E——單位質量流體的總能量，J/kg

P——壓力，Pa

T——溫度，K

keff——有效熱導率，W/(m·K)

hj——j組分熱焓，J/kg

Sh——輻射源項，J/(m3·s)

Fluent中主要提供5種輻射模型[10]，分別為Rossland模型、P1模型、離散傳播輻射模型(DTRM)、表面輻射模型(S2S)、離散坐標(DO)模型。介質的光學厚度(μ)是選擇輻射模型的一個重要的參數。當μ<1時,只能使用DTRM和DO模型[11]。本研究中空氣的光學厚度μ=0.1875,據此計算吸收系數(a)為2.5 m-1，因此選用DTRM[12-13]比較合適。

在DTRM輻射模型中，輻射強度(I)由式(2)計算：

(2)

式中I——輻射強度，J/(m2·rad)

σ——斯蒂芬 - 玻爾茲曼常數，取值為5.669×10-8W/(m2·K4)

s——輻射方向射線經過的距離，m

參與輻射壁面入射輻射熱流通量(qin)由式(3)表示：

(3)

式中Ω——立體角，rad

Iin——入射射線的強度，W/m2

離開壁面的凈輻射熱通量(qout)由式(4)表示：

(4)

式中Tw——表面點的溫度，℃

εw——壁面發射率

壁面處射線輻射強度(I0)由式(5)表示：

(5)

1.5 模擬參數及求解方法

加熱套壁面采用恒溫邊界，不同加熱段的不同溫度使用用戶自定義函數(UDF)來實現。計算過程中對壓力相關選項采取PRESTO!格式進行離散，擴散項和對流項的離散選用二階迎風格式，壓力速度耦合選用SIMPLE算法。

1.6 模擬結果討論1.6.1 PLA和PE-LD薄膜溫度的控制

PLA薄膜在加工過程中模擬初始參數設置與實驗一致，薄膜進入加熱套的溫度為75 ℃(室溫25 ℃)。通過多次模擬，第一段加熱套(0

1—加熱套溫度 2—PLA溫度圖3 PLA薄膜溫度控制的模擬結果Fig.3 Simulation temperature of PLA film

如果氣候變化，薄膜進入加熱套的溫度會隨之改變，通過模擬計算，可及時修改加熱套溫度以確保吹膜過程中PLA薄膜溫度穩定在80 ℃。

由于PLA在吹膜過程中膜泡不穩定，擬采用PE-LD來驗證模擬的準確性，因此采用同樣的方法對PE-LD進行了模擬并對其進行了實驗驗證。PE-LD吹膜實驗中，PE-LD薄膜進入溫控系統時其溫度為55 ℃。在PE-LD吹膜穩定的前提下，為了盡可能接近PLA的溫度場，將第一段加熱套溫度設定為105 ℃，其余5段設定為80 ℃，結果如圖4所示。

1—加熱套溫度 2—PE-LD溫度圖4 PE-LD薄膜溫度控制的模擬結果Fig.4 Simulation temperature of PE-LD film

1.6.2 加熱空間內空氣層的溫度分布模擬

圖5、圖6分別為PLA、PE-LD擠出吹膜中在加熱空間內不同軸向高度的空氣模擬溫度隨徑向的分布圖。圖中徑向29 mm處為膜泡，110 mm處為加熱壁面。

x/mm:1—100 2—240 3—400 4—560圖5 PLA吹膜在不同x處空氣溫度沿徑向的分布圖Fig.5 Temperature profiles at different axial locations for PLA

x/mm:1—100 2—240 3—400 4—560圖6 PE-LD吹膜在不同x處空氣溫度沿徑向的分布圖Fig.6 Temperature profiles at different axial locations for PE-LD

1.6.3 PE-LD的模擬結果討論

由圖5、圖6可知，PLA與PE-LD的模擬結果具有相同的趨勢，故可通過討論PE-LD的模擬結果來分析傳熱過程。在圖6中徑向位置30～110 mm的空氣層內，根據溫度變化趨勢將徑向位置從膜泡到加熱套壁面依次劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段。在x=100 mm高度上，Ⅰ段內存在較大的溫升，這主要是由于膜泡與加熱壁面之間存在一個環形缺口縫隙，此處空氣為外界環境的冷空氣和加熱空間內熱空氣的混合氣體，而該高度加熱壁面的溫度很高，兩者間存在一個較大的溫差；隨著徑向距離增大到Ⅱ段，在封口的作用下，溫升趨于平緩；但在Ⅲ段內，即靠近加熱壁面附近處，由于空氣為光學薄介質，所以與壁面溫度存在較大溫差，溫度又急劇上升。隨著軸向高度增加，其余各段加熱壁面溫度為80 ℃，薄膜溫度也在逐漸增加，兩者的溫差逐漸縮小，總體升溫趨勢越來越平緩。

在軸向高度方向上，加熱套均分為6段。當外界冷空氣進入第一段內，在不斷上升的過程中被薄膜和加熱套同時加熱，溫度迅速上升。進入第二段加熱套后，由于加熱套設置的溫度從105 ℃降到80 ℃，導致Ⅱ、Ⅲ段以及部分Ⅰ段(徑向位置約為38～60 mm)的空氣溫度隨著高度的增加有所下降；但在Ⅰ段近薄膜壁面處的空氣溫度呈上升趨勢，這主要是由于薄膜進入加熱空間后受到加熱壁面的輻射傳熱導致溫度增加，同時薄膜又通過對流作用加熱近膜面空氣導致其溫度有所增加。

2 實驗部分

2.1 主要原料

PE-LD，18D，性能參數如表1所示，中國石油天然氣股份有限公司。

表1 PE-LD的性能參數Tab.1 Physical properties parameter of PE-LD

注：除ρ外，其余參數均為自行實驗測定[14-15]。

2.2 主要設備及儀器

擠出吹膜機，LF-250，上海威訊科技有限公司；

溫控系統，GXL-21，成都市興中成電熱電器有限公司；

紅外熱像儀，Ti27, 美國福祿克電子儀器儀表公司；

數據采集器，ESR30/02USBVO，成都怡騰自動化科技有限公司；

熱電偶，WCGK-1，測量范圍為-35～350 ℃，誤差為±0.5 ℃，熱響應時間為0.8 s，上海威爾泰工業自動化股份有限公司。

2.3 溫度場的測定

首先加入原料PE-LD，吹膜機溫度參數設置如表2所示。

表2 擠出吹膜機實驗參數Tab.2 Technical parameters in blown film process

螺桿轉速15 r/min，調整壓縮空氣流量控制膜泡吹脹比為2，人字輥和牽引輥轉速均為2.5 m/min，牽引比為10。將第一段加熱壁面的溫度設置為105 ℃，其余5段為80 ℃，與模擬邊界設置的溫度相同。實驗中調整壁溫波動范圍為±2 ℃，滿足壁面溫度恒定要求。壁面溫度穩定20 min后，開始測溫，測溫點如圖7所示(圖中標注單位，mm)。

(a)軸向測溫 (b)徑向測溫位圖7 實驗測溫示意圖Fig.7 Schematic of temperature measuring experiment

圖7中所示A、B、C 3個不同高度的軸向位置為熱電偶的測溫位置，通過調整熱電偶插入深度(插入深度依次為y=100、90、80、70、60、50 mm)，在每個位置的測溫時間為20 s，則可測出在A、B、C處個不同徑向處的溫度場并用無紙記錄儀進行記錄。

2.4 PE-LD進入溫控系統時溫度測定

在實驗進行測溫的同時，通過采用Fluke紅外熱像儀對PE-LD薄膜進入溫控系統的溫度進行測定。測試結果如圖8所示，進入加熱空間的平均溫度為55 ℃。

圖8 膜泡進入溫控系統時的紅外熱像圖Fig.8 Infrared image of the bubble when it was drawn into temperature control system

3 PE-LD模擬值與實測值比較與分析

由于薄膜在溫控系統的溫度測量困難，故不能直接對模擬的薄膜溫度進行驗證，但是可以對加熱壁面與薄膜之間的空氣溫度變化進行比較,進而驗證模型。分別在x=100、240、560 mm的軸向高度上，將加熱空間里空氣沿徑向的溫度分布的模擬值與實驗值進行比較。

從圖9中可以看出，實驗值與模擬值溫度變化有相同的趨勢。在y為50～70 mm區域兩者存在偏差，實驗值低于模擬值，越靠近膜泡差距變大。這主要是因為此處有缺口，空氣受熱向上運動，外界冷空氣自然會被吸入，而且由于模擬假設PE-LD為超低黏度流體，而實際的PE-LD薄膜的黏度大于假設，在薄膜被牽引過程中會給空氣較大的切應力，帶動貼層空氣一起運動，也會使冷空氣從缺口處進入，故此段實驗值比模擬值低。在y>70 mm后，已經在封口內區域，基本不受到吸入冷空氣的對流影響，此處模擬值與實測值高度吻合。

1—模擬值 2—實驗值圖9 x=100mm 處PE-LD溫度變化模擬值與實測值的比較Fig.9 Comparison between theoretical and experimental temperature distribution of PE-LD at x=100 mm

模擬值，x/mm：1—240 2—560實驗值，x/mm：3—240 4—560圖10 PE-LD溫度變化模擬值與實測值的比較(x=240、560 mm)Fig.10 Comparison between theoretical and experimental temperature distribution of PE-LD at x=240mm and x=560 mm

從圖10可以看出，模擬值和實驗值的溫度變化在總體上具有相同的趨勢，在x=240 mm處，實驗值比模擬值低，說明在此高度上缺口處的空氣對流影響依然存在，而模擬中考慮的對流影響未能完全體現實際的對流影響過程。在x=560 mm處，模擬值和實驗值吻合良好，這是因為此高度屬于整個加熱套高度的中間區域，對流影響很小。

4 結論

(1)通過對溫控系統溫度的正確設置，可使PLA膜泡溫度快速上升并維持在需要的溫度范圍；

(2)由PE-LD吹膜實驗驗證，建立的物理模型適用于本文研究的吹膜過程，能表達PE-LD和PLA在溫控系統內的溫度場；

(3)由模型可推算出PLA吹膜各種操作參數下溫控系統所需的設定參數。

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Study on Temperature Field of Blown Film Process for PLAand PE-LD in Certain Temperature Control System

PENG Yibo1, ZHANG Yuqing1, ZHANG Xuhao1,FU Xiaorong1*, YANG Mingbo2

(1.College of Chemical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China；2.College of Polymer Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

Temperature fields of bolwn film process for ploy(lactic acid) (PLA) and low-density polyethylene (PE-LD) in certain temperature control system were studied through a numerical simulation on the basis of some reasonable assumptions. The model was established by a Fluent software and then verified by the measured results from PE-LD. The results indicated that the simulated values of PE-LD were in good agreement with its measured results in the distance range of 70～110 mm. Although there were some errors in the distance range of 50～70 mm, the whole trend was identical. Summarily, the temperature fields can be predicted for the blowing process of PLA film under different parameter conditions via this simulation method, thus providing guidance for mass production and quality analyses.

ploy(lactic acid); temperature control system; temperature field; numerical simulation; Fluent software

2016-12-26

國家自然科學基金(51033003)

TQ321

B

1001-9278(2017)05-0046-06

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.05.010

*聯系人：18583237629@163.com