在特定温控系统下PLA和PE-LD吹膜过程的温度场研究

彭义波,张玉清,张旭浩,付晓蓉*,杨鸣波

(1.四川大学化学工程学院, 四川 成都 610065；2.四川大学高分子科学与工程学院，四川 成都 610065)

加工与应用

在特定温控系统下PLA和PE-LD吹膜过程的温度场研究

彭义波1,张玉清1,张旭浩1,付晓蓉1*,杨鸣波2

(1.四川大学化学工程学院, 四川 成都 610065；2.四川大学高分子科学与工程学院，四川 成都 610065)

经过合理的假设，使用Fluent软件分别对聚乳酸(PLA)和低密度聚乙烯(PE-LD)挤出吹塑薄膜过程在特定加热温控系统内的温度场进行了数值模拟，并通过PE-LD吹膜实验对PE-LD的模拟温度场进行了验证，进而验证了PLA的模拟温度场。结果表明，PE-LD在加热温控系统中温度场的模拟值和实测值在距薄膜中轴线径向距离(y)为70～110 mm区域内吻合较好，在y为50～70 mm区域中距薄膜进入温控系统处轴向高度(x)为100、240 mm处存在一定误差，但整体趋势相同；因此，可通过模拟对不同工艺参数下PLA薄膜的温度场进行预测，为加工过程提供有力地指导。

聚乳酸；温控系统；温度场；数值模拟；Fluent软件

0 前言

由于通过不可再生的石油和天然气加工而成的传统塑料制品的大量使用，造成了严重的环境问题。随着环境污染压力的增大，可持续发展战略的政策要求，环保意识的提高，发展利用可再生环保材料迫在眉睫，越来越多的环保型新材料受到了更多学者的重视和研究。PLA以生物资源为原料，并最终降解为二氧化碳和水[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选材料之一[2-3]。

在塑料制品污染中，包装等用途的塑料薄膜造成的污染尤为突出，PLA优良的环境友好性特别适用于塑料薄膜。然而由于PLA本身结晶速率较低，若采用传统吹膜工艺会导致制品脆性明显、韧性差，同时在吹膜过程中加工窗口也比较窄，极大的限制了其在包装等领域的应用[4-5]。聚合物分子链的结晶不仅与本身结构有关，也与加工过程中受到的剪切场和温度场息息相关[6]。陈哲峰等[7]研究表明，PLA试样在不同温度和拉伸速率的混合场中，在研究范围的任何一个拉伸速率下，当温度为80 ℃左右时，PLA试样都能发生最大程度的结晶；除此之外，不论是在晶区还是非晶区，其分子链都能获得良好的取向。所以一个最佳的温度对于PLA薄膜的加工具有非常重要的意义。然而，当薄膜加工中主要工艺参数[8](如挤出温度、熔体流速、吹胀比、牵引比等)发生改变时，其温度场也会随之发生变化，仅依靠实验探索吹膜温度场的控制不仅实验量大，而且有些实验甚至还无法实现。随着计算机领域的发展，数值模拟能较快且较准确的反应温度场。Zhang等[9]基于计算流体力学软件(CFD)对于挤出吹塑薄膜的加工过程进行了研究，利用Fluent求解，准确的获得了在不同加工条件下的薄膜的温度场。绝大部分传统的挤出吹塑薄膜都会采用冷风来加快其薄膜的冷却速率，陈历波等[5]研究了冷却风量及吹胀比对PLA吹膜过程中对流 - 辐射联合传热的影响。但采用特殊温控系统的PLA挤出吹膜温度场的研究，目前几乎未见报导。

为了进一步探究如何提供PLA在吹膜过程中适宜的特殊温度场，本文采用了商业软件ICEM CFD进行网格划分和Fluent进行求解，对采用特殊温控系统的挤出吹塑薄膜过程进行了数值模拟。由于PLA在挤出吹塑成膜过程中还存在不稳定现象，因此选取了PE-LD为实验原料，并将其实验结果与PE-LD模拟结果(模拟方法与PLA相同，仅将模拟中PLA的相关参数替换为PE-LD的)进行了模拟的准确性验证。最后通过模拟对PLA加工过程中的温度场进行预测，进而为PLA薄膜加工提供一个最合适的温度提供指导与参考。

1 数学模型的建立与求解

1.1 模型描述

PLA在吹膜过程中需要特定的温度场，因此实验自主设计了一个带封口的圆筒体温控系统，如图1所示，圆筒体尺寸为φ220 mm×960 mm，均分为6段，封口宽度为50 mm。

图1 温控系统示意图Fig.1 Schematic of temperature control system

温控系统控温方式采用比例积分微分(PID)控制，控温误差为±2 ℃，且每一段可独立调控其温度。由于加热壁面和PLA薄膜都是圆筒面，于是可将整个圆筒传热空间视为矩形截面围绕薄膜中轴线这一对称轴旋转而成，则将三维的旋转体传热空间简化为二维的矩形传热平面，其物理模型示意图如图2所示。

图2 物理模型结构示意图Fig.2 Schematic of the physical model

1.2 模型假设

(1)忽略控温壁面温度的波动，视温度恒定为设置温度。

(2)控温套内PLA薄膜牵引向上移动的过程中无径向运动(即为固定直径的空心圆筒体向上运动)，并将这一过程视为具有一定压力的超低黏度PLA流体在上述空心圆筒体内向上流动。

(3)挤出吹塑薄膜操作稳定后，传热过程视为稳态传热。

1.3 网格划分

根据物理模型用ICEM CFD画出几何模型建立相应的边界条件。由于整个传热空间包含空气、PLA薄膜、压缩空气3种不同的介质，所以本模拟一共划分3个材料块。其中膜泡吹胀比为2，牵引比为10(实验条件)。

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——时间，s

E——单位质量流体的总能量，J/kg

P——压力，Pa

T——温度，K

keff——有效热导率，W/(m·K)

hj——j组分热焓，J/kg

Sh——辐射源项，J/(m3·s)

Fluent中主要提供5种辐射模型[10]，分别为Rossland模型、P1模型、离散传播辐射模型(DTRM)、表面辐射模型(S2S)、离散坐标(DO)模型。介质的光学厚度(μ)是选择辐射模型的一个重要的参数。当μ<1时,只能使用DTRM和DO模型[11]。本研究中空气的光学厚度μ=0.1875,据此计算吸收系数(a)为2.5 m-1，因此选用DTRM[12-13]比较合适。

在DTRM辐射模型中，辐射强度(I)由式(2)计算：

(2)

式中I——辐射强度，J/(m2·rad)

σ——斯蒂芬 - 玻尔兹曼常数，取值为5.669×10-8W/(m2·K4)

s——辐射方向射线经过的距离，m

参与辐射壁面入射辐射热流通量(qin)由式(3)表示：

(3)

式中Ω——立体角，rad

Iin——入射射线的强度，W/m2

离开壁面的净辐射热通量(qout)由式(4)表示：

(4)

式中Tw——表面点的温度，℃

εw——壁面发射率

壁面处射线辐射强度(I0)由式(5)表示：

(5)

1.5 模拟参数及求解方法

加热套壁面采用恒温边界，不同加热段的不同温度使用用户自定义函数(UDF)来实现。计算过程中对压力相关选项采取PRESTO!格式进行离散，扩散项和对流项的离散选用二阶迎风格式，压力速度耦合选用SIMPLE算法。

1.6 模拟结果讨论1.6.1 PLA和PE-LD薄膜温度的控制

PLA薄膜在加工过程中模拟初始参数设置与实验一致，薄膜进入加热套的温度为75 ℃(室温25 ℃)。通过多次模拟，第一段加热套(0

1—加热套温度 2—PLA温度图3 PLA薄膜温度控制的模拟结果Fig.3 Simulation temperature of PLA film

如果气候变化，薄膜进入加热套的温度会随之改变，通过模拟计算，可及时修改加热套温度以确保吹膜过程中PLA薄膜温度稳定在80 ℃。

由于PLA在吹膜过程中膜泡不稳定，拟采用PE-LD来验证模拟的准确性，因此采用同样的方法对PE-LD进行了模拟并对其进行了实验验证。PE-LD吹膜实验中，PE-LD薄膜进入温控系统时其温度为55 ℃。在PE-LD吹膜稳定的前提下，为了尽可能接近PLA的温度场，将第一段加热套温度设定为105 ℃，其余5段设定为80 ℃，结果如图4所示。

1—加热套温度 2—PE-LD温度图4 PE-LD薄膜温度控制的模拟结果Fig.4 Simulation temperature of PE-LD film

1.6.2 加热空间内空气层的温度分布模拟

图5、图6分别为PLA、PE-LD挤出吹膜中在加热空间内不同轴向高度的空气模拟温度随径向的分布图。图中径向29 mm处为膜泡，110 mm处为加热壁面。

x/mm:1—100 2—240 3—400 4—560图5 PLA吹膜在不同x处空气温度沿径向的分布图Fig.5 Temperature profiles at different axial locations for PLA

x/mm:1—100 2—240 3—400 4—560图6 PE-LD吹膜在不同x处空气温度沿径向的分布图Fig.6 Temperature profiles at different axial locations for PE-LD

1.6.3 PE-LD的模拟结果讨论

由图5、图6可知，PLA与PE-LD的模拟结果具有相同的趋势，故可通过讨论PE-LD的模拟结果来分析传热过程。在图6中径向位置30～110 mm的空气层内，根据温度变化趋势将径向位置从膜泡到加热套壁面依次划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段。在x=100 mm高度上，Ⅰ段内存在较大的温升，这主要是由于膜泡与加热壁面之间存在一个环形缺口缝隙，此处空气为外界环境的冷空气和加热空间内热空气的混合气体，而该高度加热壁面的温度很高，两者间存在一个较大的温差；随着径向距离增大到Ⅱ段，在封口的作用下，温升趋于平缓；但在Ⅲ段内，即靠近加热壁面附近处，由于空气为光学薄介质，所以与壁面温度存在较大温差，温度又急剧上升。随着轴向高度增加，其余各段加热壁面温度为80 ℃，薄膜温度也在逐渐增加，两者的温差逐渐缩小，总体升温趋势越来越平缓。

在轴向高度方向上，加热套均分为6段。当外界冷空气进入第一段内，在不断上升的过程中被薄膜和加热套同时加热，温度迅速上升。进入第二段加热套后，由于加热套设置的温度从105 ℃降到80 ℃，导致Ⅱ、Ⅲ段以及部分Ⅰ段(径向位置约为38～60 mm)的空气温度随着高度的增加有所下降；但在Ⅰ段近薄膜壁面处的空气温度呈上升趋势，这主要是由于薄膜进入加热空间后受到加热壁面的辐射传热导致温度增加，同时薄膜又通过对流作用加热近膜面空气导致其温度有所增加。

2 实验部分

2.1 主要原料

PE-LD，18D，性能参数如表1所示，中国石油天然气股份有限公司。

表1 PE-LD的性能参数Tab.1 Physical properties parameter of PE-LD

注：除ρ外，其余参数均为自行实验测定[14-15]。

2.2 主要设备及仪器

挤出吹膜机，LF-250，上海威讯科技有限公司；

温控系统，GXL-21，成都市兴中成电热电器有限公司；

红外热像仪，Ti27, 美国福禄克电子仪器仪表公司；

数据采集器，ESR30/02USBVO，成都怡腾自动化科技有限公司；

热电偶，WCGK-1，测量范围为-35～350 ℃，误差为±0.5 ℃，热响应时间为0.8 s，上海威尔泰工业自动化股份有限公司。

2.3 温度场的测定

首先加入原料PE-LD，吹膜机温度参数设置如表2所示。

表2 挤出吹膜机实验参数Tab.2 Technical parameters in blown film process

螺杆转速15 r/min，调整压缩空气流量控制膜泡吹胀比为2，人字辊和牵引辊转速均为2.5 m/min，牵引比为10。将第一段加热壁面的温度设置为105 ℃，其余5段为80 ℃，与模拟边界设置的温度相同。实验中调整壁温波动范围为±2 ℃，满足壁面温度恒定要求。壁面温度稳定20 min后，开始测温，测温点如图7所示(图中标注单位，mm)。

(a)轴向测温 (b)径向测温位图7 实验测温示意图Fig.7 Schematic of temperature measuring experiment

图7中所示A、B、C 3个不同高度的轴向位置为热电偶的测温位置，通过调整热电偶插入深度(插入深度依次为y=100、90、80、70、60、50 mm)，在每个位置的测温时间为20 s，则可测出在A、B、C处个不同径向处的温度场并用无纸记录仪进行记录。

2.4 PE-LD进入温控系统时温度测定

在实验进行测温的同时，通过采用Fluke红外热像仪对PE-LD薄膜进入温控系统的温度进行测定。测试结果如图8所示，进入加热空间的平均温度为55 ℃。

图8 膜泡进入温控系统时的红外热像图Fig.8 Infrared image of the bubble when it was drawn into temperature control system

3 PE-LD模拟值与实测值比较与分析

由于薄膜在温控系统的温度测量困难，故不能直接对模拟的薄膜温度进行验证，但是可以对加热壁面与薄膜之间的空气温度变化进行比较,进而验证模型。分别在x=100、240、560 mm的轴向高度上，将加热空间里空气沿径向的温度分布的模拟值与实验值进行比较。

从图9中可以看出，实验值与模拟值温度变化有相同的趋势。在y为50～70 mm区域两者存在偏差，实验值低于模拟值，越靠近膜泡差距变大。这主要是因为此处有缺口，空气受热向上运动，外界冷空气自然会被吸入，而且由于模拟假设PE-LD为超低黏度流体，而实际的PE-LD薄膜的黏度大于假设，在薄膜被牵引过程中会给空气较大的切应力，带动贴层空气一起运动，也会使冷空气从缺口处进入，故此段实验值比模拟值低。在y>70 mm后，已经在封口内区域，基本不受到吸入冷空气的对流影响，此处模拟值与实测值高度吻合。

1—模拟值 2—实验值图9 x=100mm 处PE-LD温度变化模拟值与实测值的比较Fig.9 Comparison between theoretical and experimental temperature distribution of PE-LD at x=100 mm

模拟值，x/mm：1—240 2—560实验值，x/mm：3—240 4—560图10 PE-LD温度变化模拟值与实测值的比较(x=240、560 mm)Fig.10 Comparison between theoretical and experimental temperature distribution of PE-LD at x=240mm and x=560 mm

从图10可以看出，模拟值和实验值的温度变化在总体上具有相同的趋势，在x=240 mm处，实验值比模拟值低，说明在此高度上缺口处的空气对流影响依然存在，而模拟中考虑的对流影响未能完全体现实际的对流影响过程。在x=560 mm处，模拟值和实验值吻合良好，这是因为此高度属于整个加热套高度的中间区域，对流影响很小。

4 结论

(1)通过对温控系统温度的正确设置，可使PLA膜泡温度快速上升并维持在需要的温度范围；

(2)由PE-LD吹膜实验验证，建立的物理模型适用于本文研究的吹膜过程，能表达PE-LD和PLA在温控系统内的温度场；

(3)由模型可推算出PLA吹膜各种操作参数下温控系统所需的设定参数。

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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

国家自然科学基金(51033003)

TQ321

B

1001-9278(2017)05-0046-06

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.05.010

*联系人：18583237629@163.com