BOPET生产中传热模型的建立与应用

CHINAPLASTICSINDUSTRY

・23・

成型加工与设备

BOPET生产中传热模型的建立与应用　Ξ

刘国平

(仪化东丽聚酯薄膜有限公司,江苏仪征211900)

　　摘要:针对双向拉伸聚酯薄膜(BOPET)的生产特点,建立了一套模型,用于加工过程中的传热问题研究。结果表明,对于BOPET的生产,铸膜时必须保证有充分的冷却时间,铸膜辊的直径大小取决于生产线的上限膜厚;对于特厚膜的生产,需采用双辊冷却的方法,冷却时间比最好为85∶15左右;对于纵向拉伸的预热系统,采用多辊双面交替加热的方式为佳;对于横向拉伸的预热系统,膜厚对加热效果影响较小,预热区的选择取决于生产速度。　　关键词:双向拉伸;聚酯薄膜;模型;传热;铸膜;温度梯度

　　中图分类号:TQ32314　　　文献标识码:B　　　文章编号:1005-5770(2004)09-0023-03

EstablishmentandApplicationofHeatTransmissionModelfor

ProductionofBOPET

LIUGuo2ping

(YihuaTorayPolyesterFilmCo1Ltd1,Yizheng211900,China)

Abstract:InaccordancewiththecharacteristicsoftheproductionofBOPET,amodelwasestablishedtoanalysetheheattransmissionduringtheprocessing1TheresultsshowedfortheproductionofBOPET,thecoolingtimeforfilmcastingshouldbelongenough,andthediameterofthecastingrolldependedupontheupperlimitofthefilmthicknessoftheproductionline1Fortheproductionofthefilmofsupperthickness,twin2rollcoolingshouldbeused,andtheratioofcoolingtimewouldbettertobeabout85:151Inthelongitudinalorientationpreheatingsystem,multi2rollanddouble2sidealternatingheatingwouldbethebest1Inthehorizontalorientationpreheatingsys2tem,thethicknessofthefilmhadlittleeffectontheheating,andtheselectionofthepreheatingzonedependedupontheproductionrate1ThismodelcouldbeappliedtotheprocessingoftheproductionofotherBOPETofthelike1

Keywords:BiaxialOrientation;PolyesterFilm;Model;Heat2transmission;Casting;TemperatureGradient

　　双向拉伸聚酯薄膜(BOPET)的生产首先是将

PET树脂熔融并从狭缝状模头中挤出,在冷却辊表面快速冷却铸成无定形厚片,再依次经纵向、横向拉伸成膜,然后经热定型处理后收卷成卷,最后分切包装为成品。通常生产流程如下:

结晶干燥→熔融挤出→冷却铸片→纵向拉伸(MDO)→成品横向拉伸(TDO)→热定型→牵引收卷→分切包装→

理的设计。

1　薄膜传热模型的建立与表征

　　生产中常用高度抛光的辊筒与膜表面直接接触,用热风喷射进行加热和冷却;而薄膜内部的传导传热要复杂许多。因此需要建立模型进行研究。　　为建立模型,特作以下假设[1]:薄膜宽度方向上温度一致;薄膜运动方向上的热传导忽略不计;厚片的结晶忽略不计。

　　基于以上假设,将膜平均分为n层叠加而成[2]

(如图1所示,图中假设箭头方向为热传递方向),各层温度相同,厚度为r;则在τ时刻时,dτ时间内有:

τ　　dQ0=αr(Tr-t1)d

(1)

　　其中冷却铸片、纵向拉伸、横向拉伸过程中需对

薄膜进行多次的加热和冷却,薄膜的铸片和纵、横向拉伸都必须控制在一定的温度下进行;由于薄膜的加热和冷却通常是对薄膜表面直接进行强制加热和冷却,薄膜内部则主要靠热传导进行传热。而聚酯的导热性较差。因此必须对薄膜的加热和冷却装置进行合

Ξ作者简介:刘国平,男,1972年生,工程师,主要从事双向拉伸塑料薄膜的生产研究和技术开发,已发表相关论文2篇。yzh1lzp@public1yz1js1cn

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塑　料　工　业

2004年

　　dQn+1=αa(tn-Ta)d

τ(2)

图1　薄膜厚度方向传热模型示意图

Fig1Modelofheattransmissioninfilmthicknessdirection

　　当r足够小时,在第i-1、i层间有:

　　dQi=λ

ti-1-ti

r

dτ(3)

则在dτ时间内第i层温升为:

　　dtQi-dQi+1

i=

dρcr

(4)

式中,Qi为由第i-1层传入第i层的热通量,kJ/m2;ti为第i层温度,℃;Q0为辊面侧由辊面传入膜

的热通量,kJ/m2;Qn+1为空气侧由膜散入空气的热通量,kJ/m2;αr为辊表面与膜间传热系数,kJ/m2

・h・℃;αa为空气与膜间传热系数,kJ/m2・h・℃;c为膜的比热容,kJ/kg・℃;ρ为膜密度,kg/m3;τ为时间,h。

　　用以上公式很难直接进行积分计算,但可采用计

算机进行模拟计算,以一极小量Δ

τ替代dτ,则有:　　

ΔQti-1,j-1

-ti,j-1

i,j=λr

Δτ　(i=1,2,3,…,n)

(5)

　　ΔQ0,j=αr(Tr-t1,j-1)Δτ(6)　　ΔQn+1,j=αa(tn,j-1-Ta)Δτ(7)　　tQi,j-ΔQi+1,j

i,j=

Δρcr

+ti,j-1

(8)

式中,Qi,j为Δj

τ时刻,Δτ时间内由第i21层传至第i层的热通量,kJ/m2

;ti,j为Δj

τ时刻第i层温度,℃。　　采用以上模型并结合薄膜表面的强制传热系数,

不仅可模拟计算出膜的温升(降)曲线,而且可以计算出膜内温度分布梯度,这对生产线的设计和生产工艺参数的选择有一定的指导作用。

2　薄膜传热模型的应用

　　薄膜加工过程中,薄膜需要经历多次加热和冷却过程,其中以冷却铸片、纵向拉伸、横向拉伸最为重要,下面分别就这几个方面进行研究。211　铸膜系统的研究

21111　薄膜厚度对冷却时间的影响

　　铸膜系统通常是通过一个大直径、表面高度抛光的金属冷却辊,内部通冷却水对贴附在其表面的PET

熔体(约285℃

)进行快速冷却固化,形成无定形的片材(30～50℃)。由于285℃时的熔体片材厚度较

大,热负荷大,在冷却过程中会在片材厚度方向形成较大的温度梯度,导致片材内部与表面的温度有很大差异。图2和图3分别为不同厚度片材在冷却辊温度为28℃下冷却时的温度分布图。

图2　180μm薄片冷却时的温度分布

(三曲线分别为薄膜两表面和中心温度)Fig2Temperaturedistributionof180μmthin

sheetduringcooling

图3　1200μm厚片冷却时的温度分布

(五曲线分别为膜厚五等分点处的温度)Fig3Temperaturedistributionof1200μmthick

sheetduringcooling

　　从图2和图3中可以看出,膜厚增加时,冷却速度大大降低,温度分布梯度迅速增大,且冷却时间对冷却效果的影响远小于膜厚的影响。实际生产线中,由于生产线中冷却辊的直径是一定的,辊径的选择必须保证各种厚度的厚片得到充分冷却。21112　薄膜厚度对冷却效果的影响

　　图4是膜片对厚度冷却效果的影响。由图4可知,膜片越厚,传热效果越差。因此通常在生产线的设计时,为保证厚膜的生产,必须保证膜片得到充分冷却;最直接的方法是增大冷却辊的直径以延长冷却时间,冷却辊直径的选择必须保证最终膜温在玻璃化温度以下。由于冷却辊直径越大,设备加工就越困难,且价格昂贵;因此,对于特厚膜,可采用双冷却辊的方法对膜片两面依次进行冷却,其冷却曲线如图5所示。

第32卷第9期刘国平:BOPET生产中传热模型的建立与应用・25・

图4　膜片厚度对冷却效果的影响

Fig4Effectofsheetthicknessoncooling

图5　1200μm厚片双冷却辊冷却时的温度分布

(五曲线分别为膜厚五等分点处的温度)Fig5Temperaturedistributionof1200μm

thicksheetwithtwincoolingrolls

　　在保持冷却时间相同的情况下,以第一冷却辊冷

却时间占总时间的比例为考核指标,考察了双冷却辊直径比对冷却效果的影响,结果见图6。

图6　双冷却辊尺寸比例对冷却效果的影响

Fig6Effectoftwinrollsrelativesizeoncooling

　　由图6中可知,对于1200μm和1600μm的厚片,有一个共同特征:即第一冷却辊的冷却时间占总时间的比例低于85%时,冷却效果较佳。因此,对于特厚膜的生产线,通常采用一大冷却辊和一较小冷却辊的配置,实现双面冷却,提高冷却效率。212　MDO系统的研究

　　MDO中对膜片的预热也是通过辊表面加热进行的。由211中可知,随着膜厚的上升,其传热效率迅

速越低。因此,通常薄膜在MDO中预热时,只研究厚膜的预热情况。由于对膜两面逐次进行加热(冷却)的效果好于单面加热(冷却);因此,MDO采用多根小辊分别对薄膜的两边依次进行多次加热。这样一方面提高加热效率;另一方面,提高薄膜内部温度分布的均匀性。其加热曲线见图7。

图7　辊温为100℃时1200μm厚片的预热曲线

(两条锯齿线为厚片两表面温度,平滑曲线为平均温度曲线)

Fig7Temperaturedistributionof1200μmthick

sheetduringpre2heating

　　研究还表明(见表1),在相同的预热时间内,

采用的辊数越多,效果越好,温度越均匀。

表1　预热辊数对预热效果的影响1)

Tab1Effectofnumberofrollonpre2heating

预热辊数

相应辊径/mm

最终膜均温/℃两表面温差/℃

84321341012292921931016219931221520

175

9314

211

　　注:1)膜厚1200μm,预热总时间515s。

213　TDO系统的研究

　　TDO对膜的加热方式与铸片及MDO不同,是通过风机将热空气同时高速吹向膜的两表面,达到加热的目的;除了表面传热方式不同外,内部传热方式与铸膜和MDO相同,故也可采用此模型。由于厚片经纵向拉伸后,厚度大大降低;且同时采用双面加热,传热效率有大幅度提高;另外,空气与膜间的传热系数远低于辊面与膜间的传热系数,膜内部热阻相对于表面热阻较小。故下面的研究忽略膜内部的热阻。　　若忽略膜内部的热阻,即膜表里温度完全一致,则在dτ时间内空气传入膜表面积为A的热通量[3]为:

　　Q1=2αA(Tg-t)d

τ(9)　　在d

τ时间内,传入的热量用于膜的升温:　　Q2=cmdt

(10)

(下转第32页)

・32・塑　料　工　业2004年

　　图9为流道的端面粘度等值线分布图。由图9可

以看到,螺棱顶端小间隙,特别是三个啮合区的螺棱顶端的物料粘度值最小;其次是螺槽中物料;中心区物料的粘度值最大。这是因为螺棱顶端的物料压力梯度最大,流动速度最快,所受的剪切应力最大,物料剪切变稀,所以粘度值最小;而中心区的物料压力梯度较小,流动缓慢,所受的剪切应力较小,所以粘度值较大。

图9　流道端面粘度值

Fig9Viscosityatfaceofchannel

3　结论

　　综上所述,由于三螺杆常规螺纹元件特殊的几何

结构,物料在流道中的流动情况具有以下特点:

(上接第25页)

由热平衡得Q1=Q2,有

2αA(Tg-t)=cmdt

(11)又A

δρ=m,有2α(Tg-t)dτ=ρcδdt

(12)

积分得:

2αT-cτ=lngt0

ρδT(g-t

13)

式中,α为空气与膜表面传热系数,kJ/m2・℃・h;c为膜的比热容,kJ/kg・℃;ρ为膜的密度,kg/m3;δ为膜厚,m;Tg为加热空气温度,℃;t0为膜初始温度,℃;t为膜最终温度,℃;τ为时间,h。　　在相同的加热条件下,由模型与公式(13)得到的最终温度见表2。

表2　模型与公式(13)得到的最终温度对比表1)

Tab2ComparisonoffinaltemperaturebasedonmodelandFormular13

膜厚/μm

45

95140190285380相应速度/m・min-1

400190129956347模型模拟温度/℃111121111111111111101101911018式(13)计算温度/℃11112

11112

11112

11112

11112

11112

　　注:1)相同的生产能力下,预热空气温度120℃。

　　由表2可知,对于非特厚膜的生产,在相同薄膜

　　1)三螺杆挤出机具有三个啮合区,在啮合区具有较大的压力梯度、速度梯度,有利于物料的充分混合,其混合性能好于双螺杆挤出机。　　2)中心区的压力梯度和速度梯度都较小,物料在中心区流动缓慢,有明显的环流现象,不利于物料的混合。　　3)螺棱区的物料粘度值较小,中心区的物料粘度值较大。　　4)由于压力流和拖拽流的共同作用,中心区物料没有滞留现象,但物料在该区的停留时间较长;因此在使用三螺杆挤出机时,应注意对加工聚合物种类的选择,反应时间不宜过长的聚合物应尽量避免使用三螺杆挤出机。

参考文献

1　金月富,耿孝正,梁畅1中国塑料,2002,16(1):79

2　尹燕玲,耿孝正,马秀清1中国塑料,2002,16(6):763　翟金平,胡汉平1聚合物成型原理及成型技术1化学工业

出版社,2001

4　朱向哲1双螺杆反应器挤出过程的数值模拟:[硕士论文]1

辽宁抚顺:辽宁石油化工大学,2004

(本文于2004-06-03收到)

产量的情况下,TDO对膜的加热效果受膜厚的影响较小;且膜内部热阻可忽略不计,通常可采用近似方法进行计算同类温。

3　结论

　　1)对于双向拉伸薄膜的生产,铸膜时必须保证

有充分的冷却时间,铸膜辊的直径大小取决于生产线的上限膜厚。　　2)对于特厚膜的生产,需采用双辊冷却的方法,冷却时间比最好为85∶15左右。　　3)MDO的预热系统,采用多辊双面交替加热的方式为佳。　　4)对于TDO的预热系统,膜厚对加热效果影响较小,预热区的选择取决于生产速度。　　5)此模型同样适用于其它双向拉伸薄膜及类似加工工艺过程。

参

考文献

1　BillonN,BarqP,HaudinJM1IntPolymProcess,1991,4:

348

2　齐亚别斯基.高速纺丝科学和工程1北京:中国石化出版

社,1990.168

3　谭天恩.化工原理.北京:化学工业出版社,1987.1

(本文于2004-06-16收到)