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，對薄膜產量和質量都有很大的影響。目前吹塑系統采用直接驅動方式，為提高擠出機的速度和產量，就必須克服因冷卻不充分而使產量受到限制的問題。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：在膜泡外表面進行冷卻的外冷系統和在膜泡內表面冷卻的內冷系統，還有對薄膜內外表面同時進行冷卻的雙冷系統。

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生粘連、摩擦形變和起皺現象。

（3）易于調整，便于操作，盡量適應多種幅寬的薄膜生產。

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/kcal/m2℃·h。

根據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。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（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?？绽淞鲃语L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。由于在外冷系統的基礎上上引入了內冷系統，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和提高生產率是很重要的。

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大得多，而且也不會降低口模附近的導熱系數，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據，可算出各位置上表示冷卻效果的導熱系數K，導熱系數通常用無因次數來表示。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?？刂七^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，根據厚度偏差量以及曲線變化的趨勢進行數據處理，控制電機驅動閥門移動，當薄膜偏厚時，風口關?。幌喾达L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兩方面對聚乙烯農用薄膜冷卻定型機理的研究，進一步明確了為提高薄膜產量和質量、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)競爭力和經濟效益、生產用戶滿意的產品具有參考作用。

[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.